淮南矿区微震监测应用与思考*

2021-08-10余国锋汪敏华韩云春刘晓国罗江发

陕西煤炭 2021年4期

任波，余国锋，汪敏华，韩云春，刘晓国，罗江发

(1.煤炭开采国家工程技术研究院，深部煤炭开采与环境保护国家重点实验室，安徽淮南 232000；2.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京 100083；3.安徽理工大学能源与安全学院，安徽淮南 232001；4.淮南矿业煤业分公司，安徽淮南 232001)

0 引言

两淮矿区是中国首个建成投产的亿吨级大型煤电基地，也是我国瓦斯、水等多种灾害威胁复杂地质条件开采的典型代表[1]。以淮南煤矿为例，自1897年建矿以来，共发生煤与瓦斯突出140余次，水害事故60余起，不仅造成了较大经济损失和社会影响，也使不少职工献出了生命[2-3]。经过120余年的开采，浅层资源日渐枯竭，不得不转向瓦斯和地应力更大、承压更高的深部煤炭资源开采，瓦斯、水等典型动力灾害威胁更加严峻。开采扰动下的煤矿动力灾害诱因复杂、显现突然，监测预警困难。

微震监测技术是一种微破裂三维立体监测技术，采用高灵敏度检波器采集、记录微小震动信号，通过专门分析软件对微震信号进行解译分析，据此来分析和判断微震事件发生的时间、位置、频度、能量等震源特征，并对监测对象的破坏情况、安全状况作出评价，从而指导安全生产[4-5]。微震监测具有实时、立体、可空间定位、远程监测分析等特点，在岩爆、岩体冒落、边坡破坏、隧道等重大地质灾害防治方面发展迅速[6-8]，也为淮南煤矿动力灾害监测预警提供了新的思路。为此，从开采应力扰动诱导煤岩裂化及微震活动入手，系统总结了微震监测技术在淮南矿区典型动力灾害监测预警与防控中的应用研究，以期为微震监测应用提供借鉴和参考。

1 微震监测技术原理

煤矿井下采掘作业会破坏煤岩体原岩应力状态，煤岩体破裂就是在采掘扰动作用下，采场围岩应力演化的具体显现。诸如煤与瓦斯突出、突水等典型动力灾害，其本质都是采掘扰动应力集中、应力转移和应力释放，内部积聚的能量以应力波的形式向周围释放的过程即微破裂萌生、扩展、贯通、群集等等岩石破裂过程失稳的结果[9]。换言之，微破裂是煤与瓦斯突出、突水等煤矿典型动力灾害的共性前兆信息。因此，在煤矿采掘活动中，通过布置一定数量的检波传感器，可以获得煤岩劣化过程及其微震活动，分析煤岩体破裂发生的时间、空间及量级，确定出煤岩体破裂的三维空间位置,如图1所示，从而研判出煤岩破裂的活动范围、稳定性及其发展趋势，实现对煤岩动力灾害的监测预警。

图1 微破裂事件定位原理示意

2 淮南典型矿区微震监测应用

2.1 覆岩采动裂隙演化微震监测

瓦斯是影响淮南矿区煤炭资源安全开采的首要难题，现有生产矿井全部为煤与瓦斯突出矿井。研究表明，煤层开采过程中，局部瓦斯富集区容易发生瓦斯灾害，通过瓦斯抽采钻孔对瓦斯富集区进行提前预抽是防治瓦斯灾害的有效手段[10]。由于开采扰动产生的上覆岩层裂隙与煤层导通，煤层中比重比空气轻的瓦斯卸压解吸后不断上浮，在裂隙发育区聚集，成为高浓瓦斯富集的潜在危险区。为此，于2009年在淮南矿区新庄孜矿62114工作面后方巷道及底板巷内按间距50～80 m(局部加密至20 m)布设了传感器，呈立体空间阵列监测工作面上覆岩层裂隙演化过程。

2009年7月监测结果如图2所示。可见，随着工作面推进，煤层诱发的微震事件不断迁移，微破裂数量不断增加，由89个增加到232个，微小破裂事件的聚集规模也不断的扩大。从空间位置来看，早期所发生的微小破裂以靠近沿空留巷、下巷及工作面上方为主；之后，微小破裂发生的范围不断扩大，但集中区域发生了明显的变化，上覆岩层裂隙不断扩展、堆积和延伸，表现出微弱的弯曲下沉的趋势；随着工作面推进，上覆岩层内微破裂事件急剧增加，区域性聚集更加明显，因开采扰动导致的覆岩裂隙成跳跃式发展。

图2 62114工作面覆岩微震事件及其等值密云图

监测的微小破裂事件反映了新庄孜矿62114工作面采动过程中上覆岩层采动裂隙的发育规律和演化过程。基于微震监测，优化了瓦斯抽采钻孔设计，将瓦斯抽采钻孔布置于上覆岩层裂隙发育的高浓瓦斯富集区。与优化前相比，优化设计后的钻孔瓦斯抽采效果提升明显，瓦斯抽采量由平均不到6 m3/min提高至平均11.7 m3/min，抽采浓度由平均28.3%提高至平均30.8%。

2.2 地质异常活化微震监测

为保障安全开采，在新庄孜矿62110工作面实施了二维地震探测。探测结果显示，在探测区域内存在JS3、JS4共2处同相断轴点异常，初步判断2处异常是构造原因导致的岩性变化引起[11-12]。为此，在62110工作面底板巷布置了10个微震传感器，密切关注62110工作面底板巷与顺槽掘进过程中2处异常的微破裂变化情况。

可见，采掘活动对地质异常点的影响很大，自4月30日监测到相对密集的微小破裂以来，随着掘进巷道不断靠近异常点，异常区域的微小破裂急剧增加并不断积累，成条带状密集分布。实际揭露的Fa断层、F10-5(10)断层与二维地震勘探结果、微震监测结果基本一致，表明微震监测对地质异常(如隐伏断层等)活化监测具有一定效果，可以作为采掘作业超前探测的重要辅助手段。

2.3 A组煤底板破坏微震监测

2018年4月28日，张集煤矿西三1煤采区-600 m一灰疏水巷定向长钻孔发生奥灰水异常用水，钻孔涌水量达220 m3/h。查明1613A工作面底板长约52 m、宽约33 m的椭圆形富水异常区(距离1612A运顺巷帮距离约为75 m)后，进行了注浆治理。为监测底板破坏，防止开采扰动破坏临近注浆岩体再次导水，在1612A工作面轨顺及其1613A底抽巷内设计安装24个微震监测点，实时监测底板破坏情况，监测结果如图3所示[13]。

图3 微震事件空间分布的主视图

可见，1612A工作面底板微震事件主要集中分布于2个区域，一个区域为靠近工作面的区域，在平面上呈椭圆分布，侧面上呈倒梯形分布(图3)，与传统的“O”形圈一致；第2个区域为靠近F1611A77断层和F1611A76断层附近的微震集中区域，在平面上向靠近1612A工作面轨顺巷一侧集中，在侧面上呈倾斜分布，如图4所示。微震监测底板破坏最大深度为25 m，统计平均破坏深度18.5 m，比传统经验公式计算的破坏深度小5 m左右。F1611A77断层、F1611A76断层有明显的局部活化现象，影响深度增大至约50～60 m。

在1612A工作面开采过程中，注浆岩体区域基本稳定。选择开采过注浆区域期间(2019年5月22日)为对象,如图4所示。可见微小破裂主要分布在顶板岩层中，而底板岩层分布较少，开采扰动引发的微震事件主要集中在距1612A工作面巷帮约40 m范围内，而在距离1612A工作面超过70 m的注浆岩体内几乎无微震事件发生。目前，张集煤矿1612A工作面已安全回采结束。

图4 1612A工作面微震监测结果

3 基于微震监测的煤矿水害风险预警与防控

2019年7月，淮南矿业集团煤业分公司开展“淮矿煤业公司煤矿水害风险预警与防控系统”建设，如图5所示，系统监测信息主要包括钻孔水文信息、涌水量信息、排水量信息、微震监测信息、视频监测信息等，旨在建立综合化、智能化、网络化动态预警的煤矿水害风险预警及防控系统，通过煤矿水害风险预警及防控系统的建设实现水文数据由零散到系统、由数字到数据、由封闭到开放、由摆设到系统分析、由落后到自动化智能化的显著提升，对是否出水、水量多大、导水通道具体位置等情况作出判断，对危险等级作出评估，进而避免事故带来的人员伤亡及巨大财产损失。

图5 淮矿煤业公司煤矿水害风险预警与防控系统

微震监测作为该系统的主要组成部分，将以多种表现形式，全方位实现微震的监测分析、预警等功能。例如，通过柱状图、曲线图观察微震事件随时间的变化趋势，通过24 h图分析微震事件高发时间段，通过饼图分析各地层或者各种事件类型所占的比例，通过不同矿井设置的微震预警阈值进行预警等，均为提升煤矿水害监测、防控能力和安全管理水平做出了重要的支撑。