微震技术在煤矿注浆防治水过程中的检测分析研究

李高鹏

（太原煤炭气化（集团）有限责任公司地质测量部山西太原030006）

随着煤炭开采强度的不断增大，在深部开采时，带压水造成的水害事故成为影响工作面安全开采的重要因素之一[1-3]。目前，龙泉矿井下开采多个煤层受到奥灰水影响，易发生工作面突水事故，进行了一系列注浆等措施进行防治水工作，为了保证工作面防治水措施能够达到应用的作用，现采用微震检测技术对龙泉矿防治水工作进行动态监测。

许多研究学者对微震技术进行了研究，陈歌[4]针对微震检测技术原理进行了研究，分析了矿井水害进行微震检测技术应用的可行性与局限性；王悦[5]建立了微震监测系统对董家河煤矿22517工作面底板突水进行了监测，确定了底板破坏深度及可能出现的出水点位置。现针对龙泉矿4301工作面底板防治水进行研究，采用微震检测技术进行评价及改进。

1 工程概况

龙泉煤矿位于山西省太原市娄烦县，可采煤层共有11层，其中稳定可采煤层为4、7、9号煤层。矿井采用斜-立井联合开拓方案，两个水平开拓，前期一水平开采4号煤层，划分为六个采区。后期二水平开采7、9号煤层。目前主要在二、三采区进行采掘活动，采煤方法采用综采放顶煤采煤工艺，走向长臂式采煤方法，全垮落法管理顶板。4号煤层平均厚度为6 m～7 m，夹矸1～5层，结构复杂。4301工作面位于三采区，南侧为4201工作面，北侧为4302工作面，东侧为煤柱，西侧为三条大巷。工作面伪顶为平均厚度0.23 m的砂质泥岩，直接顶为平均厚度3.53 m的K4砂岩，老顶为平均厚度7.3 m的砂质泥岩，直接底为平均厚度0.45 m的中砂岩，老底为平均厚度6.06 m的细砂岩。

龙泉矿4301工作面底板标高在100 m～1 100 m，根据地质报告可知，惊天奥灰动水位在1 080 m～1 125 m，奥灰水很大可能会破坏上部隔水层的完整性，沿着构造裂隙薄弱带进入4301工作面，造成底板突水事故，因此4301工作面属于带压开采。

根据地质钻孔水位标高可以得到底板承受的水压大约6 MPa，在2017年3月工作面开采过程中，回采初次来压之后就发生了底板突水事故，涌水量最大达到了190 m3/h。根据出水点进行了钻孔注浆防治工作，钻设了15个钻孔，共进尺25 547 m，总注浆量达到17 668 m3。现针对4301工作面底板注浆防治水采用微震监测技术进行效果评价。

2 微震监测技术应用

本次微震监测选用地震检波器，传感器的频率监测范围为15 Hz～1 000 Hz，根据龙泉矿4301工作面的地质条件及巷道布置、存在突水危险点，综合考虑，在工作面两侧巷道每隔80 m打设一组传感器，具体布置方案如图1所示。采用微震建测系对工作面进行24 h连续监测，采用数据处理软件Geiger对微震事件进行定位，进而得到工作面底板下方导水裂隙分布状态。

图1 工作面传感器布置方案

2.1 注浆前微震监测

图2 顶板、底板微震事件分布平面图（5月）

图3 工作面微震事件分布剖面图（5月）

上图为注浆堵水前2018年5月微震监测底板事件分布图，图上用不同颜色表示不同深度的微震事件点。平面图上微震监测事件展布方向基本与顶板相同，涉及底板含水层有K3、L3含水层（绿色）、事件最多，L2、Ll灰岩含水层（桔色），事件12个，太原组底部灰岩、K1砂岩、本溪灰岩（粉红色）事件7个，奥陶系灰岩浅部事件2个（天蓝色），奥陶系灰岩50 m～130 m内监测事件10个（浅蓝色），奥陶系灰岩130 m以下监测事件8个。顶底板事件具有分层及斜交展布的特性，有与含水层分布间距及节理裂隙发育方向相一致的特征。

微震监测在剖面上有分不同深度的特征，煤层顶板上主要层位在K4砂岩、K5砂岩、K6砂岩层位；煤层底板深度50 m以内，相当于K3砂岩，90 m相当于L2灰岩层位，135 m相当于K1砂岩和本灰，奥灰顶部50 m，不整合风化壳溶蚀裂隙；奥灰顶下130 m溶蚀裂隙发育，130 m以下分为一个信息区域。在工作面无采掘活动时，发生微震主要因素工作面底板出水，失去地下水的平衡状态，高压水流对底板岩层不断破坏。微震事件来自不同深度地层含水层，沿着节理裂隙方向水压劈裂，水压能量逐步释放，直至从出水点泄压。

2.2 注浆中微震监测

（1）注浆方案

注浆方案设计为施工钻孔15个，其中辅运巷1号钻场2个钻孔，2号钻场4个钻孔；胶带巷3号钻场4个钻孔，4号钻场5个钻孔，设计总进尺2 514 m，具体参数如表1所示。实体煤区域施工的钻孔采用二径套管结构，采空区周边、奥灰钻孔及过巷钻孔采用三径套管结构。

表1 4301工作面注浆钻孔设计参数一览表

考虑到工作面浅部底板破碎，岩石完整性差，注浆终压根据实际情况来确定，一般比静水水压高0.5 MPa～1.5 MPa。在分段下行次注浆时，浅部得到注浆加固后，逐渐提高注浆终压压力。注浆结束泵量规定为5 m3/h，即当泵量为5 m3/h左右时达到上述注浆结束压力时为视为达到注浆结束标准。最终实施钻孔15个，累计注浆17 668 m3，总干料3 926 t，其中水泥2 212 t、粘土1 714 t。

（2）注浆中微震检测

2018年5月前微震监测为自然监测事件，工作面内没有采掘活动，只有底板出水后疏放排水活动，6月开始治理底板出水钻探注浆施工活动，微震事件明显上升，2018年6～8月微震监测事件分布如下图所示：

图4 注浆中顶板微震事件分布平面图

图5 注浆中底板微震事件分布平面图

根据数据可知2018年1月1日至5月31日，顶板微震监测事件最低频次103次，最高376频次，平均204频次，分布范围较大，以4301工作面东南部最多；2018年6月4日开始底板注浆以来截止8月31日，顶板微震监测事件，最低频次338次，最高频次545频次，平均420.67次，注浆微震频次增加216次，是原自然频次的2.06倍，顶部事件主要集中在4301工作面区域附近。

4301工作面底板微震事件，以煤层底板50 m内最近为例，前5个月微震发生频次最少30频次，最多167频次，平均96频次，日均0.64频次，底板注浆微震监测频次增加，最少242频次，最多492频次，平均月均371频次，注浆期间频次是未注浆前的3,87倍，日均微震11.87频次，见表2。

表2 4301工作面微震分层监测事件频次统计表（2018年1-8月）

由数据绘图可得图6，可知2018年6～8月，4煤底板浅部事件的增多，一方面是井下钻探生产影响，另一方面说明底板浅部受采动影响产生了破坏，强度和完整性较差。6月至7月奥灰顶面以下微震事件明显增多，到8月又突然减少，反应了随着注浆堵水奥灰水压逐渐恢复的一个过程，随着奥灰水压的增加，奥灰含水层内压裂现象增多，到8月奥灰绝大部分通道得到封堵以后，奥灰含水层基本恢复自然平衡状态，微震事件自然就少了。L3灰至奥灰顶面的微震事件应该主要与注浆有关，说明太原组砂岩、灰岩含水层也参与了底板出水，通过注浆施工出水的含水层得到了加固。

图6 4301工作面不同层位微震事件频次变化曲线图（2018年1-8月）

3 4301工作面防治水效果分析

根据工作面现场钻孔注浆防治水工作，截止到2018年8月，由注浆期间微震事件可知，通过注浆底板微震事件明显增多，大部分裂隙得到封堵，完整性得到增强，测得工作面底板涌水量由最高时190 m3/h减小到32 m3/h，可见注浆堵水率达到了82%。工作面涌水量大大减少，截止到目前工作面底板涌水量稳定在30m3/h，底板下方奥灰水位接近正常水位。

4 结语

微震监测技术作为一种新兴的矿井防治水手段，需要不断的总结应用经验，排除干扰因素，才能更好的服务于井下钻探注浆工作。4301工作面底板注浆堵水工程，利用微震监测技术，指导注浆控制注浆量及压力，实现了较好的注浆效果。通过本工程注浆过程与微震监测对比，对龙泉矿注浆工作建议：宜采用分段下行式注浆，先加固好浅部底板，再对各含水层组分层注浆，由浅部到深逐渐提高注浆压力，注浆过程中结合微震系统实时监测分析浆液扩散范围，发现异常情况及时停注，防止了对巷道底板造成破坏。