底板突水预警系统在受底板奥灰水威胁工作面中的应用

段元帅

（山东万祥矿业有限公司，山东 济南 271107）

潘西煤矿开采19 煤层时，矿井充水条件比较复杂，井下钻孔揭露徐、草灰皆无水，但工作面回采过程中发生底板徐、草灰突水，最终水源为奥灰。随着矿井不断延深，奥灰水压也随之增加，奥灰突水一次突水量呈现不断增大的趋势，而且涌水不断向下部转移集中于深部水平，增加了深部水平排水负担和安全带压开采的难度。

1 工程概况

1.1 实施内容

（1）结合潘西煤矿6199 工作面水文地质条件，建立底板水害微震监测和预警系统，实现数据采集、传输、处理、解释与信息分类识别和水害水情预警预报功能以及适用于潘西煤矿6199 工作面底板水害微震监测数据的处理、解释与信息分类识别、水害水情预警预报功能的应用系统，形成潘西煤矿6199 工作面水害微震监测预警技术体系。

（2）通过在井下强干扰环境下的微震有效信号接收与识别、微震事件空间定位及时-空演变规律，查明监测区域内的隐伏导水通道以及隐伏构造采动活化情况等，实现对潘西煤矿6199 工作面底板下灰岩水、带压注浆注水和采掘扰动等产生的底板破坏、裂隙等位置、方向、发展演化和充水及强度变化过程的监测预警。

（3）通过对潘西煤矿6199 工作面底板水害威胁程度的监测，研究底板有效隔水层厚度，建立从所有监测采集和处理的信息中解释、识别出关于水害水情的信息及不同危险性等级、应急处理的预警预报标准，以形成矿井水害微震监测预警技术体系，建立水害水情分类识别方法、分级预警标准以及合理确定深部安全开采突水系数。

1.2 实施目标

结合潘西煤矿6199 工作面水文地质条件，研究和建立适用于其回采工作面底板灰岩水害微震监测和预警系统，监测和预报回采期间底板导水通道发育和水力联系变化情况，保障矿井安全生产。

1.3 实施路线

（1）根据项目技术需求，结合潘西煤矿6199工作面水文地质条件，构建潘西煤矿6199 工作面水害微震监测预警系统，包括数据采集系统布置方式、传感器组合模式、数据处理解释工作站以及微震监测数据处理、解释与信息分类识别、水害水情预警预报等。

（2）根据潘西煤矿6199 工作面微震事件时-空分布特征及4D 成像结果，结合注浆加固、放水等主动诱发事件，评价监测区域内的隐伏导水通道动态演化以及隐伏构造采动活化情况，评价突水危险性。实现对潘西煤矿6199 工作面底板下灰岩水、带压注浆注水和采掘扰动等产生的底板破坏、裂隙等位置、方向、发展演化和充水及强度变化过程的监测预警。

（3）通过对潘西煤矿6199 工作面底板水害威胁程度的监测，研究底板有效隔水层厚度，建立从所有监测采集和处理的信息中解释、识别出关于水害水情的信息及不同危险性等级、应急处理的预警预报标准，以形成矿井水害微震监测预警技术体系，建立水害水情分类识别方法、分级预警标准以及合理确定深部安全开采突水系数。

2 6199 工作面底板水害微震监测方案

2.1 微震台网设计

（1）矿井煤层工作面在回采的过程中，煤层底板受破坏影响较大，破坏垂直深度约10～20 m。潘西煤矿6199 回采工作面受煤层底板起伏变化和断层影响，会造成工作面回采期间局部破底，有突涌水危险。

（2）根据潘西煤矿6199 工作面走向长度，本次设计使用1 套12 通道微震监测系统进行底板突涌水监测，包括：2 台6 通道KJ648（B）-Z 微震监测分站以及20 支GZC5 微震传感器。其中微震监测分站通过矿上环网，建立潘西煤矿水害微震监测预警系统。

（3）潘西煤矿6199 工作面底板突水动态微震监测中，分别在-740 m 后六下部集中运输巷（包括-740 m 后六下部运输上山）和6199 上巷（包括外延段以及部分6198 运输巷贯通段）布设微震监测点，监测点间距约100 m。其中-740 m 后六下部集中运输巷第一个微震监测点安置在距切眼约60 m，6199上巷第一个微震监测点安置在距切眼约120 m。台网监测点布设如图1（黑色圈表征微震监测点）。

2.2 系统联调及地震波速标定

6199 工作面底板突水动态微震监测系统安装完成后，进行系统联调及地震波速标定。在矿井内放标定炮，记录放炮时间和地点，以便计算、校验地层地震波速，并在监测过程中进行日常校验检查。

通过放炮的方法标定地震波在岩层中的传播速度，一共需放4 炮（根据实际工况进行设计）。为了减少测量工作量，放炮的位置选择在测点附近，炮点在测点附近的巷道侧帮上，孔深4.5 m，药量100 g，采用瞬时雷管引爆，如图2。

图2 标定炮炮孔装药示意图（m）

3 数据处理分析

3.1 定位方法

网格法是Alder 和Wainwright 提出的一种方法，具有简单、快速的特点，能够快速确定真解的大概位置。基本思想是把模型空间划分成规则的网格，其次在模型空间按较粗网格进行快速搜索，得到误差分布，然后基于Gaussian 误差分布假设，对全局最小区域进行加密搜索，通过多次加密得到全局最小值，即地震事件，并得到定位误差，如图3。

图3 网格搜索法原理图

3.2 背景噪声分析

微震监测台网附近环境噪声对于台站接收岩体变形产生的微震信号的能力有举足轻重的影响。

煤层底板突水动态微震监测系统记录到的环境噪声波形，监测区域内台站环境噪声水平为E-05。据以往微震施工经验可知，对于煤层回采扰动引起的底板隔水层岩体破裂产生的微震信号来说，E-05监测环境噪声属于一个相对较低的噪声水平，能够有效地记录微弱的岩石破裂微震信号，如图4。

图4 煤层底板突水微震监测现场背景噪声水平分布图

3.3 地质模型建立

根据6199 回采工作面监测区域地质资料及利用爆破信号，通过传感器进行信号接收，进行地层速度校正，并最终确定监测区域的地层速度模型如图5。

图5 煤层底板突水微震监测现场背景噪声水平分布图

4 监测数据成果

4.1 微震与电法监测关联

微震监测通过KJ648（B）-Z 微震监测分站以及20 支GZC5 微震传感器。将监测数据传输到地面数据处理中心，进行分析处理，确定能量事件点。将能量事件点与电阻率异常成果图比对，是否重叠，从而确定是否有导水通道，实现突水预警。

4.2 电法监测数据说明

（1）电阻率监测任务为监测工作面回采期间底板岩层电阻率的变化规律，预警底板导水通道的发育。监测系统在运输巷布置37 根传感器，在回风巷布置31 根传感器，传感器间距20 m，布置位置如图6。

（2）电阻率监测成果为工作面底板下0～100 m的视电阻率分布，一般情况下，在地层层位分布稳定、岩性相对均一的情况下，电性分布稳定，视电阻率等值线分布均匀、变化平缓，若存在含导水构造情况下的电性均匀分布规律被打破，反映在图上为视电阻率值变小，视电阻率等值线扭曲、变形为圈闭或呈密集条带状等。

（3）纯异常成果图为当日监测成果与上一日监测成果的视电阻率差值，用以描述工作面电阻率的变化。纯异常切片层位为底板下50 m，该层位距离底板破碎带和奥灰层位均较远，应力变化和静态水的变化不大，干扰因素比较少，异常变化主要是水引起，故作为重点监测层位。

4.3 微震监测数据说明

8月9日监测到工作面微震事件1个，能量261 J，位于6199 工作面上出口以东200 m 左右，煤层底板下30 m 左右,岩性为六灰。微震事件能量较弱，未监测到工作面底板的微震事件与电阻率监测异常重叠，电阻率监测成果未发现采动过程中导水通道的发育。如图8。

4.4 监测数据分析

（1）以8 月9 日监测数据为例，从成果图可以看出，8月9日工作面监测区域内电阻率值较均一，没有出现明显的低阻异常区。如图7。

（2）从8 月9 日纯异常平面图可以看出，相比前一日视电阻率变化幅值在±10%以内，在工作面没有明显的低阻异常区，在回采推进前方未发现其他明显变化大的低阻异常区。

图6 工作面底板下50 m 切片视电阻率平面图

图7 工作面底板下50 m 切片视电阻率纯异常平面图

图8 微震事件点分布图

5 结语

通过在6199 工作面两顺槽建立微震监测系统，对微震信号进行采集、分析，精确地计算出微裂隙的破坏位置、能量以及可能影响的区域，实时监测采动过程中工作面底板含水层破裂引起的微震信号，超前分析底板破坏带发育情况，分析微震事件的空间展布，监测断层活化情况，及时发布微震预警信息，实现水害实时监测预警。