基于微震监测的大埋深缓倾斜厚煤层底板破坏规律研究

2023-10-11李新旺郝云德程立朝

煤炭与化工 2023年8期

李新旺，郝云德，程立朝，路滨

（1.河北工程大学矿业与测绘工程学院，河北邯郸 056038；2.河北工程大学河北省高校煤炭资源开发与建设应用技术研发中心，河北邯郸 056038；3.河北工程大学邯郸市煤基固废规模化利用技术创新中心，河北邯郸 056038）

0 引言

国家煤炭资源开采布局调整之后，我国逐渐转入煤炭的深部开采[1-2]，也随之带来了“三高一扰动”的影响，其中煤层底板水害问题已成为华北型煤田开采的最大技术难题之一[3]。煤层底板的破坏深度是进行底板突水危险性评价的重要指标[4-5]。受开采扰动影响，工作面前方底板出现增压区，底板煤岩体受压破碎产生底板破坏带。随着工作面的推进，周期来压对底板破坏带产生递进效应，并增加原位张裂带张度。原始导升带受开采与承压水的双重作用下出现张裂递升等演化，引起隔水关键层有效厚度的减少，最终导致底板突水的发生[6]。因此研究煤层底板的实时破坏特征，掌握煤层底板的动态破坏规律，确定底板的最大破坏深度是预防底板突水的有效技术手段[7]。

国内外学者针对煤层底板破坏问题开展了大量了研究，最早可追溯至20 世纪中期，M.鲍莱茨基等[8]针对回采期间底板下伏岩层裂隙的发育及岩层的隆起、破断等一系列情形作出解释。N.A 多尔恰尼诺夫[9]认为大埋深情形下，采场围岩受采动影响由脆性破坏变为塑性破坏，最终导致煤岩体的破碎。刘天泉提出底板受采动影响下伏岩层破坏形成拉涨裂隙带、变形移动带以及微变化带，并逐渐形成了“下三带”理论[10]。20 世纪80 年代李白英等利用相似模拟实验方法发现通过合理布设煤柱宽度可以削弱底板附近断层活化[11]。20 世纪90 年代初钱鸣高等[12]通过S-R 理论得出在充分采动后底板将形成“O-X”形破坏。

目前测定底板破坏深度的方法主要分为5 个方面，即现场实测、经验公式[13]、理论分析[14]、数值模拟[15-16]、相似模拟[17]等，其中现场实测法为测定底板破坏深度最准确的方法。张文泉[18]等利用多回路钻孔研究在大采深情况下倾斜薄煤层的底板采动破坏形态与特征得出“匙”形结论；张平松[19]等采用震波CT 探测技术通过对各进尺段震波CT 数据的采集并分析总结出底板的破坏特征及其动态发育规律；许延春[20]等以赵固二矿为背景采用超声波技术更加深入研究了采动影响下底板破坏规律；刘伟韬[21]利用钻孔冲洗液法并结合数值模拟深入分析了倾斜工作面底板受采动应力影响下的的应力重分布及破坏特征；20 世纪初，微震监测技术逐渐被各大煤矿应用[22]，靳德武提出“井－地－孔”联合微震采动底板破坏带监测并通过大数据对煤层底板突水进行三维监测与智能预警[23]；王进尚以赵固一矿为背景，通过高精度微震确定了底板煤岩体的破坏范围[24]。本文以九龙矿15249S 工作面为背景，应用微震技术对底板进行动态监测，对底板微震事件频次、累积能量与推进距离、破坏深度进行相关度分析，揭示了底板破坏带的空间分布特征，确定了底板破坏深度。

1 工面概况

九龙矿位于峰峰矿区东南部鼓山背斜东翼，15249S 工作面位于-800 水平，北五采区下部，南部为工业广场2 号煤层保护煤柱，北部为北五采区三条下山，东部为待掘的15251S 工作面，西部为15247S 采空区，如图1 所示。开采煤层工作面煤层赋存稳定，平均厚度为7.0 m，分岔后2 煤厚2.8 m。走向长度平均为758 m，倾向长度155 m，面积约117 490 m2，标高为-742.3—-857.7 m。煤层平均倾角为20°，为较稳定煤层。工作面推进初期采用单一走向长壁后退式一次采全高采煤方法，煤层合并后采用单一走向长壁后退式放顶煤采煤方法，全部采用垮落法处理采空区。

图1 九龙矿15249S 工作面及微震监测布置Fig.1 No.15249S Face and microseismic monitoring layout in Jiulong Mine

钻孔揭露的地层如图2 所示，由老至新依次为奥陶系中统峰峰组、石炭系中统本溪组、上统太原组、二叠系下统山西组、下石盒子组，上统上石盒子组、石千峰组及三叠系下统刘家沟组、和尚沟组。

图2 岩层综合柱状图Fig.2 Comprehensive histogram of rock strata

2 监测系统布置

2.1 微震监测原理

受开挖扰动，原岩应力平衡被打破，煤岩体受到张拉或挤压产生裂隙，伴随着裂隙的初始发育产生能量较小的地震波，称之为声发射。当裂隙迅速发育并大范围扩张时产生的较大能级地震波，称之为微震。如图3 所示，地震波分为P 波、S 波，两种波在介质中传播速度不同，根据检波器接收两种地震波的时差和波速可反演震源位置及其发生时间。进而对煤岩体的破坏情况进行评估和判断。

图3 九龙矿微震原理Fig.3 Microseismic principle of Jiulong Mine

2.2 微震监测的布置

为确保监控工作的有效性，结合九龙矿目前的巷道系统，检波器采用环状布置，间隔110 m。此次对工作面布设16 个单轴检波器、16 个通道和2个分站，其中1～8 号检波器埋设在工作面的上顺槽内，9～16 号检波器设在工作面下顺槽处，钻孔直径不能少于50 mm。检测井的开孔距离离巷帮0～20 cm，为了保证钻孔底部不会沉积煤岩泥，应及时设置检波器，并用水泥浇注，以保证检波器与孔壁的耦合；孔口安装管外露高度20～30 cm。钻孔布置统计见表1。当整个系统安装完毕并正常运行后，需要进行校正炮的爆破，监测区需要6～10门校正炮，校正炮孔深3～5 m，药量600～900 g，孔底装药，正向爆破。

表1 钻孔布置统计Table 1 Borehole layout statistics

3 底板微震监测结果及分析

3.1 微震事件能量统计

现场监测自2020 年11 月1 日开始，截止2021 年3 月30 日回采进尺270 m，平均日进尺1.8 m。共150 d 实行24 h 连续实时在线监测，监测到微震事件4 370 个，平均每天29.14 个，其中，顶板围岩微震事件1 482 个，底板以下微震事件2 888 个。

如图4、图5 所示，微震能量主要分布在0～500 J，占比70.64%。近煤层弱事件和工作面上顺槽底板事件分布较多。在上顺槽部分区域出现簇状聚集。微震事件分布密度和能量大小反映了该区域煤岩裂隙的发育程度，微震事件发生频率越高，能量越高，越易形成底板破碎带，底板破碎带的发育意味着有效隔水层厚度的减小，底板破坏带发育到一定深度与导升带相连，会发生底板突水，影响开采安全。

图4 不同能量微震事件占比Fig.4 The proportion of microseismic events with different energy

图5 微震事件空间分布Fig.5 Spatial distribution of microseismic events

3.2 微震事件频次及累计能量相关度分析

工作面自切眼位置每推进10.8 m（6 日）统计一次底板微震事件个数及其累计能量，结果如图6 所示，0～54 m 进尺段随着开采的进行，微震频次及微震累积能量持续增大，表明底板围岩受开挖影响破坏程度不断加深。在54～64.8 m 进尺段微震事件频次较高且累计能量到达第一个峰值，在64.8～75.6 m 处微震事件频次到达峰值，说明在54～75.6 m 进尺段底板破坏范围广且破坏程度严重，推测出现岩层破断等范围集中、能量巨大的剧烈底板活动。

图6 微震事件频次及累计能量变化曲线Fig.6 Frequency and cumulative energy change curve of microseismic event

0～108 m 进尺段微震事件呈现高频次、高累积能量，开挖108 m 后呈现低频次、高能量，表明在开挖初期微震事件平均能量小于中后期能量。分析开挖初期底板围岩岩性较弱，破坏产生能量较小，破坏范围较大。开挖108 m 后大能量事件相对较多，单个微震事件平均能量增加，表明分析该进尺段底板岩性较强，不易产生裂隙但破坏释放能量较大。从总进尺段来看，微震事件频次及累积能量成周期性波动，也反映了围岩活动在开挖扰动下呈周期性变化。微震事件频次与累计能量趋势相同，说明单个微震事件平均能量浮动较小，底板受开挖影响较为稳定。结合钻孔数据，推测此进尺段底板赋存较为稳定。

3.3 底板破坏深度及微震事件空间分布

底板微震事件在走向上均有分布，如图7 所示，微震事件反映了煤岩体裂隙的生成及其发育，微震事件的能量高低与煤岩体破坏强度、裂隙发育速度等有关，微震事件的分布密度则表征了该区域煤岩体裂隙数量的大小。大能量微震事件需要加设监测点密切关注，一般表现为周期来压所导致底板增压区岩层破断。小能量分布密集区域也应标注监测，高密度、小范围微裂隙受扰动易扩张贯通，形成大裂隙最终导致煤岩体的破裂。

图7 微震事件剖面图Fig.7 Microseismic event profile

受开采扰动微震事件发生最远距离为373 m。微震事件沿走向呈“倒双峰”式分布，可按微震数量分布密度将底板划分为2 个煤层底板破坏带。2 个破坏带发育大小范围有一定差距，以终采线为界形成了采空区下的破坏带Ⅰ以及采空区前方增压区的破坏带Ⅱ。破坏带Ⅰ微震事件频次较高，破坏深度较大，反映在图上“波形”更加饱满，波谷相对更深；破坏带Ⅱ深度较浅，走向上分布相对较为均匀，呈现到图上为波宽较大，波谷较浅。破坏带Ⅰ以中、小能量微震事件为主，破坏带Ⅱ以小能量事件为主，存在部分中等能量事件。2 个破坏带均处于“2 煤—伏青”层位，且存在极少量大能量事件。

对底板微震事件按高度每5 m 统计，如图8 所示，微震事件成单峰状分布，集中发生在底板下0～15 m 处，占比86.46%，其中5～10 m 微震事件频次最高，占比52.18%。裂隙发育最大深度70.46 m，处于“伏青—大青”层位，距离奥灰含水层为53 m。95%的微震事件均分布在底板下25 m 以内，认为底板破坏深度为25 m。考虑到受开采扰动，除底板关键层发生周期性断裂造成的底板破坏带外，工作面回采导致的周期来压对底板破坏带产生递进效应，产生新生损伤带，并促进原位张拉带裂隙的发育。底板下50～120 m 为隔水层，隔水层较厚，且经钻孔探测未发现原始导升带，故不考虑承压水影响。

图8 底板微震事件频次统计Fig.8 Frequency statistics of floor microseismic events

选取九龙矿15249S 工作面11 月27 日～12 月20 日（开挖48.6～90 m）的微震事件频次、微震事件最大深度、微震事件能量累计进行分析，如图9 所示。日破坏深度增大时，微震事件频次及累积能量随之增大，底板破坏深度呈周期性上升，底板破坏最大深度在12 月13 日（开挖77.4 m）达到峰值33.8 m，该日发生微震事件38 个，微震事件累计能量74.47 kJ。