井-孔联合微震技术在工作面监测中的应用

2021-11-23闫文超崔伟雄段建华蔺兑波

煤矿安全 2021年11期

闫文超，崔伟雄，段建华，丛琳，蔺兑波

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安 710077）

一次能源消费中煤炭依然作为主要的能源。随着浅部可开采的煤炭资源枯竭，煤炭开采逐渐向深部推进，然而开采深部煤炭资源将伴随着更复杂、更严峻的地质情况，面临更多的地质灾害的威胁[1-4]。华北地区是我国产煤的主要地区之一，水害是该地区的主要威胁之一，当开采深部煤炭资源时，会改变岩层的应力状态，造成底板隔水层的损坏，一旦到达临界应力状态就会导致严重的水害事故。掌握开采过程中岩石的破坏特征以及煤层底板的破坏情况，对安全高效开采深部煤炭资源有重要的意义[5-9]。

当前，评价采煤过程中底板突水的方法主要有2 类，一类为静态评价方法，例如利用数值模拟进行分析、地质评价法，该方法的最大不足之处是非直接性验证、缺乏准确性、不能实时监测预报；另一类为现场测量方法，利用钻探方法去直接进行验证、利用电法和电磁法进行验证等；钻探验证的方法相对滞后并且增加工程成本、效率低下；电法和电磁法不能直接获取底板的破坏深度。以上方法不能直接对导水通道进行探测，也不能实时监测岩层的破裂失稳过程和活化规律[10-12]。

微震监测技术作为一种岩石破裂微地震监测技术，相对于以上方法，解决此类问题是比较成熟的，微震监测技术能够实时监测开采过程中岩石应力的变化情况，反应比较直接，能直接对破裂点进行定位，测量精度高，可对导水通道的“动态”破裂过程和活化规律进行实时监测[13-17]。

1 矿井概况

冀中能源葛泉东井矿核定生产能力90 万t/a。矿井开拓方式为一对立井开拓，采用走向长壁工作面布置方式，综合机械化开采，顶板管理为全部垮落法。葛泉东井开采下组煤（即：7#、9#煤），井下主要大巷标高为-150 m。9#煤位于太原组下部，全井田稳定可采，在井田大部分区域与8#煤合并，总厚度6.78 m 左右。9#煤结构复杂，含3-6 层厚度不等的夹矸，煤层的上方有2.77 m 厚的隔水层，下方有20.89 m 的隔水层，9#煤层至奥灰顶面的隔水层厚达35～55 m，一般在40 m 以上。11916 工作面位于一采区轨道上山右侧，11915 工作面采空区与东翼运输大巷之间，走向长度1 024 m、倾斜宽67 m。矿方对于开采过程中煤层底板隔水性能、裂隙发育程度等情况没有实时的验证手段，为了实时了解上述情况，通过井-孔联合微震技术实时监测11916 工作面开采过程中底板的变化情况，为安全高效开采提供技术指导。

2 井-孔联合微震监测技术

常规的微震监测技术在煤矿的测点布置是要求“空间包裹”，实现内场定位的，尤其是冲击地压矿井，参与定位通道数量要求不少于6 个，工作面巷道内的拾震器（检波器）与大巷（上下山）内的拾震器（检波器）可以实现联合定位。存在定位误差较大、监测精度低等问题。井-孔联合微震监测技术在进行传感器布置时，不仅在工作面巷道布置传感器，而且在测区周围打一定数量、一定深度的钻孔用来布置传感器，对整个测区形成包围；很大程度上提高了定位精度，满足煤矿监测的要求。

井-孔联合微震监测技术相对于传统微震技术在观测方式上进行了创新。主要的不同之处，不仅在工作面巷道布置检波器，而且在工作面打一定深度特定角度的钻孔，将检波器布置在钻孔底部，用泥浆封孔；这种观测方式能提取到更多的有效信号，减少巷道的干扰；井-孔联合观测方式能够更加准确地采集到工作面在采掘过程中的微地震信号，从而对产生的地震信号进行定位，获取异常信息。该技术监测精度高，能够实时、长期、立体监测微震事件。井-孔联合微震监测示意图如图1。

图1 井-孔联合微震监测示意图Fig.1 Schematic diagram of mine-hole joint micro-seismic monitoring

3 现场应用

为了实现在采掘过程中对危险异常的实时监测，采用中煤科工集团西安研究院有限公司生产的KJ959 煤矿微震监测系统。KJ959 煤矿微震监测系统由地面部分和井下部分组成，地面系统主要是主机及处理系统，井下部分是由采集系统及检波器组成，KJ959 微震监测系统组成及结构如图2。

图2 KJ959 微震监测系统组成及结构Fig.2 Composition and structure of KJ959 micro-seismic monitoring system

3.1 监测点布置方案

采用井-孔联合的方式进行监测，就是在工作面巷道和钻孔中共同布置微震检波器，目的是让检波器对整个测区形成包围。具体的井-孔微震监测观测系统图如图3。

图3 井-孔微震监测观测系统图Fig.3 Well-hole micro-seismic monitoring and observation system diagram

11916 工作面两巷道分别为运料巷和东翼运输巷，在2 个巷道分别布置检波器，检波器都在底板进行布置，有深孔测点、底板锚杆布置测点；其中在11916 运料巷布置微震检波器20 个测点，点距50 m，深孔检波器的点号为24、27、29、31、34、37，钻孔孔深30 m；东翼运输巷布置微震检波器22 个测点，点距50 m，深孔检波器的点号为2、6、8、10、12、15、22，钻孔孔深40 m。每台分站监测6 道，监测站分别布置在11916 运料巷42 号监测点以外100 m 的侧帮和东翼运输巷22 号监测点以外100 m 的硐室内，监测工作面长度1 000 m。

3.2 精度定位

为了保证微震监测的定位精度，在安装完成整个系统之后利用放标定炮的方式对整个监测系统进行精度标定。本次标定炮的药量为200 g ，标定炮孔深在1.5 m。在11916 运料巷的626 号测点（矿方的精确测点）向外20.4 m、622 号测点向前40 m，中间巷的633 测点退1.4 m、627 号测点前5.4 m 处各放1 炮，记录放炮后采集到的波形，并分析放炮产生的地震波在岩层中传播的速度。根据得到的速度对放炮的位置进行计算，得到监测系统定位位置和真实位置之间的误差，误差为3.6 m，此次的定位误差包含垂直定位误差；定位精度能够满足此次的工程定位误差精度需求。

3.3 滚动监测

采用滚动监测的方式。每台监测分站同时监测6 道测点数据，根据矿方的采掘进度，需要人为地去换监测点位，保证监测站的监测道数一直为6 道；第1 次监测工作面两巷的监测点位分别为1～6 和23～28，当采掘位置盖过监测点1 和23 时就将后面的7和29 号监测点接入观测系统;经过多次的滚动就可以实现对整个11916 工作面的全部监测。

4 监测结果

统计了2019 年7 月1 日到2019 年12 月31 日的微震监测数据，在此期间共探测到有效微震事件4 273 个。其中最大能量为7.36 MJ，最小能量为0.1 J，由监测数据分析计算可知1 000 J 以下的事件占比90.2%，1 000 J 以上的事件个数占9.8%。1 000 J能量以下的微震事件占大对数，且100 J 以下的能量居多，均视为危害较小的能量事件。井-孔联合微震监测可以有效监测到不同区间能量范围的事件，满足现场监测要求。

由微震事件垂向分布可以看出，微震事件分布于煤层及其上下20 m 的区域，有少量分布于边界以外的区域，在130～220 m 内较零散的分布。

整个微震监测期间内，除去信噪比较差、定位误差较大的时间后，剩余的事件底板为1 529 个，占总事件个数的36%；顶板事件为2 744 个，占总事件的64%。经过对数据的分析处理可以得出在顶底板微震事件在不同标高的事件数量，从而为判断整体的顶底板破坏深度提供数据支撑。底板微震事件标高柱状图如图4。顶板事件标高图如图5。