底板突水預(yù)警系統(tǒng)在受底板奧灰水威脅工作面中的應(yīng)用

段元帥

（山東萬祥礦業(yè)有限公司，山東 濟(jì)南 271107）

潘西煤礦開采19 煤層時(shí)，礦井充水條件比較復(fù)雜，井下鉆孔揭露徐、草灰皆無水，但工作面回采過程中發(fā)生底板徐、草灰突水，最終水源為奧灰。隨著礦井不斷延深，奧灰水壓也隨之增加，奧灰突水一次突水量呈現(xiàn)不斷增大的趨勢，而且涌水不斷向下部轉(zhuǎn)移集中于深部水平，增加了深部水平排水負(fù)擔(dān)和安全帶壓開采的難度。

1 工程概況

1.1 實(shí)施內(nèi)容

（1）結(jié)合潘西煤礦6199 工作面水文地質(zhì)條件，建立底板水害微震監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、解釋與信息分類識別和水害水情預(yù)警預(yù)報(bào)功能以及適用于潘西煤礦6199 工作面底板水害微震監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理、解釋與信息分類識別、水害水情預(yù)警預(yù)報(bào)功能的應(yīng)用系統(tǒng)，形成潘西煤礦6199 工作面水害微震監(jiān)測預(yù)警技術(shù)體系。

（2）通過在井下強(qiáng)干擾環(huán)境下的微震有效信號接收與識別、微震事件空間定位及時(shí)-空演變規(guī)律，查明監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的隱伏導(dǎo)水通道以及隱伏構(gòu)造采動(dòng)活化情況等，實(shí)現(xiàn)對潘西煤礦6199 工作面底板下灰?guī)r水、帶壓注漿注水和采掘擾動(dòng)等產(chǎn)生的底板破壞、裂隙等位置、方向、發(fā)展演化和充水及強(qiáng)度變化過程的監(jiān)測預(yù)警。

（3）通過對潘西煤礦6199 工作面底板水害威脅程度的監(jiān)測，研究底板有效隔水層厚度，建立從所有監(jiān)測采集和處理的信息中解釋、識別出關(guān)于水害水情的信息及不同危險(xiǎn)性等級、應(yīng)急處理的預(yù)警預(yù)報(bào)標(biāo)準(zhǔn)，以形成礦井水害微震監(jiān)測預(yù)警技術(shù)體系，建立水害水情分類識別方法、分級預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)以及合理確定深部安全開采突水系數(shù)。

1.2 實(shí)施目標(biāo)

結(jié)合潘西煤礦6199 工作面水文地質(zhì)條件，研究和建立適用于其回采工作面底板灰?guī)r水害微震監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)，監(jiān)測和預(yù)報(bào)回采期間底板導(dǎo)水通道發(fā)育和水力聯(lián)系變化情況，保障礦井安全生產(chǎn)。

1.3 實(shí)施路線

（1）根據(jù)項(xiàng)目技術(shù)需求，結(jié)合潘西煤礦6199工作面水文地質(zhì)條件，構(gòu)建潘西煤礦6199 工作面水害微震監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)布置方式、傳感器組合模式、數(shù)據(jù)處理解釋工作站以及微震監(jiān)測數(shù)據(jù)處理、解釋與信息分類識別、水害水情預(yù)警預(yù)報(bào)等。

（2）根據(jù)潘西煤礦6199 工作面微震事件時(shí)-空分布特征及4D 成像結(jié)果，結(jié)合注漿加固、放水等主動(dòng)誘發(fā)事件，評價(jià)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的隱伏導(dǎo)水通道動(dòng)態(tài)演化以及隱伏構(gòu)造采動(dòng)活化情況，評價(jià)突水危險(xiǎn)性。實(shí)現(xiàn)對潘西煤礦6199 工作面底板下灰?guī)r水、帶壓注漿注水和采掘擾動(dòng)等產(chǎn)生的底板破壞、裂隙等位置、方向、發(fā)展演化和充水及強(qiáng)度變化過程的監(jiān)測預(yù)警。

（3）通過對潘西煤礦6199 工作面底板水害威脅程度的監(jiān)測，研究底板有效隔水層厚度，建立從所有監(jiān)測采集和處理的信息中解釋、識別出關(guān)于水害水情的信息及不同危險(xiǎn)性等級、應(yīng)急處理的預(yù)警預(yù)報(bào)標(biāo)準(zhǔn)，以形成礦井水害微震監(jiān)測預(yù)警技術(shù)體系，建立水害水情分類識別方法、分級預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)以及合理確定深部安全開采突水系數(shù)。

2 6199 工作面底板水害微震監(jiān)測方案

2.1 微震臺網(wǎng)設(shè)計(jì)

（1）礦井煤層工作面在回采的過程中，煤層底板受破壞影響較大，破壞垂直深度約10～20 m。潘西煤礦6199 回采工作面受煤層底板起伏變化和斷層影響，會造成工作面回采期間局部破底，有突涌水危險(xiǎn)。

（2）根據(jù)潘西煤礦6199 工作面走向長度，本次設(shè)計(jì)使用1 套12 通道微震監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行底板突涌水監(jiān)測，包括：2 臺6 通道KJ648（B）-Z 微震監(jiān)測分站以及20 支GZC5 微震傳感器。其中微震監(jiān)測分站通過礦上環(huán)網(wǎng)，建立潘西煤礦水害微震監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。

（3）潘西煤礦6199 工作面底板突水動(dòng)態(tài)微震監(jiān)測中，分別在-740 m 后六下部集中運(yùn)輸巷（包括-740 m 后六下部運(yùn)輸上山）和6199 上巷（包括外延段以及部分6198 運(yùn)輸巷貫通段）布設(shè)微震監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)間距約100 m。其中-740 m 后六下部集中運(yùn)輸巷第一個(gè)微震監(jiān)測點(diǎn)安置在距切眼約60 m，6199上巷第一個(gè)微震監(jiān)測點(diǎn)安置在距切眼約120 m。臺網(wǎng)監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)如圖1（黑色圈表征微震監(jiān)測點(diǎn)）。

2.2 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)及地震波速標(biāo)定

6199 工作面底板突水動(dòng)態(tài)微震監(jiān)測系統(tǒng)安裝完成后，進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)及地震波速標(biāo)定。在礦井內(nèi)放標(biāo)定炮，記錄放炮時(shí)間和地點(diǎn)，以便計(jì)算、校驗(yàn)地層地震波速，并在監(jiān)測過程中進(jìn)行日常校驗(yàn)檢查。

通過放炮的方法標(biāo)定地震波在巖層中的傳播速度，一共需放4 炮（根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行設(shè)計(jì)）。為了減少測量工作量，放炮的位置選擇在測點(diǎn)附近，炮點(diǎn)在測點(diǎn)附近的巷道側(cè)幫上，孔深4.5 m，藥量100 g，采用瞬時(shí)雷管引爆，如圖2。

圖2 標(biāo)定炮炮孔裝藥示意圖（m）

3 數(shù)據(jù)處理分析

3.1 定位方法

網(wǎng)格法是Alder 和Wainwright 提出的一種方法，具有簡單、快速的特點(diǎn)，能夠快速確定真解的大概位置?；舅枷胧前涯Ｐ涂臻g劃分成規(guī)則的網(wǎng)格，其次在模型空間按較粗網(wǎng)格進(jìn)行快速搜索，得到誤差分布，然后基于Gaussian 誤差分布假設(shè)，對全局最小區(qū)域進(jìn)行加密搜索，通過多次加密得到全局最小值，即地震事件，并得到定位誤差，如圖3。

圖3 網(wǎng)格搜索法原理圖

3.2 背景噪聲分析

微震監(jiān)測臺網(wǎng)附近環(huán)境噪聲對于臺站接收巖體變形產(chǎn)生的微震信號的能力有舉足輕重的影響。

煤層底板突水動(dòng)態(tài)微震監(jiān)測系統(tǒng)記錄到的環(huán)境噪聲波形，監(jiān)測區(qū)域內(nèi)臺站環(huán)境噪聲水平為E-05。據(jù)以往微震施工經(jīng)驗(yàn)可知，對于煤層回采擾動(dòng)引起的底板隔水層巖體破裂產(chǎn)生的微震信號來說，E-05監(jiān)測環(huán)境噪聲屬于一個(gè)相對較低的噪聲水平，能夠有效地記錄微弱的巖石破裂微震信號，如圖4。

圖4 煤層底板突水微震監(jiān)測現(xiàn)場背景噪聲水平分布圖

3.3 地質(zhì)模型建立

根據(jù)6199 回采工作面監(jiān)測區(qū)域地質(zhì)資料及利用爆破信號，通過傳感器進(jìn)行信號接收，進(jìn)行地層速度校正，并最終確定監(jiān)測區(qū)域的地層速度模型如圖5。

圖5 煤層底板突水微震監(jiān)測現(xiàn)場背景噪聲水平分布圖

4 監(jiān)測數(shù)據(jù)成果

4.1 微震與電法監(jiān)測關(guān)聯(lián)

微震監(jiān)測通過KJ648（B）-Z 微震監(jiān)測分站以及20 支GZC5 微震傳感器。將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛鏀?shù)據(jù)處理中心，進(jìn)行分析處理，確定能量事件點(diǎn)。將能量事件點(diǎn)與電阻率異常成果圖比對，是否重疊，從而確定是否有導(dǎo)水通道，實(shí)現(xiàn)突水預(yù)警。

4.2 電法監(jiān)測數(shù)據(jù)說明

（1）電阻率監(jiān)測任務(wù)為監(jiān)測工作面回采期間底板巖層電阻率的變化規(guī)律，預(yù)警底板導(dǎo)水通道的發(fā)育。監(jiān)測系統(tǒng)在運(yùn)輸巷布置37 根傳感器，在回風(fēng)巷布置31 根傳感器，傳感器間距20 m，布置位置如圖6。

（2）電阻率監(jiān)測成果為工作面底板下0～100 m的視電阻率分布，一般情況下，在地層層位分布穩(wěn)定、巖性相對均一的情況下，電性分布穩(wěn)定，視電阻率等值線分布均勻、變化平緩，若存在含導(dǎo)水構(gòu)造情況下的電性均勻分布規(guī)律被打破，反映在圖上為視電阻率值變小，視電阻率等值線扭曲、變形為圈閉或呈密集條帶狀等。

（3）純異常成果圖為當(dāng)日監(jiān)測成果與上一日監(jiān)測成果的視電阻率差值，用以描述工作面電阻率的變化。純異常切片層位為底板下50 m，該層位距離底板破碎帶和奧灰層位均較遠(yuǎn)，應(yīng)力變化和靜態(tài)水的變化不大，干擾因素比較少，異常變化主要是水引起，故作為重點(diǎn)監(jiān)測層位。

4.3 微震監(jiān)測數(shù)據(jù)說明

8月9日監(jiān)測到工作面微震事件1個(gè)，能量261 J，位于6199 工作面上出口以東200 m 左右，煤層底板下30 m 左右,巖性為六灰。微震事件能量較弱，未監(jiān)測到工作面底板的微震事件與電阻率監(jiān)測異常重疊，電阻率監(jiān)測成果未發(fā)現(xiàn)采動(dòng)過程中導(dǎo)水通道的發(fā)育。如圖8。

4.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

（1）以8 月9 日監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，從成果圖可以看出，8月9日工作面監(jiān)測區(qū)域內(nèi)電阻率值較均一，沒有出現(xiàn)明顯的低阻異常區(qū)。如圖7。

（2）從8 月9 日純異常平面圖可以看出，相比前一日視電阻率變化幅值在±10%以內(nèi)，在工作面沒有明顯的低阻異常區(qū)，在回采推進(jìn)前方未發(fā)現(xiàn)其他明顯變化大的低阻異常區(qū)。

圖6 工作面底板下50 m 切片視電阻率平面圖

圖7 工作面底板下50 m 切片視電阻率純異常平面圖

圖8 微震事件點(diǎn)分布圖

5 結(jié)語

通過在6199 工作面兩順槽建立微震監(jiān)測系統(tǒng)，對微震信號進(jìn)行采集、分析，精確地計(jì)算出微裂隙的破壞位置、能量以及可能影響的區(qū)域，實(shí)時(shí)監(jiān)測采動(dòng)過程中工作面底板含水層破裂引起的微震信號，超前分析底板破壞帶發(fā)育情況，分析微震事件的空間展布，監(jiān)測斷層活化情況，及時(shí)發(fā)布微震預(yù)警信息，實(shí)現(xiàn)水害實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)警。