導水裂隙帶發(fā)育高度的微震監(jiān)測研究

叢 森，程建遠，王云宏，段建華

(1.西安科技大學地質(zhì)與環(huán)境學院，陜西 西安 710054；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

導水裂隙帶發(fā)育高度的微震監(jiān)測研究

叢 森1，程建遠2，王云宏2，段建華2

(1.西安科技大學地質(zhì)與環(huán)境學院，陜西 西安 710054；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

基于井-地聯(lián)合微震監(jiān)測工作面導水裂隙帶發(fā)育高度的監(jiān)測成果，分析了微震事件的空間分布特征和在垂直方向的數(shù)量特征，并對微震事件的數(shù)量和空間分布特征與導水裂隙帶發(fā)育高度的關(guān)系進行了研究；采用FLAC3D數(shù)值模擬技術(shù)，對比研究了導水裂隙帶發(fā)育高度。研究結(jié)果表明：井-地聯(lián)合微震監(jiān)測具有較高的定位精度；微震事件的平面位置主要集中在采空區(qū)和回采巷道附近，垂直方向上主要集中在煤層頂板以上110 m范圍內(nèi)，微震事件數(shù)量在頂板以上110 m后急劇減少；數(shù)值模擬結(jié)果與微震監(jiān)測結(jié)果基本吻合；研究成果為導水裂隙帶發(fā)育高度的監(jiān)測提供了新的方法。

微震監(jiān)測；微震事件；導水裂隙帶；數(shù)值模擬

0 引言

煤礦開采過程中，采掘活動引起采掘工作面周圍巖體應(yīng)力的重新分布，圍巖發(fā)生變形和破壞。微震監(jiān)測技術(shù)是利用煤巖受力變形和破壞時產(chǎn)生的地震波來監(jiān)測煤巖穩(wěn)定性的技術(shù)方法[1]，通過在監(jiān)測區(qū)域不同方位設(shè)置傳感器，對微震事件進行實時記錄，然后計算微震發(fā)生的時間和位置，進而推斷煤巖體的破壞情況。微震事件記錄的是煤巖體變形和破壞逐漸發(fā)生、發(fā)展的過程，利用微震監(jiān)測就可以記錄和描述導水裂隙帶形成和發(fā)展的過程，為導水裂隙帶高度的確定提供依據(jù)。

確定導水裂隙帶發(fā)育高度的常用方法有理論計算法、數(shù)值模擬法、相似材料模擬法和現(xiàn)場實測法。理論計算常用經(jīng)驗公式法，原國家煤炭工業(yè)局2000年頒發(fā)的《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開釆規(guī)范》中給出了相關(guān)的經(jīng)驗公式，但該公式具有一定的局限性，已經(jīng)不能適應(yīng)特厚煤層的綜放開采[2-4]。由于數(shù)值模擬與相似模擬受模擬參數(shù)等條件的限制，通常模擬結(jié)果只作為一種定性的趨勢分析，而不能作為定量的精確分析，大都結(jié)合其他方法使用。近年來發(fā)展了多種以鉆孔為基礎(chǔ)的現(xiàn)場實測法，如井下仰孔雙端封堵測漏法、鉆孔漏失量觀測法、鉆孔聲速法和鉆孔電視法等。然而這些方法受鉆孔位置的限制，在空間上為“一孔之見”的瞬時值，無法滿足對整個工作面導水裂隙帶全面、動態(tài)和高精度的探查要求[5-8]。

微震監(jiān)測技術(shù)自21世紀初開始在我國礦山水害防治、沖擊地壓防治等方面開展了廣泛的應(yīng)用[9-13]，具有連續(xù)、實時、三維和動態(tài)觀測的特點，可實現(xiàn)對整個工作面導水裂隙帶發(fā)育的長期動態(tài)監(jiān)測，因此微震監(jiān)測技術(shù)是導水裂隙帶發(fā)育高度探測的有力手段。本文采用中煤科工集團西安研究院自主研發(fā)的防爆型YTZ3微震監(jiān)測系統(tǒng)，在某礦首采面開展了導水裂隙帶發(fā)育高度的現(xiàn)場監(jiān)測，并結(jié)合數(shù)值模擬對導水裂隙帶的發(fā)育高度進行了綜合研究。

1 工作面概況及監(jiān)測系統(tǒng)布置

1.1 工作面概況

某礦位于彬長礦區(qū)西北部，主采煤層為4#煤層，首采面自2015年12月開始回采，工作面埋深1 000 m左右，其走向長360 m，寬130 m，煤層為近水平煤層，平均厚度10 m，采用綜放開采技術(shù)。主要威脅含水層為白堊系洛河組砂巖含水層，洛河組砂巖下段與煤層頂面距離約60 m，工作面范圍內(nèi)洛河組厚度約430 m，巖性多為砂巖、砂礫巖，以中-粗粒砂巖為主。

1.2 YTZ3微震監(jiān)測系統(tǒng)布置

以往微震監(jiān)測系統(tǒng)在煤礦上應(yīng)用均以井下部署為主，但由于井下空間有限，觀測系統(tǒng)幾乎在一個平面內(nèi)，導致震源定位在深度方向存在一定誤差，這給微震監(jiān)測技術(shù)在頂板裂隙帶發(fā)育高度監(jiān)測上的應(yīng)用帶來了一定的困難。為提高微震監(jiān)測垂直方向的定位精度，監(jiān)測臺網(wǎng)應(yīng)該在已有平面布置的基礎(chǔ)上向立體監(jiān)測方向發(fā)展，即形成立體的微震監(jiān)測臺網(wǎng)。本次監(jiān)測采用中煤科工集團西安研究院自主研發(fā)的YTZ3微震監(jiān)測系統(tǒng)，在地面和井下聯(lián)合布置監(jiān)測設(shè)備，形成立體的井-地聯(lián)合微震監(jiān)測系統(tǒng)，提高微震監(jiān)測系統(tǒng)在垂直方向的定位精度。

本次監(jiān)測共設(shè)置測點14個，在工作面輔助運輸平巷和回風平巷頂板各布置3個微震監(jiān)測點，地面布置8個微震監(jiān)測點。監(jiān)測系統(tǒng)布置如圖1所示，圖1中紅色點代表井下監(jiān)測點，綠色點代表地面監(jiān)測點。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)布置圖

為檢驗微震監(jiān)測系統(tǒng)的定位精度，根據(jù)工作面開采地質(zhì)條件，確定工作面內(nèi)深孔爆破的標定方案，共實施四次爆破，圖2所示為標定炮波形圖，前八道為地面記錄，后五道為井下記錄。爆破結(jié)束后對接收到的微震數(shù)據(jù)計算處理，震源實際坐標與計算求得坐標之間最大誤差為4.12 m，最小為1.89 m，四炮的平均誤差為3.04 m，能夠滿足5 m以內(nèi)的定位精度，因此該結(jié)果滿足工程的精度要求。

圖2 標定炮波形圖

圖3 微震事件波形圖

2 微震監(jiān)測結(jié)果及分析

2.1 垂直方向微震事件數(shù)量特征

在2016年3月16日～2016年4月26日期間，共接收到有效微震事件8 547個，微震事件波形如圖3所示，前八道為地面記錄，后六道為井下記錄。對監(jiān)測到的微震事件按深度每隔10 m統(tǒng)計微震事件個數(shù)，圖4為在各深度區(qū)間內(nèi)對應(yīng)的微震事件個數(shù)柱狀圖，煤層底板標為+100 m。

由圖4可知，在標高0～+300 m范圍內(nèi)微震事件數(shù)目分布大致呈“單峰”狀突起形態(tài)。煤層底板的微震事件數(shù)量較少，自標高+100 m向上微震事件數(shù)目急劇增加，開采煤層所在標高+100～+110 m

區(qū)段內(nèi)事件數(shù)目達722個，由煤層開采而引起的微震事件較多；在+160～+170 m區(qū)段內(nèi)事件數(shù)目達到最大值之后開始下降，大于頂板標高+210 m后微震事件數(shù)目急劇減少，+220 m以上只有零星微震事件發(fā)生；在+100～+210 m區(qū)段內(nèi)微震事件數(shù)目均大于450個，該區(qū)段內(nèi)微震事件十分集中，說明該區(qū)段內(nèi)巖層變形與破壞較為劇烈；標高+210～+300 m區(qū)段微震事件數(shù)目隨標高的增加而急劇減少，該區(qū)段內(nèi)巖層變形與破壞逐漸趨于穩(wěn)定。

2.2 微震事件空間分布特征

圖5、圖6分別為微震事件定位結(jié)果3D分布圖和XY平面分布圖，圖5、圖6中每一點代表一個微震事件。由3D分布圖和XY平面圖可知，本次監(jiān)測到的微震事件主要集中在101工作面采空區(qū)及回采巷道上方，回采巷道名稱見圖2(b)?；夭上锏栏浇⒄鹗录^為集中，并且在超前停采線一定距離內(nèi)也密集分布著微震事件，經(jīng)分析主要由以下原因造成：①受工作面超前支撐應(yīng)力的影響，停采線前方頂板巖層發(fā)生破裂；②由圖2(b)可知，停采線前方聯(lián)絡(luò)巷道較多，受工作面回采影響易產(chǎn)生應(yīng)力集中造成覆巖的變形與破壞；③巷道內(nèi)機械設(shè)備運行及移動、材料搬運和人員活動較為頻繁。除接收到101工作面內(nèi)部及其附近的微震事件外，圖7中綠色、紅色和黃色橢圓內(nèi)也接收到較為集中的微震事件，結(jié)合煤礦掘進進度與微震事件空間位置綜合分析可知上述區(qū)域微震事件分別由103工作面巷道掘進、盤區(qū)水倉掘進和201工作面巷道掘進所引起。

圖4 微震事件垂向分布柱狀圖

圖5 微震事件定位結(jié)果3D顯示圖

圖6 微震事件定位結(jié)果XY平面圖

圖7為沿工作面走向繪制的微震事件XZ方向剖面圖，圖7中背景是以鉆孔地質(zhì)資料為基礎(chǔ)的地層信息，每一個球形點代表一個微震事件。由圖8可知，微震事件在垂直方向主要分布在標高+100～+210 m的范圍內(nèi)，該范圍內(nèi)微震事件十分密集。對應(yīng)的地層范圍是煤層向上至洛河組下段砂巖，由密集分布的微震事件可知該范圍內(nèi)的覆巖發(fā)生了充分的破壞。+210 m以上僅存在少量的微震事件，空間內(nèi)分布較為稀疏。

微震事件在平面上主要分布在工作面采空區(qū)及其回采巷道附近，垂向上主要分布在煤層底板至標高+210 m的范圍內(nèi)，該空間內(nèi)覆巖變形與破壞較為充分，是導水裂隙帶發(fā)育較充分區(qū)段；標高+210～+300 m范圍內(nèi)不規(guī)則分布著少量微震事件，事件數(shù)目隨標高的增加而急劇減少，分布范圍相對分散，覆巖變形與破壞程度較為微弱，因此該范圍內(nèi)頂板巖層僅在局部區(qū)域發(fā)生了小規(guī)模的破裂，這些破裂尚不能構(gòu)成貫通性的裂隙，應(yīng)處于導水裂隙帶與彎曲下沉帶的過渡區(qū)段。為安全起見，導水裂隙帶的頂界面應(yīng)選在微震事件數(shù)目隨標高而急劇減小的區(qū)段內(nèi)，綜合以上分析判定某礦首采面導水裂隙帶頂界面的最大發(fā)育高度為標高+220 m(煤層底板標高為+100 m，煤層厚度10 m)，即導水裂隙帶的發(fā)育高度為110 m。

3 導水裂隙帶發(fā)育高度的數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值計算模型及參數(shù)

本次數(shù)值模擬采用FLAC3D有限差分軟件進行，由于煤層傾角較小，計算模型設(shè)為水平模型，模型由Generate命令生成，尺寸為長(X)×寬(Y)×高(Z)=560 m×330 m×300 m，模型沿X軸正向開挖360 m，切眼與停采線距模型左右邊界各100 m；工作面傾斜長130 m，上、下順槽距模型前后邊界各100 m；按照煤層地質(zhì)綜合柱狀圖選定煤層底板向下取21 m，煤層厚度取10 m，模型總高300 m。三維數(shù)值計算模型如圖8所示。整個模型由164 472個單元、174 420個節(jié)點組成，網(wǎng)格規(guī)格為10 m×10 m?；诂F(xiàn)場勘探工程獲取的頂板覆巖組合結(jié)構(gòu)及地層性質(zhì)的相似性概括為23層模型材料，依據(jù)已有的煤巖物理力學性質(zhì)資料，模型中煤巖物理力學參數(shù)如表1所示。采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，模型頂部以等效應(yīng)力的方式設(shè)置頂界面應(yīng)力邊界條件，模型的底部邊界固定，前后和兩側(cè)限制水平運動。

圖7 微震事件定位結(jié)果走向XZ剖面圖

圖8 三維地質(zhì)模型圖

3.2 模擬結(jié)果分析

模擬工作面回采長度為360 m，采高4 m，工作面每次推進10 m，直到推進至360 m。計算結(jié)果處理過程中，將采空區(qū)上方相互貫通的拉應(yīng)力塑性區(qū)作為導水裂隙帶，覆巖塑性區(qū)發(fā)育的最高點作為導水裂隙帶發(fā)育的最大高度[14]。回采結(jié)束后，沿工作面走向按一定距離截取工作面傾斜剖面，觀察其塑性區(qū)發(fā)育的最高點。根據(jù)模擬結(jié)果可知，隨著工作面的推進導水裂隙帶發(fā)育高度逐漸增加，當工作面推進至一定位置時發(fā)育到最高點，之后保持不變，但在停采線后方一定距離內(nèi)呈下降趨勢，導水裂隙帶發(fā)育高度走勢如圖9所示，數(shù)值模擬導水裂隙帶發(fā)育的最大高度為108 m。

導水裂隙帶的發(fā)育具有一定的時間滯后性和距離滯后性(時間滯后：某一位置導水裂隙帶的發(fā)育要經(jīng)過一段時間后才會趨于穩(wěn)定；距離滯后：某一位置導水裂隙帶發(fā)育到最大高度時工作面已向前推進了一段距離)。因此，在工作面回采結(jié)束后，導致工作面后方一定距離內(nèi)的頂板裂隙沒有發(fā)育至最高點，即整個工作面導水裂隙帶的發(fā)育呈現(xiàn)出“發(fā)生→發(fā)展→最高→穩(wěn)定→回降”的發(fā)育規(guī)律。

表1 煤巖體力學參數(shù)表

圖9 導水裂隙帶發(fā)育高度統(tǒng)計

4 結(jié)論

根據(jù)上述對微震事件的特征分析，結(jié)合數(shù)值模擬，可有如下結(jié)論。

1)井-地聯(lián)合微震監(jiān)測系統(tǒng)形成的立體監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)具有較高的定位精度，能夠滿足對導水裂隙帶發(fā)育高度的監(jiān)測要求。

2)基于礦井開采的地質(zhì)條件，系統(tǒng)分析微震監(jiān)測結(jié)果，綜合研究研究得到某礦首采面導水裂隙帶頂界面發(fā)育的最大高度為標高+220 m，即導水裂隙帶的發(fā)育高度為110 m。

3)數(shù)值模擬得到某礦首采面導水裂隙帶發(fā)育的最大高度為108 m，對數(shù)值模擬結(jié)果與微震監(jiān)測結(jié)果進行對比驗證，二者得出的導水裂隙帶發(fā)育最大高度基本一致，微震監(jiān)測結(jié)果具有較高的可靠性。

4)研究成果為導水裂隙帶的探查提供了一種新的、有效的監(jiān)測方法。

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Study on microseismic monitoring of height of water flowing fracture zone

CONG Sen1， CHENG Jianyuan2， WANG Yunhong2， DUAN Jianhua2

(1.College of Geology & Environment，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054, China; 2.Xi’an Research Institute of China Coal Technology & Engineering Group Corp，Xi’an 710077, China)

Based on microseismic monitoring results of the working face water flowing fractured zone development, the authors analyzed the spatial distribution characteristic of microseismic events and the quantitative characteristics in vertical direction. The relationship between the spatial distribution characteristics and the number of seismic events and height of water flowing fracture zone has been analyzed. A numerical simulation was performed to study height of water flowing fracture zone with FLAC3D by contrast. The research results have shown that microseismic monitoring has been proved to be of high positioning accuracy. The plane position of microseismic events mainly concentrated in the goaf and near the extraction opening, vertical position of microseismic events is mainly concentrated in the 110m above the coal roof, above of which, the number of microseismic events drastically reduced; the numerical simulation results agreed with the results of microseismic monitoring; the analysis result provides a new method for microseismic monitoring of height of water flowing fracture zone.

microseismic monitoring；microseismic event；water flowing fractured zone； numerical simulation

2016-12-21

“十三五”科技重大專項資助項目資助(編號：2016ZX05045-003-05)

叢森(1987-)，男，內(nèi)蒙古通遼人，博士研究生，主要從事微震監(jiān)測技術(shù)的研究，E-mail：congsenck@163.com。

TD76

A

1004-4051(2017)03-0126-06