礦井綜采工作面底板突水綜合監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

李 鵬

(山西汾西礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司雙柳煤礦，山西 柳林 033300)

隨著礦井煤炭采深增加，煤炭開采時(shí)受到底板涌水問題影響更為顯著[1-2]。常規(guī)的底板水害技術(shù)主要為隱伏構(gòu)造探測(cè)以及注漿改造等，上述工作多集中在采面開采前，但大量的統(tǒng)計(jì)資料表明礦井底板突水多發(fā)生在采面回采過程中[3-5]。采面開采帶來的采動(dòng)壓力會(huì)造成底板裂隙發(fā)育，從而導(dǎo)致底板原有的隔水層隔水能力降低，在底板承壓水作用下引起采面突水。采用常規(guī)的鉆探、物探技術(shù)手段難以客觀反映采面底板突水過程[6]。因此，文中在10908綜采工作面采用視電阻率監(jiān)測(cè)技術(shù)及微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)將采面底板水害進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果可在一定程度上指導(dǎo)采面水害防治工作開展。

1 工程概況

山西某礦10908綜采工作面開采9號(hào)煤層，埋深平均580 m、煤厚5.0 m，煤層傾角7°～15°，采面走向、傾向長(zhǎng)度分別為1 050 m、70 m。采面回風(fēng)巷、進(jìn)風(fēng)巷間高差約為20 m。采面西側(cè)為已回采完畢的10906采面采空區(qū)。9號(hào)煤層底板距本溪組灰?guī)r層間距平均在20.5 m，底板隔水層以粉砂巖、細(xì)粒砂巖以及鋁土質(zhì)粉砂巖，采面底板與隔水層間厚度平均為41.3 m，具體頂?shù)装鍘r性見圖1所示。

圖1 頂?shù)装鍘r性綜合柱狀圖

2 底板水害綜合監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用

將微震監(jiān)測(cè)以及視電阻率監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用到采面底板突水監(jiān)測(cè)中，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)水通道、突水水源兩個(gè)方面面對(duì)底板突水綜合監(jiān)測(cè)。通過使用微震監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)底板裂隙發(fā)育深度判定，但是由于煤礦井下巖層賦存條件復(fù)雜、僅依靠獲取到的底板裂隙擴(kuò)展深度難以判定裂隙是否導(dǎo)水；而視電阻率監(jiān)測(cè)技術(shù)可密閉微震監(jiān)測(cè)存在的不足，若底板裂隙充水則視電阻率會(huì)顯著降低，這就為底板裂隙是否已形成導(dǎo)水通道提供了科學(xué)依據(jù)，也為采面底板突水預(yù)測(cè)提供科學(xué)指導(dǎo)。

2.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

2.1.1 微震監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

在10908綜采工作面共有東翼運(yùn)輸巷、采面進(jìn)回風(fēng)巷可布置微震傳感器，本次監(jiān)測(cè)將傳感器布置在東翼運(yùn)輸巷以及采面材料巷，可實(shí)現(xiàn)對(duì)采空區(qū)內(nèi)底板巖層破裂情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在井下布置41個(gè)拾震傳感器，其中，28個(gè)按照50 m道距在巷道內(nèi)布置；13個(gè)在鉆孔中布置，道距50 m～100 m，布置拾震傳感器的鉆孔傾角為45°、鉆孔垂深25 m；在地面按照道距250 m布置4個(gè)傳感器。具體在采面內(nèi)各微震監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置情況見第62頁圖2所示。

圖2 采面各監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

2.1.2 視電阻率監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

將瞬變電磁儀電極在東翼運(yùn)輸巷、材料巷內(nèi)按照10 m間距布置，兩條巷道內(nèi)均布置101個(gè)電極，兩條巷道內(nèi)的無極窮遠(yuǎn)電極均布置在與停采線相距1 500 m的位置。電極按照如圖3所示的方式進(jìn)行埋設(shè)，在巷道底板靠近外側(cè)巷幫位置施工俯視角為45°鉆孔，孔深均為1.5 m。將錨桿放入到鉆孔內(nèi)并用黃泥進(jìn)行封孔，錨桿尾部布置有監(jiān)測(cè)電纜。

圖3 電極埋設(shè)示意圖

在10908綜采工作面布置的測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)距離為1 000 m，而煤炭開采后對(duì)底板影響破壞范圍有限，無需同時(shí)對(duì)1 000 m范圍進(jìn)行監(jiān)測(cè)。因此，降低提升監(jiān)測(cè)效率并采用滾筒監(jiān)測(cè)方式，單次監(jiān)測(cè)范圍控制在200 m左右，隨著采面推進(jìn)將監(jiān)測(cè)電極依次向回采方向推進(jìn)。電極移動(dòng)通過數(shù)據(jù)采集軟件進(jìn)行設(shè)置，不需要專門安排人員進(jìn)行干預(yù)。

在數(shù)據(jù)采集時(shí)通過單機(jī)發(fā)射-偶機(jī)接收方式，具體為：1)先在材料巷1號(hào)點(diǎn)電極發(fā)射信號(hào)，在東翼運(yùn)輸布置的1號(hào)～21號(hào)電極接收信號(hào)，并通過小波分析、最小二乘法對(duì)處理接收到的信號(hào)，直至材料巷內(nèi)的1號(hào)～21號(hào)電極信號(hào)發(fā)射完畢；2)然后，在東翼運(yùn)輸巷1號(hào)點(diǎn)電極發(fā)射信號(hào)，在材料巷布置的1號(hào)～21號(hào)電極接收信號(hào)，直至東翼運(yùn)輸巷內(nèi)的1號(hào)～21號(hào)電極信號(hào)發(fā)射完畢；3)采用自動(dòng)反演軟件對(duì)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)全空間三維視電阻率反演，并進(jìn)行二維切片、立體成像以及三維異常體提取等操作，最終獲取底板巖層富水變化的動(dòng)態(tài)成像。電極信號(hào)發(fā)射與接收自動(dòng)完成，不需要人工進(jìn)行干預(yù)。

2.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

2.2.1 微震監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

在10908綜采工作面微震監(jiān)測(cè)持續(xù)6個(gè)月，共計(jì)監(jiān)測(cè)到8381個(gè)微震事件，其中發(fā)生在采面底板的微震事件3086個(gè)。正常情況下采面底板巖層裂隙擴(kuò)展深度在20 m～25 m，圖4為采面微震事件統(tǒng)計(jì)分布圖。從圖4看出，9月6日之前采面底板巖層破壞深度在20 m～25 m,但是在從9月6日至9月14日監(jiān)測(cè)結(jié)果看出微震事件標(biāo)高范圍出現(xiàn)明顯變化，采面底板巖層破壞深度已達(dá)到35 m。同時(shí)，10908綜采工作面底板在9月14日回采時(shí)出現(xiàn)少量涌水，涌水量約為2 m3/h。

圖4 微震監(jiān)測(cè)結(jié)果

從微震監(jiān)測(cè)結(jié)果看出，隨著采面不斷推進(jìn)微震事件向底板深度發(fā)生轉(zhuǎn)移，多起微震事件已經(jīng)在煤層底板下覆本溪組灰?guī)r含水層頂板中發(fā)生。從微震監(jiān)測(cè)結(jié)果及采面開采時(shí)底板涌水情況分析，認(rèn)為在采面中部靠近進(jìn)風(fēng)巷側(cè)底板內(nèi)巖層中已形成導(dǎo)水通道。

2.2.2 視電阻率監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

在10908綜采工作面視電阻率監(jiān)測(cè)持續(xù)6個(gè)月，共計(jì)采集到2723個(gè)視電阻率數(shù)據(jù)體，每次采面監(jiān)測(cè)長(zhǎng)度為200 m。從監(jiān)測(cè)結(jié)果(第63頁圖5)看出，采面9號(hào)煤層底板20 m范圍內(nèi)的巖層視電阻率一直較高且視電阻率等值線分布較為平緩，未有異常點(diǎn)，表明底板水位高度未有明顯變化。

圖5 視電阻率監(jiān)測(cè)結(jié)果

從視電阻率監(jiān)測(cè)結(jié)果看出，在進(jìn)風(fēng)巷靠近35號(hào)電極位置底板巖層中發(fā)育有低阻異常區(qū)，同時(shí)該異常區(qū)范圍逐漸擴(kuò)大，該區(qū)位置正處于9月14日采面底板出水點(diǎn)位置。

3 結(jié)論

1)通過微震監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，10908綜采工作面回采過程中底板裂隙擴(kuò)展范圍較大，在進(jìn)風(fēng)巷位置底板裂隙破壞深度在30 m～35 m，其他位置底板裂隙發(fā)育深度在20 m～25 m。

2)采用視電阻率監(jiān)測(cè)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)10908綜采工作面回采時(shí)底板巖層視電阻率變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并依據(jù)微震監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)底板突水危險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警。

3)將微震監(jiān)測(cè)結(jié)合視電阻率監(jiān)測(cè)技術(shù)構(gòu)建成的綜采工作面底板突水綜合監(jiān)測(cè)技術(shù)可對(duì)采面開采過程中形成的導(dǎo)水通道、水源位置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為采面底板突水預(yù)警以及防治水措施針對(duì)性開展提供指導(dǎo)。