回采工作面底板突水智能监测技术应用

李鹏

(1.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077；2.西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安 710054)

近几十年随着煤炭资源的大规模开发，我国浅部及条件简单区的煤炭储量渐趋匮乏，华北型煤田逐渐进入到深部开采及下组煤开采阶段。深部采掘煤层围岩处于高地压、高地温、高岩溶水压和强烈采动影响的“三高一扰动”复杂地质力学环境中，尤其是石炭系下部煤层（下组煤）其下伏太灰或奥灰含水层富水性强、水压高，煤系地层受构造作用影响强烈，极易造成严重的突水事故。

1 底板突水监测预警技术

20 世纪90 年代以来，国内很多专家学者进行了水害监测预警系统的研究。煤炭科学研究总院研究开发的MTS-1 型煤矿突水前兆检测仪可对底板突水前的位移、钻孔中水压等变化进行监测[1]；其研制的WP-Ⅰ型底板突水监测仪实现了对采动过程承压水的动态监测，可随时预报底板水动态移动情况。太原理工大学胡耀青提出通过监测本灰或太灰含水层水位，实现奥灰水上采煤区域的监控，其实质是针对中间指示层地下水位在采矿条件下所做的动态监测[2]。

由于不同矿区的地质条件、开采工艺及施工技术手段不同，工作面回采过程中造成煤层底板突水的因素较多。总的来说，形成底板突水的充要条件有两部分：一是突水水源，二是突水通道。当影响突水水源与突水通道的各类要素形成一定空间组合关系，即发生底板突水。本文主要以“下三带”理论[3]、“递进导升”理论[4]以及突水系数法[5]为监测预警的理论基础，通过监测煤层开采过程中表征突水水源与突水通道时空演化的指标信息，对矿井底板突水进行预警。

1.1 突水监测点确定

煤层底板突水监测点的确定需考虑异常区段和正常区段两方面的控制因素，如图1 所示。

图1 底板水害监测点确定因素

（1）地质构造，尤其是断层尖灭、复合、分叉部位和断层的影响带、背向斜轴部往往是突水易发地点[6]。应当以采前工作面构造探测（物探、钻探）成果为基础，以构造分析为手段，确定受构造影响和支配的突水监测点位置。

（2）富水性异常区往往具有随机分布的特点，但从地质条件来讲，煤层底板地层由于受地质环境、地质构造等作用的影响，表现出明显的各项异性特征，导致地层在空间上的导、含水能力差异较大。因此，针对富水异常区突水条件分析是确定监测点的基础，一般以采前工作面底板探查（物探、钻探）成果为基础，初步圈定富水异常区段，针对该区段确定突水监测点位置。

（3）来压步距、矿压显现与底板突水有重要的关系，回采过程中的初次来压位置和周期来压位置也应该重点进行监测。

（4）采动裂缝受采动应力控制，采动裂缝在平面不同位置上发育的深度不同，根据“下三带”理论，当采动裂缝波及至底板岩溶含水层或递进导升带时，岩溶水通过底板采动裂缝进入采空区，易造成底板突水，因此掌握采动裂缝的发育深度，对于监测孔平面位置以及垂向位置的确定具有重要意义。

监测点的确定主要考虑以下因素，分别为埋设水压、水温、应力/应变、微震等传感器。

2 底板突水关键监测位置分析

本文选取的示范工作面是位于某矿井的11916工作面，井田范围内地形比较平坦，地势南高北低，西高东低，地面标高介于+91～+107 m 之间，主井标高+102.82 m，副井标高+102.90 m。工作面位于9#煤层，底板含水层主要为本溪灰岩。

2.1 异常区段监测位置分析

本文分析的异常区段主要是指影响矿井水文地质条件的易突水地质构造和富水性异常区。

2.1.1 易突水地质构造区监测

以采前工作面构造探测（物探、钻探）成果为基础，以构造分析为手段，确定受构造影响和支配的突水监测点位置。

根据地质资料等构建工作面三维地质模型进行分析（见图2），自西向东9#煤至大青灰岩层间距逐渐变薄，可能歼灭；9#煤底板至本溪灰岩间距揭露平均厚度为19 m，最薄处仅有14 m 左右。对11916 工作面掘进有影响的断层主要有SF1 断层。该工作面位于三维地震奥灰富水相对异常区内，工作面周围钻孔又比较少，区内不排除小型断裂构造或其他构造的存在。该范围隐伏断层主要以北东向高角度正断层出现，顶板主裂隙方向也以北东向为主。SF1 断层为已探明正断层，11916 工作面处于SF1 断层上盘，断层落差为6.5 m，走向为48°～50°，倾向为138°～140°，倾角为73°，11916 工作面掘进位置位于11916 工作面停采线附近，影响不大。三维地震勘探解释陷落柱1 个，位于工作面上部。其平面形态近圆形，轴长50 m 左右推断该陷落柱富水的可能性不大。但在奥灰顶板附近处，该陷落柱处在奥灰富水条带内，地下水原始平衡一旦被破坏后，不排除该陷落柱导水的可能性。

图2 工作面断层示意

本次监测工程主要位于工作面回采的前600 m，回采工作面附近巷道布置网络电法监测系统和微震监测系统，在SX1 陷落柱加密布置网络。

2.1.2 富水性异常区监测

电法勘探是利用岩（矿）石电性差异为基础的一种地球物理勘探方法，在煤矿富水性异常区应用广泛且效果较好。本文采用音频电穿透和直流电测深技术，在11916 工作面两顺槽及东翼运输大巷内施工，探查工作面底板下60 m 深度范围内的含赋水异常区分布特征，为采前防治水工程的实施提供参考依据。其中音频电穿透在11915 运输巷和东翼运输大巷内施工，直流电测深法在11915 运输巷、11915 补运输巷和东翼运输大巷回24 开始到回34止400 m 巷道内施工。

图3 为11916 工作面底板下0～30 m 层段音频电穿透视成果图。该图主要反映9#煤底板下本溪组灰岩含水层的富水情况。工作面底板下0～30 m 深度范围内地层综合电导率值为1.55～10.58 S/m，平均值为4.99 S/m，标准偏差为1.59 S/m，根据数据统计选定异常阈值为5.5 S/m，即综合电导率值大于阈值的为异常区。11916 工作面0～30 m 范围内共发现3 处异常区段，其中1，2 号异常区主要位于该工作面外端，3 号异常区主要位于该工作面里端。

图3 音频电穿透视成果

富水性异常区的监测主要采用网络电法监测系统进行，本次布置的网络电法监测系统有效监测距离在垂向上达到80 m，可完全覆盖工作面底板的深度范围。

2.2 正常区段监测位置分析

2.2.1 矿压显现位置监测

矿压显现位置与底板突水有密切关系，根据钱鸣高的理论公式进行计算[7]，试验工作面初次来压位置为50～70 m；根据文献周期垮落步距与基本顶岩性有关，一般为6～30 m，多数为10～15 m。本次使用光纤应力应变系统在工作面初次来压位置、工作面见方位置和周期来压位置进行布设 监测。

2.2.2 底板采动裂缝集中发育区监测

本工作面开采方式为走向长壁工作面开采，根据相关文献统计，底板突水点易出现在下顺槽距煤壁一侧3～8 m，以及上顺槽对应位置和工作面中位。在这些位置易产生底板突水的原因是平面上应力分布不均匀，工作面回采时应力比较集中，在采空区一侧下顺槽底板承受的应力比实煤侧和上顺槽的大，剪应力集中分布于采面底板和上、下顺槽内侧，即近上、下顺槽水平距离6 m 左右处的剪应力最集中。同时，受采动应力控制，采动裂缝在平面不同位置上发育的深度不同，根据“下三带”理论，当采动裂缝波及至底板岩溶含水层或递进导升带时，岩溶水通过底板采动裂缝进入采空区，易造成底板突水，因此掌握采动裂缝的发育深度对于监测孔平面位置以及垂向位置的确定具有重要意义。

微震事件可以动态实时反映煤岩体受力破坏程度，因此，采用高精度微震监测技术实时探测底板隔水层岩体的破坏状态。

3 监测方案

3.1 监测方案设计

根据矿井充水结构三维可视化地质模型，分析11916 示范工作面开采煤层底板的岩性组合特征与岩层厚度变化特征，识别得出工作面煤层底板隔水层薄弱区，如图4 所示，黑色地层为煤层，红色地层为隔水层，蓝色为煤层底板下部承压含水层。图4 中，东翼轨道大巷一侧的11916 工作面底板隔水层厚度基本均匀。图5 为11916 工作面西北侧剖面图，工作面东北部分隔水层厚度最大，从东北部到西南部隔水层越来越薄，在隔水层相对薄弱地区需要增加监测密度。

图4 工作面三维模型

图5 工作面西北剖面

结合分析11916 工作面直流电测深法和音频电穿透法探测成果，工作面内部主要存在3 个异常区。采用多元地学信息叠加方法，细化突水危险区划分结果，初步圈出存在突水危险性的区域，将煤层底板隔水层薄弱区、隐伏构造影响区以及物探异常区作为监测预警重点区段，以监测点、监测层位、监测范围等为分析重点，形成工作面重点区段与正常区段分区监测设计方案。

根据11916 示范工作面采掘规划与水害监测预警系统安装、调试、判据智能学习等进度安排，将工作面0～200 m（图6 黄色实线部分）划分为系统集成调试与智能预警判据学习段，进行底板破坏深度现场测试，验证微震监测精度；进行光纤光栅应力应变传感器、连续电法监测参数校正，并设计单指标预警方案。200 m 至停采线（图6 红色实线部分），划分为水害监测系统集成与智能预警示范区段：进行光纤光栅传感器、连续电法、井-地-孔联合微震集成监测，开展基于大数据的智能预警判据，形成工作面水害监测调试学习与单指标预警段、三大系统集成监测与智能预警示范段的分段设计方案。

图6 监测预警区段划分

根据水害监测（光纤、微震、连续电法）装备性能参数，针对圈出的突水危险性的区域（如薄弱区、隐伏构造等区段）；将系统设定为高频（图7 红色框）监测数据采集与预警级别，针对周期来压影响区段将系统设定为中频（图7 黄色框）监测数据采集与预警级别；其它正常区段设定为低频（图7 蓝色框）监测数据采集与预警级别，形成工作面水害监测高、中、低频数据采集与预警的分级设计方案。

图7 高中低频监测分区

3.2 监测部署

整个监测系统包括光栅光纤、连续电法和微震监测系统，其中光栅光纤和连续电法传感器部署于井下巷道或者巷道孔中，微震传感器分别部署于地面、巷道和井下孔中，井下部署如图8 所示。

图8 光纤光栅传感器、微震监测系统布置示意

将11916 工作面分为5 个监测段，其中第1 监测段为设备联调测试段，其余4 个监测段为正式监测段。根据监测层位，设计光纤光栅应力/应变传感器置于井下钻孔中，沿钻孔倾角埋设于底板有效隔水层保护带底部位置，垂深约20 m，钻孔主要布置在轨道巷（便于后期施工），每个钻孔埋设应力应变、水温和水压传感器各1 个，埋设应力应变传感器间隔40 m。连续电法监测系统的电极主要部署在工作面巷道外侧底板的浅孔中，孔深2 m，电极之间的距离为20 m。本次主要利用地面、井下巷道和井下钻孔联合监测，其中地面传感器间距为120 m，井下传感器间距为40 m，地面传感器为浅孔埋置，孔深2 m，井下传感器分为巷道和深孔两种，浅孔的孔深为2 m，孔深的垂深为20 m，微震传感器全部安装在孔底。部署完成后在工作面进行了9 个月的连续监测，并取得了良好的监测预警效果。

4 结论

本文主要以“下三带”理论、“递进导升”理论、“关键层”理论以及突水系数法为监测预警的理论基础，构建工作面三维地质模型，结合电法勘探异常区对影响矿井水文地质条件的易突水地质构造和富水性异常区进行分析，依据分析结果进行底板突水监测系统布设，通过监测煤层开采过程中表征突水水源与突水通道时空演化的指标信息，对矿井底板突水进行预警。