測井“靜態(tài)”探測與微震“動態(tài)”監(jiān)測技術在礦井突水綜合預警中的應用

謝興楠，葉根喜

(1.中南大學地球科學與信息物理學院，湖南 長沙 410083；2.有色金屬華東地質(zhì)勘查局，江蘇 南京 210007)

1 概 述

煤礦水害[1-9]是與瓦斯、火災、粉塵、動力地質(zhì)災害并列的礦山建設與生產(chǎn)過程中的五大安全災害之一。長期以來，因為煤礦水害而給國家和人民帶來的經(jīng)濟損失和人事傷亡極為慘重，尤其近年來，隨著開采強度加大，煤礦水害事故已經(jīng)到了觸目驚心的地步?！秶抑虚L期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要(2006～2020年)》已將“國家公共安全應急平臺建設和重大生產(chǎn)事故預警與救援”確立為優(yōu)先主題，“礦井瓦斯、突水、動力性災害預警與防控技術”作為重點研究內(nèi)容。國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973)項目——“煤礦突水機理與防治基礎理論研究項目”已將煤礦突水災害的研究推向一個新的高峰。

水源、水量和突水通道是煤礦突水的三大基本要素水源，作為對水源和水量起決定作用的含水層，其補給和排泄條件具有區(qū)域性和面狀分布的特點，也是研究較為成熟的領域，本文不作探討；在煤層開采前，對潛在突水通道(如隔水關鍵層的薄弱帶、軟弱巖體區(qū)域、裂隙體區(qū)域)的探測研究的比較少，尤其是對突水通道的“靜態(tài)”原位研究更少涉足；在煤層開采期間，對突水通道(包括構造體)的“動態(tài)”破裂失穩(wěn)過程和活化規(guī)律的實時監(jiān)測和研究則更少。巖體“靜態(tài)”存在特征和“動態(tài)”破壞過程研究的不足，貫穿了煤礦防治水工程的全過程，是突水事故頻發(fā)不斷的主要原因。

地球物理測井和高分辨率三維地震勘探技術及耦合分析技術，是開展原位巖體性質(zhì)定量描述與研究的可靠手段，筆者將其稱為“煤礦工程師的眼睛”，用于“探測”巖體性質(zhì)的原位情況，具有“原位”研究和超前預測的優(yōu)勢；高精度微震監(jiān)測技術在礦山巖體的小尺度空間條件下，可以實時、動態(tài)地進行隔水關鍵層破裂與失穩(wěn)過程、巖體裂隙導升過程及范圍、構造體活化規(guī)律及失穩(wěn)程度的監(jiān)測工作，筆者將其稱為“煤礦工程師的耳朵”，具有“原位”研究和“臨場”突水預警的優(yōu)勢。

采用“將巖體性質(zhì)‘靜態(tài)’存在特征和巖體‘動態(tài)’破裂過程作為一個整體”，對突水進行預測預警研究，以期為煤礦突水領域的研究邁出探索的一步。

2 綜合預警的理論和技術基礎

2.1 巖層性質(zhì)的“靜態(tài)”原位研究的基礎

對同一種地球物理測井方式，不同性質(zhì)的巖體有著不同的測井響應。不同的測井類型可以描述巖體不同的物理性質(zhì)。利用對測井響應來定量描述巖體物理性質(zhì)方面，國內(nèi)外學者經(jīng)過多年的研究[11-17]，形成了較為完善的經(jīng)驗表述公式，基本上能夠滿足各類工程的需要。

GSR[13-16](Geophysical Strata Rating)是由Peter Hatherly教授首次提出的利用地球物理測井分析技術，來定量評價巖體性質(zhì)的一種方法。它是采用地球物理測井方法直接原位獲取沉積巖體的強度(strength)、孔隙率(porosity)、含水量(moisture)、黏結力(bedding contact/cohesion)等參數(shù)，進而反演分析巖體的性質(zhì)，是整合巖體力學、工程地質(zhì)學和地球物理學的一種跨學科綜合分析方法。筆者所在課題組有幸參與了Peter Hatherly教授的課題[17]，并在澳大利亞開展了大量研究工作，為本研究提供了研究基礎。其基本思路如圖1所示。

圖1 巖層性質(zhì)的“靜態(tài)”原位研究思路

通過測井探測，獲得的是孔壁處巖體的性質(zhì)，但無法準確獲取鉆孔之間巖體的變化情況。盡管鉆孔間距可以達到500m以內(nèi)，但從防治水的角度來說，我們依然有必要弄清楚鉆孔之間巖體性質(zhì)的變化情況，以探測局部分布的潛在突水通道。高精度三維地震勘探技術提供了一種非常有效的耦合途徑，通過對比相鄰鉆孔的測井響應，可以分析空間巖層性質(zhì)的變化趨勢或規(guī)律。目前，地震勘探的精度可達5～10m，可為識別構造型突水通道(斷層、陷落柱等)提供很好的幫助。

2.2 巖體破裂過程和破裂場的原位研究的基礎

微震[21-29]波蘊含著震源的豐富信息，通過對能量、頻率、功率譜密度等信息的反演分析，可以進一步推測震源機制類型。這是微震監(jiān)測技術用于巖體動力學領域研究的理論基礎。

突水前的一個基本征兆是發(fā)生震耳的聲響，這是突水通道的最終貫通失穩(wěn)的前兆信息。巖石破裂[30-32]過程的試驗表明，巖體破裂過程是一個能量逐漸釋放的過程，而對失穩(wěn)前破裂信號的采集，是我們獲得失穩(wěn)前兆信息并進行預測預報的物理基礎。微震監(jiān)測通過對采動巖體進行大范圍的監(jiān)測、高精度震源定位和時空序列的描述，可以實現(xiàn)對巖體破裂失穩(wěn)過程的反演分析。

3 突水臨場預警的綜合應用與探討

微震監(jiān)測及突水預測，是針對既定突水危險區(qū)實施臨場預警的最為直接的手段之一，它具有實時監(jiān)測的優(yōu)勢。圖2描述的是突水危險區(qū)超前預測與突水危險性臨場預警的研究思路。

圖2 突水預測預警的研究思路圖

3.1 關鍵層[33]靜態(tài)探測與動態(tài)監(jiān)測的突水預警模型

近年來，眾多學者都在嘗試研究關鍵層在防治水中的作用，但關鍵層在什么部位，分布形態(tài)、性質(zhì)是什么，確很少有原位試驗的報道。GSR是根據(jù)力學強度、裂隙分布等參數(shù)對巖層性質(zhì)的一個綜合評估，GSR的評估方法使得對關鍵層分布的綜合描述成為可能。圖3是某煤礦沿著工作面推進方向，通過測井資料推演的GSR巖層性質(zhì)分布圖，并在此基礎上了建立了微震監(jiān)測的臨場預警模型。GSR描述的不是關鍵層的真實厚度，類比的講，是該關鍵層能夠起到隔水作用質(zhì)量較高的部位。

微震監(jiān)測則是針對在開采過程中，底板破裂(或?qū)?的深度，如果微震活動沒有突破關鍵層，這說明開采條件是安全的；相反，如果突破了關鍵層部位，就要實施臨場突水預警。

圖3中，主采煤層下方存在一個連續(xù)、局部厚度變化的隔水關鍵層，微震監(jiān)測反演定位的導水通道范圍突破了關鍵層，則說明要實施臨場預警，并采取必要的超強防治措施。

關鍵層突水模型的臨場預警的科學前提是很樸素的：首先清楚原位關鍵層的性質(zhì)、分布規(guī)律；其次是開采活動對關鍵層實時破壞的情況如何，綜合起來，該預測模型是三維時空事件的耦合。地球物理探測和監(jiān)測技術的廣泛應用，是解決該類型突水預警的基礎。

圖3 鍵層靜態(tài)探測(基于GSR)與動態(tài)監(jiān)測的突水預警模型

3.2 構造體靜態(tài)探測與動態(tài)監(jiān)測的突水預警模型

定量描述構造體(斷層、陷落柱等)的靜態(tài)分布情況，是突水預測的一項基本任務。很多研究學者都進行了較為深入的研究，其中以高分辨率三維地震勘探領域的研究最為活躍，應用的也最為成功，但對構造體受采動影響而導致的活化情況，確因缺少監(jiān)測手段而研究的不夠深入。微震監(jiān)測的高精度定位使得實時判斷構造體活化、并實施臨場突水預警成為現(xiàn)實。可以認為，構造體位置的靜態(tài)探測和活化監(jiān)測，是進行構造導水的預警的有效綜合手段和方法(圖4)。

圖4 構造體靜態(tài)探測(基于高分辨三維地震和GSR)與動態(tài)監(jiān)測的突水預警模型

3.3 突水臨場預警的問題探討

礦井突水是一個地下巖體系統(tǒng)性失穩(wěn)而導致的一個綜合結果。地應力、水溫、水壓等影響因素可認為僅為導水通道的孕育提供了外力，其綜合表現(xiàn)形式可認為是導水通道形成的微震活動。因此，把微震活動看作是系統(tǒng)性失穩(wěn)的標示，是有一定的實踐意義的。

4 突水預測的模糊定理預測初探

水源、水量、突水通道三大因素，僅有任意兩個組合均不能造成突水災害，因此，從對突水災害的“貢獻”而言，其影響權重是相互獨立的，即缺一不可的關系。因此，賦予水源、水量、突水通道三大因素的影響權重均為1/3。

4.1 突水水源模糊分析

水源指采掘空間周圍獨立水文單元中所含有的水的總量R，記為R1，設構成突水災害的水源臨界值為Xm3，則有：

當水源R>Xm3時，則水源R1對于突水事故的隸屬度μR為：

μR=1

當水源R=0m3時，則水源R1對于突水事故的隸屬度μR為：

μR=0

當水源Xm3≥R>0m3時，則水源R1對于突水事故的隸屬函數(shù)μR為：

μR=R/X

4.2 水量模糊分析

水量是指從水源由通道涌出的單位時間內(nèi)的水量，設構成突水災害的涌水量臨界值為Ym3/h。

當涌水量Q>Ym3/h時，則涌水量Q對于突水事故的隸屬度μQ為：

μQ=1

當涌水量Q=0m3/h時，則涌水量Q對于突水事故的隸屬度μQ為：

μQ=0

當涌水量Ym3/h≥Q>0m3/h時，則涌水量Q對于突水事故的隸屬函數(shù)μQ為：

μQ=Q/Y

4.3 突水通道模糊分析

突水通道在這里用突水危險區(qū)的概念代替，它涉及兩個方面：一是回采前的“靜態(tài)”研究，預測出潛在突水危險區(qū)；二是開采過程中監(jiān)測研究，指出的潛在突水危險區(qū)。為了使突水預測的模型更具有實用性，結合突水危險區(qū)的探測和監(jiān)測情況，以下做突水通道μP對于突水事故的模糊權定為：

當開采位置臨近 “靜態(tài)”描述指出的潛在突水危險區(qū)時，如果危險區(qū)沒有受到擾動(通過動態(tài)監(jiān)測判斷)，則：

μP=0

當開采位置臨近 “靜態(tài)”定量描述指出的潛在突水危險區(qū)時，如果危險區(qū)受到擾動(通過動態(tài)監(jiān)測判斷)，則：

μP=1

設隔水層厚度為G，底板破裂高度為H，則μP對于突水事故的模糊權定為：

μP=H/G

當開采位置臨近監(jiān)測研究描述指出的潛在突水危險區(qū)時，如果危險區(qū)附近水源、水量條件達不到突水事故危險程度，則：

μP=0

當開采位置臨近監(jiān)測研究描述指出的潛在突水危險區(qū)時，如果危險區(qū)附近水源、水量條件達到或接近突水事故危險程度，則：

μP=1

4.4 突水可能性的定理模糊預測

在得到了上述三大因素的隸屬度之后，便可以通過計算獲得突水可能性的指標μ，即表1。

μ=μR/3+μR/3+μR/3

表1 突水災害預測

5 結論

1)礦井突水預測預警是一項系統(tǒng)工程，必須貫穿防治水的全部過程，其應該涵蓋巖體性質(zhì)“靜態(tài)”存在特征探測和巖體“動態(tài)”破裂過程監(jiān)測兩個方面。

2)綜合測井的GSR定理評估及與三維地震勘探耦合分析，是巖體性質(zhì)“靜態(tài)”探測和定量描述的有效方法和手段。

3)高精度微震監(jiān)測及定位，是動態(tài)監(jiān)測巖體破裂失穩(wěn)、突水臨場預警的有效方法和手段。

4)建立基于測井-三維地震探測結果和高精度微震定位監(jiān)測結果的礦井突水臨場預警定量描述和預測模型，是防治水工程的一個重要發(fā)展方向。

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