冲击地压矿井微震监测技术在防治水中的应用研究

赵森

（陕西彬长大佛寺矿业有限公司，陕西 咸阳 713500）

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逐渐发展并成功应用起来的一种新的煤矿物探监测技术，通过在大型煤矿井下进行提前施工埋设的大型高灵敏度检波器自动监测，接收煤岩体破裂可能产生的微小时空震动监测信号，采取专门编码软件将这些微震信息自动解码为有效的各种微震监测信号，通过对各种微震监测事件可能发生的微小时间、位置、频度、能量等数据分析，进行微小时空运动定位和微小震源运动机制分析研究。司雷采用大量理论数据分析、数值数据采集、现场模拟实践等多种手段，以大量局部微震引发事件、工作区表面涌动流水量温度数据为基础，建立活动工作区局面微震引发事件与活动工作区表面涌动流水量温度变化反应关系分析模型并进行分析研究，验证了两者之间存在一种正常的相关变化关系。杨彦廷通过分析某一煤矿涌水量的预测性及与其他相关影响因素的相关性，提出了某矿井平均涌水量与当地降雨量、产量、开采用地面积等构成密度正比例的关系。

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，针对暂时尚未有效的预测技术与预报手段，准确预测矿井水害事故等相关问题，结合大佛寺煤矿实际情况，提出了一种利用微震监测技术进行综放工作面涌水预测预报的方法。本文以大佛寺煤矿40119 工作面为例，结合同一时期的微震监测数据（频次、能量），分析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。

1 工作面概况

1.1 地质条件

40119 工作面是401 采区西翼南部第3 个综采放顶煤工作面。工作面走向1 549 m，倾向200 m，面积309 800 m2，煤层底板标高550—585 m，煤层埋藏深度470 ~ 570 m。地理坐标范围X：3 878 169.583 ~ 3 879 718.502，Y：36 495 303.831 ~ 36 495 503.831。40118 工作面采空区位于40119 工作面东侧，其留设有宽度30 m 的隔水煤柱，西侧为实体煤，南侧为井田边界，北侧为4 煤西部4 条大巷。

延安组底部4 煤层作为40119 工作面开采煤层，局部区段因为受地质构造的变化影响，节理裂隙较为发育，因此造成了部分煤层相对较为松软。根据工作面实际揭露及探煤情况，工作面煤层厚度6.2~18.9 m，平均厚度为12.5 m，整体由北向南变薄，平均煤厚12.5 m，属特厚煤层，煤层倾角0 ～9°，局部含1~2 层夹矸，厚度平均0.2 ~0.3 m，岩性均以泥岩或炭质泥岩为主。

1.2 水文地质特征

（1） 上覆岩层水文地质情况。

根据勘探资料，40119 工作面内主要含水层由上到下依次为白垩系下统洛河组砂岩孔隙—裂隙承压含水岩组、白垩系下统宜君组裂隙承压含水层、侏罗系中统安定直罗组裂隙承压含水岩组、侏罗系中统延安组裂隙承压含水岩组。

根据《大佛寺煤矿地下水对煤矿安全开采影响的研究与分析》 报告及实际开采影响情况，40119 工作面回采期间导水裂隙带会发育至工作面直接充水水源为延安组、直罗组含水层水（单位涌水量较小），对工作面回采影响较小；主要充水水源为洛河—宜君含水层水（单位涌水量较大），是工作面主要涌水，对工作面回采影响较大。

（2） 相邻采空区水文地质情况。

根据矿井实际揭露情况，40119 工作面东侧为40118 采空区，在40118 采空区150、560、1 200 m 处为积水区，通过计算累计积水约183 000 m3，采空区积水较大，对工作面影响较大。

2 微震监测原理及监测方案

微震事件是由于矿山局部高应力集中岩体破坏断裂过程伴生的一种自然现象，由于岩体内部富含众多天然节理裂隙，具有一定的初始损伤，其在承载能量输入过程中，不可避免会在裂隙尖端形成应力集中，进而加剧岩体内部应力场分布不均匀，在其动态平衡过程中，继续时刻保持应力转移，伴随裂纹实时扩展。通过裂纹扩展过程的能量释放，来实现岩体内部整体能量场的动态平衡，而在上述过程中，因岩石的特殊属性，其在裂隙演化过程中，会发出弹性波，可以有效的被微震传感器拾取到，进而主动监测岩体内部失稳现象。

2.1 微震监测技术在矿井水害中的应用原理

针对矿山水害的诱发机制，众多学者认为其根本原因在于采动影响以及矿山压力作用下的岩体破断过程为矿井突水形成了天然通道，其中还包括水岩耦合作用。水能弱化岩体，降低岩体承载能力，促使采掘扰动作用下岩体破坏，进一步诱发矿井突水事故。而结合上述分析，岩体破断是一个循序渐进的过程，裂隙演化过程中发生的弹性波可以被微震拾振器拾取，这为提前预测矿井水害提供理论依据。而微震监测系统另一个优势在于，可以通过布置合理的监测台网，对微震事件的发生位置进行精确定位。因此，利用微震监测技术的2 大优点，可以将其推广到预测矿井水害事故中，对提前预测水害发生的位置以及发生水害的时间进行预测预报，为矿山安全生产做出贡献。

2.2 微震监测方案

由于大佛寺煤矿受煤层地质条件限制，其ARAMIS M/E 井下微震监测系统台站均为单煤层近水平布置，40119 工作面在回采期间，微震监测系统主要由布置在顺槽内的探头T15、T16 和拾震器S13、S14 进行监测。其中，每台拾震器布置在巷道底板水泥台上，水泥台用2 根锚杆与底板围岩紧密接触，传感器探头通过全锚固锚杆垂直安装在巷道顶板。

图1 为微震监测系统布置图，图中圆点为微震监测系统传感器。

图1 微震监测系统布置示意Fig.1 Microseismic monitoring system layout

3 工作面涌水及微震事件统计

3.1 工作面涌水情况

40119 工作面洛河组厚度相对较大（约195 m），且为中等富水性，安定组厚度相对较小（约60 m），煤层与洛河组间距相对较小（约178 m）。工作面上覆含水层较厚、隔水层较薄、煤层与含水层间距较小、煤层较厚，均为工作面涌水因素。40119 工作面回采期间工作面涌水频次高、涌水量大，工作面共计发生涌水13 次，最大涌水量达到1 300 m3/h。

40119 工作面涌水情况见表1，40119 工作面涌水位置示意如图2 所示，40119 工作面涌水量变化曲线图如图3 所示。

图3 40119 工作面涌水量变化曲线Fig.3 Water inflow variation curve in 40119 working face

表1 40119 工作面涌水情况Table 1 Water inflow in 40119 working face

图2 40119 工作面涌水位置示意Fig.2 Water inflow position in 40119 working face

3.2 微震事件监测情况

一般情况下，工作面的推采速度与能量释放量和释放频次成正比例关系，推采速度越快，能量释放和频次就越多，工作面的危险程度就越高。现对40119 工作面回采期间的月度推进距离和能量释放频次、释放能量进行统计，40119 工作面回采期间微震事件频次能量统计见表2，由于微震事件监测参数较多，为了明确其不同参数与月进尺之间的关系，本文选用2 个比较常用的参数，总频次和总能量，为了明确两者之间的关系，绘制出总频次、总能量分别与月进尺之间的关系，如图4、图5 所示，绘制出总频次与总能量两者之间的关系图，如图6 所示。

表2 40119 工作面回采期间微震事件频次能量统计Table 2 Statistics of microseismic events frequency and energy in 40119 working face during mining

图4 40119 工作面月推进度与频次释放关系Fig.4 The relationship between monthly advance and frequency release in 40119 working face

图5 40119 工作面月推进度与能量释放关系Fig.5 The relationship between monthly advance and energy release in 40119 working face

图6 40119 工作面能量释放与频次关系Fig.6 The relationship between energy release and frequency in 40119 working face

从统计表及40119 工作面月推进度与能量、频次释放关系图可以看出：①工作面释放能量、频次基本和工作面推进度呈线性相关关系，即工作面释放能量、频次随着推进度的增大而增大，随推进度的减小而减小；②工作面能量释放和频次呈线性相关关系。

4 工作面涌水量变化与微震数据之间的关系

结合上述理论分析，为了进一步明确40119 工作面涌水量变化与微震数据之间的一致性关系，为合理确定矿井水害微震预测机制，将2020 年1 月1 日—7 月31 日工作面涌水量、微震能量、频次及日最大能量进行统计，将回采过程中每日涌水量、微震能量、频次、日最大能量曲线图汇总如下，分别如图7~图9 所示。

图7 工作面涌水量与微震频次关系图Fig.7 The relationship between working face water inflow and microseismic frequency

图9 工作面涌水量与微震日最大能量关系图Fig.9 The relationship between working face water inflow and microseismic daily maximum energy

从40119 工作面涌水量、微震能量、频次、日最大能量曲线图可以看出，工作面的涌水量的变化跟微震事件有一定关联。

（1） 当工作面涌水量增大时，前1~2 d 微震事件发生较频繁，能量处于高位。

（2） 当工作面面后发生较大能量的微震事件后，24 h 内工作面涌水量会逐步增大，并达到峰值。

（3） 当工作面发生较大涌水时，工作面微震事件频次及能量长时间处于高位，时长达10 d 以上，且工作面会频繁来压或持续来压。

通过以上分析可以得出，工作面回采期间微震事件频次、能量处于高位，说明顶板煤岩体活动频繁形成裂隙，裂隙增多会形成导水通道，导致工作面涌水量增加；此外当工作面面后发生大能量微震事件，说明工作面老顶破断，会直接形成导水通道，导致工作面涌水量激增。

5 结 语

在大型矿井水害防治中，微震水害监测技术由于能够实时、连续进行监测，监测对象范围较大，具有一定的技术前瞻性，弥补了目前常规矿井突水微震监测水害预警系统技术的不足。通过建立科学、合理安全布置近场和远场微震立体定位监测信息网络，结合远场微震立体定位监测算法，可实时探查采掘煤层顶板通道煤层覆岩体变化活动、导水覆岩通道、突水裂隙通道煤层扩散变化过程，确定覆岩裂隙带和导水裂隙带活动高度与煤层位置，连续准确监测导水裂隙带煤层发育变化过程，识别矿矿导水裂隙通道，有助于实现煤层地下突水通道防治和地震预测灾害预报。

图8 工作面涌水量与微震能量关系图Fig.8 The relationship between working face water inflow and microseismic energy