亭南煤矿微震监测数据与工作面涌水量关系研究

2021-05-14杨艺，孟璐

华北科技学院学报 2021年1期

杨艺，孟璐

(华北科技学院安全工程学院，北京东燕郊 065201)

0 引言

煤矿一般生产规模较大，为了有效预防矿井水害的发生，矿井涌水量的预测必不可少，针对矿井涌水量与微震监测数据之间的相关性分析，国内的许多学者进行了大量的研究。微震监测技术是近年来发展起来的一种新的物探技术，通过在煤矿井下提前埋设的高灵敏度检波器监测、接收岩石破裂产生的微小震动信号，采取专门软件将这些信息解码为有效的微震信号，通过对微震事件发生的时间、位置、频度、能量等分析，进行时空定位和震源机制研究[1-3]。司雷[4]采用理论分析、数值采集、现场实践等手段，以大量微震事件、工作面涌水量数据为基础，建立工作面微震事件与工作面涌水量变化关系模型进行研究,结果表明:工作面微震事件能量与工作面涌水量变化存在正相关关系，两者变化趋势基本相同。李艳飞等[5]在前人研究的基础上,为进一步研究顶板导水裂隙带随工作面推进的动态发育过程,对微震监测得到的微震事件数及能量级对工作面的顶板岩体破裂的相关性进行研究,并对导水裂隙带动态发育过程进行数值模拟。杨彦廷[6]分析某矿涌水量预测及与相关因素相关性，提出矿井涌水量与降雨量、产量、开采面积成正比关系。

微震监测技术对煤矿企业有着不可或缺的作用，为了更准确地预测矿井涌水量，减少煤矿突水事故，保障煤矿的安全生产，本文将以亭南煤矿207工作面为例，结合同一时期的微震监测数据(事件数、能量级)，分析207工作面2017～2018年的矿井涌水量与微震数据之间的相关性，结果表明微震事件数与能量级皆与矿井涌水量呈正相关关系[7-9]。

1 工作面概况

1.1 地质条件

亭南煤矿207工作面位于二盘区中部，所采煤层为侏罗系延安组4煤，煤层倾角为0°～8°，平均为4°。煤层厚度为13.6～21.2 m，平均厚度为18.0 m，上分层回采厚度7.0～8.0 m，平均回采厚度为7.5 m。根据现场揭露岩层情况和钻孔柱状图可知207工作面顶、底板主要以砂岩和泥岩为主，该区域横跨南玉子向斜轴部，根据现有地质勘探资料，本区域构造简单,未发现较大断层，南玉子向斜横穿该面，向斜轴附近煤岩层破碎，应做好工作面顶板管理工作。根据已有的勘探资料，陕西省黄陇侏罗纪煤田彬长矿区地层中未发现岩浆岩和陷落柱。

1.2 水文地质条件

(1) 主要含、隔水层

该区域水文地质条件复杂，对工作面有影响的隔、含水层自上而下为：第四系松散层孔隙含水层，平均层厚93 m；白垩系下统宜君、洛河组孔隙—裂隙承压含水层组，平均层厚280 m；中侏罗统安定组隔水层，平均层厚34 m；中侏罗统直罗组孔隙—裂隙承压含水层组，平均层厚11 m；中、下侏罗统延安组孔隙—裂隙承压含水层组，平均层厚13 m;下侏罗统富县组相对隔水层组，平均层厚22 m。其中，宜君、洛河组承压含水层对工作面影响较大。

(2) 4煤顶板岩层之间的水力联系

4煤顶板以上各含水层之间有稳定的隔水层存在，自然情况下不会发生水力联系。但是受采动影响，在隔水层破坏情况下，上覆含水层对下部含水层将构成补给，如第四系松散层水和地表水体对基岩含水层补给。

(3) 207工作面水文地质

207工作面主要受4煤顶板白垩系承压含水层水害威胁。参照ZK8-1、G2号钻孔，含水层岩性主要以中粒砂岩、粗粒砂岩和粗砾岩为主，洛河组含水层渗透系数为0.0241 m/d，自开面以来，4煤顶板至洛河组底界距离约173.5～176.0 m。隔水层为侏罗系安定组，厚度为48.5～62.8 m,岩性主要以粗粒砂岩、砂质泥岩为主。具体含、隔水层情况见表1。

表1 207工作面参考钻孔地层厚度数据简表(单位：m)

2 微震监测系统

2.1 传感器布置点

微震监测技术主要通过接收岩体破裂时产生的声、能信号，对产生的微震事件进行定位。为了保证微震监测系统覆盖整个二盘区，重点监测207工作面，能够实时监测207工作面及相邻采空区微震事件的发生，及时地分析数据，提高预警范围，采取防护措施。在207工作面布置1个监测探头和4个拾震器，覆盖整个207工作面作业区域。自2017年8月15日工作面开始回采至今，207工作面共计优化微震探头和拾震器布置30余次，提高了监测效果，微震监测系统布置如下图所示。

2.2 微震事件定位

通过207工作面地质资料构建煤系地层的三维地质模型后，将微震事件在空间模型中展示，如图2、图3所示，对微震事件的地层属性进行分层，对微震事件进行分层，确定微震事件发生的空间位置[8]。以下选用的监测时段为：2017年8月15日～2018年7月6日。期间共发生微震事件65330个，其中顶板事件：56952个；底板事件8378个。监测期内大能量事件数量级104～105，事件共349个。微震事件能量云图见图4，由图可知，大能量事件主要集中在工作面顶板。

图1 207工作面微震监测系统布置图

图2 底板等值线地质模型(亭南煤矿207工作面)

图3 微震事件与地层的空间位置(亭南煤矿207工作面)

图4 微震能量云图

2.3 数据处理分析

微震数据分析的时间区间为2017年8月15日～2018年10月31日。在此期间，共监测到微震事件165343个，平均每天373个微震事件。期间共推进1529 m，平均每米释放能量为4900 J。微震事件统计如下图5所示。在数据分析的时间段内全矿井范围内微震事件的总能量为7.5×106J，微震事件的最大能量级为106J，共有1个106J微震事件，发生于2018年3月15日，位于207回风顺槽超前工作面147.6 m，回风顺槽以西6.7 m处，能量为1400000 J，煤层顶板以上63 m处。由此可知，207工作面微震事件随着能量级的增大事件数呈现逐步降低的趋势。

图5 207工作面微震事件统计

3 207工作面涌水情况

3.1 207工作面涌水量

影响207工作面回采的采空区积水主要为205和206工作面采空区。205、206采空区水通过206工作面面后进入206工作面临时水仓，再通过207回风顺槽5#联络巷全部外排。其中207工作面推采至160 m开始出现涌水，水量为20 m3/h。推采过207回风顺槽5#联络巷之前，涌水量约400 m3/h。截至2018年11月30日，205、206采空区涌水与207工作面涌水混合，混合涌水量为880 m3/h左右，其中207工作面低位泄水巷泄水量约248 m3/h，207灌浆巷5#联络巷泄水量约380 m3/h，207面前涌水量约110 m3/h。在207回风顺槽向206采空区施工10个疏放水钻孔，疏放水量为150 m3/h。

(1) 水量变化：工作面面后涌水通过207面低位泄水巷，207灌浆巷4#、5#联络巷排出，水量稳定在620 m3/h左右，面前涌水量稳定110 m3/h左右。206采空区疏放水量稳定在150 m3/h左右。

(2) 水质变化：截至11月份，207采空区涌水矿化度6583.22 mg/l，根据水质化验结果分析涌水来源为洛河组含水层水。

(3) 地表钻孔水位变化：根据地面钻孔2-1号钻孔水位变化与工作面涌水量变化，以及亭口水库蓄水与207工作面采动影响，207工作面采动影响大于亭口水库蓄水对2-1水位影响，使2-1号孔水位下降1.265 m。

3.2 工作面涌水量变化特点

二盘区开采过程中，地测科人员对每个工作面的涌水量都进行了大量的实测统计，随开采范围和工作面个数增加，盘区总涌水量整体呈现增加趋势，如图6所示。可以注意到在207工作面开采之后，水量增加非常明显。即便在二盘区停采期间，盘区总水量也发生了明显增加，由409 m3/h增加到581 m3/h。这表明在盘区停采之后，顶板岩层依然在缓慢运动，尤其是在长时间停采之后恢复开采几天时间内，涌水量必然突然增加。

图6 二盘区工作面涌水量变化曲线

在此，我们对比二盘区已经开采的几个工作面涌水量变化曲线，如图7所示，为二盘区204-207工作面的用水量情况。经分析可知，207工作面开采之后，工作面涌水量的增长速度最快，明显高于其他已经开采的三个工作面。随着工作面向前推进，207工作面本身的涌水量呈现整体增加趋势，并且在不同时间段出现突增现象，图8为207工作面推进过程中单个工作面涌水量变化曲线。比较明显的突增发生在以下时间点：①2017年10月2日，工作面开采至“一次见方”区域时，水量由20 m3/h突然增加至100 m3/h，在此之前工作面停采2天。②2017年11月5日，工作面因风井检修停采24天恢复生产后，工作面涌水量立刻增加，之后稍有回落，但是稳定之后涌水量比停采之前增加约100 m3/h。③2017年12月1日，工作面推进至358 m，位于地面Y1-1钻孔附近时，水量发生明显增加，至12月11日推进约400 m时，水量到达355 m3/h，之后水量增加趋于缓和。④2017年12月11日，推进至“二次见方”区域后，水量增加趋势变缓和。

图7 二盘区工作面涌水量随推进的变化曲线

图8 207工作面涌水量随推进的变化曲线

4 工作面涌水量变化与微震数据之间的关系

4.1 与微震事件数之间的关系

对2017年9月28日至2018年7月6日207工作面微震事件进行统计，如图9所示，监测期内207工作面微震事件大致分为三个阶段：

图9 亭南矿207工作面微震事件与涌水量关系曲线图

(1) 2017.09.28～12.29期间，工作面处于底板应力变化剧烈及深部导水通道扩展、发展期。这一阶段207工作面水量增大，平均每日涌水量224 m3/h。微震事件同期大量出现，2017.11.05微震事件开始突增，11.28日达1073个，形成第一个高峰。反映出地下水在矿压、构造应力等共同作用下对导水裂隙带冲扩、向上导升的过程。

(2) 2017.12.30～2018.02.28期间，矿压影响逐步趋弱，水量平稳、水位回升，微震事件整体处于较低水平。

(3) 2018.03.01～2018.07.06期间，矿山应力剧烈变化，引发深部地下水再度活跃，水位下降，水量增加，且微震事件数量变化趋势与涌水量变化趋势基本吻合，表明两者相关性较为密切。

4.2 与微震能量级之间的关系

对2017年11月30日至2018年11月6日207工作面微震事件的能量级进行统计，如图10所示，监测期内207工作面微震事件能量级大致分为三个阶段：

图10 亭南矿207工作面微震事件能量级与涌水量关系曲线图

(1) 2017.11.30～2018.02.10期间，工作面处于底板应力变化剧烈及深部导水通道扩展、发展期。这一阶段207工作面平均涌水量相对稳定，水位回升，平均每日涌水量400 m3/h。微震事件能量级整体处于较低水平。

(2) 2018.02.28～2018.07.30期间，矿压影响逐步增强，水量增加、水位回升，且微震事件能量级变化趋势与涌水量变化趋势基本吻合微震事件整体处于较低水平。

(3) 2018.08.31～2018.11.06期间，矿山应力剧烈变化，引发深部地下水再度活跃，水位下降，水量增加。同期大量出现，2018.09.15微震事件能量级开始突增，形成第一个高峰，能量级达到640000。反映出地下水在矿压、构造应力等共同作用下对导水裂隙带冲扩、向上导升的过程。以上数据表明微震事件的能量级与矿井涌水量两者相关性较为密切。