微震监测技术在煤矿底板突水预警中的应用

王曦韡 张日宇

（中煤华晋集团有限公司，山西 河津 043300）

为保障中煤华晋集团有限公司王家岭煤矿安全生产，指导工作面底板水害防治，在王家岭煤矿建立微震预警监测系统，并将预测预报及防治技术进行大数据融合应用，形成矿井水害及顶板稳定性微震监测预警技术体系[1-2]。

1 煤层底板突水动态微震监测系统的构建

1.1 靶区选取

王家岭矿井下123 盘区奥灰承压区12313 回采工作面受底板水害威胁。根据以往煤矿工作面回采监测案例及现场勘查结果，煤层底板受破坏影响较大，破坏垂直深度约10 m 多。12313 回采工作面底板为奥灰含水层，2#煤层底板隔水层厚度58.25～113.05 m 之间，平均厚度85.65 m。考虑到回采破坏影响，以12313 回采工作面为靶区，利用微震预警监测系统对工作面底板奥灰水进行防治水监测。

1.2 观测系统

1.2.1 台网布设

12313 回采工作面底板突水动态微震监测，一次覆盖监测区域800 m，将煤层回采破坏范围覆盖且往联络巷方向延伸（600 m），通过对监测点进行倒桩，平移整个微震监测系统，实现12313 工作面回采煤层底板突水监测。

布设一套24 通道微震监测系统，分为2 个12通道微震监测分站，每个微震监测分站连接1 支三轴微震传感器、9 支单轴微震传感器，共安装20 支微震传感器。基于防治水监测需要（微震信号弱），微震传感器间距约90 m。

12313 工作面胶带巷、回风巷各布设1 台微震监测分站及1 支三轴微震传感器、9 支单轴微震传感器。基于王家岭矿12313 工作面地质条件及现场勘查结果，微震传感器沿煤层走向方向和深度方向呈交错布置，布置于胶带巷和回风巷的非开采帮，微震传感器间距约90 m，共覆盖监测区域沿煤层走向长810 m。底板突水动态微震监测台网如图1。

图1 底板突水动态微震监测台网布设图

1.2.2 传感器安装

（1）确定钻孔孔口坐标。根据监测设计方案，现场确定微震传感器的安装位置即钻孔孔口坐标，均分布于12313 工作面胶带巷和回风巷的非开采帮。

（2）确定钻孔的孔径。根据所采用的单轴微震传感器的尺寸（直径30 mm）、三轴微震传感器的尺寸（直径50 mm），确定保护套管规格选取直径70 mm，钻孔直径大于80 mm。

（3）确定钻孔与垂直方向和巷道走向的夹角。布置钻孔与垂直方向和巷道走向有一定的夹角，分别为30°至60°之间以及-45°至45°之间，根据现场实际情况而定。

（4）确定钻孔的孔深。煤层底板距离下伏粉砂岩约为2.91 m，根据钻孔与垂直方向夹角，设计钻孔深度约4.5 m，如图2。

图2 底板突水动态微震监测微震钻孔示意图？

（5）微震传感器安装。首先，将传感器前端的螺旋孔里旋转进匹配的螺丝；然后，将螺丝钻孔放入含水泥锚固剂的纸杯中；再次，利用微震传感器安装杆固定住传感器尾端，连带拼接在一起的纸杯迅速推进到孔底，等至水泥锚固剂干硬后，拔出微震传感器安装杆。

1.2.3 系统联调及地震波速标定

系统安装完成后，需进行系统联调及地震波速标定。具体施工方法：首先在监测区域选取多个敲击实验点，如微震监测点附近约20 m、10 m 处的煤层壁帮和顶部；然后使用大锤结合金属底板进行敲击实验，每个敲击点锤击10 次，记录下敲击时间；最后根据敲击实验波的到时与敲击点到传感器的距离，计算地震波传播速度，综合统计多个敲击实验点的测试结果，获得微震处理时使用的地震波速。

2 12313 回采工作面底板水害微震监测分析

对12313 工作面2020 年08 月12 日至2021 年04 月09 日回采期间2#煤底板下伏煤岩体的微震事件进行处理。

2.1 底板破坏时间域分析

对2#煤底板下伏煤岩体的微震事件处理结果进行时间域分析，如图3。

图3 2#煤底板下伏煤岩体月度微震事件数量柱状图

（1）12313 回采工作面2 煤底板下伏煤岩体共监测到微震事件4781 个。

（2）月度微震事件总数整体呈现先上升后平缓下降的趋势，在11 月底板微震事件数达到最大，可能与回采进度有关。11 月后每月微震事件数减少，表明回采活动对2 煤底板的采动破坏处于平稳状态。

2.2 底板破坏能量分析

对回采期间2#煤底板下伏煤岩体的微震事件进行能量分析，底板最大微震事件能量为8 679.60 J。0～100 J、100～500 J、500～1000 J、1000～5000 J、大于5000 J 的微震事件比例分别为76.65%、15.85%、3.00%、4.15%、0.35%。有3/4 以上的微震事件其释放的能量在0～100 J 之间，15.85%的微震事件释放的能量在100～500 J 之间，500 J 以上的事件较少，分析微震事件主要由回采期间对底板围岩造成的扰动所产生的。

2.3 底板破坏空间域分析

对2 煤底板下伏煤岩体的微震事件进行空间分析。从数据可知，2 煤底板下伏煤岩体的微震事件随着煤层回采线不断推进也在向前进行移动。破坏区域主要为工作面范围内的回采线前方，其中断层处出现了明显的事件积聚，现场断层处发生的微破裂明显高于其他围岩体处。

根据微震事件定位结果，12313 回采工作面生产期间底板影响深度见表1。根据底板围岩影响变化图可见底板影响深度逐渐降低，刚开始回采对底板的扰动较大，随着回采的进行，底板趋于稳定，影响深度总体减小，底板影响区域随着回采接近尾声达到最小值，如图4。

表1 12313 回采工作面生产期间底板影响深度表

图4 12313 回采工作面生产期间底板影响深度图

3 双差层析成像分析

通 过 对12313 工 作 面2020 年10 月01 日 至2021 年03 月31 日回采期间高程530 m 处的区域进行双差层析定位与成像结果分析，共圈定出8 个异常区域。

（1）1 号区域以X=37 470 418.123 5，Y=3 969 238.100 0 为中心，影响半径约25 m。该区域约从高程450 m 开始发育，随着高程增加，其受采动影响的范围和受破坏强度在一直增大，至高程550 m处达到最大，然后随着高程增加，其受采动影响的范围和受破坏强度在减小，至高程600 m 处降到最低。因此判断出1 号区域为现场生产活动对底板三号异常区域产生扰动导致应力集中，影响高度为450～600 m。

（2）2 号区域以X=37 470 488.935 4，Y=3 969 500.000 0 为中心，影响半径约为90 m。该区域约从高程450 m 开始发育，随着高程增加，其受采动影响的范围和受破坏强度在一直增大，至高程530 m 处达到最大，然后随着高程的增加，其受采动影响的范围和受破坏强度在减小，至高程600 m 处降到最低。因此，判断出2 号区域为现场开采活动对顶板四号异常区域产生扰动导致应力消散。

（3）3 号区域以X=37 470 384.234 8，Y=3 969 320.332 9 为中心，左右影响半径约为300 m，上下影响半径约为10 m。该区域约从高程400 m 开始发育，至高程700 m 发育完结。通过分析：3号区域为断层活化导致产生的影响，影响高度为400～700 m。

（4）4 号区域以X=37 470 710.801 1，Y=3 969 496.494 3 为中心，水平影响范围约为98 m。该区域约从高程500 m 开始发育，随着高程增加，受采动影响范围和受破坏强度在增大，至530 m 处达最大，然后随着高程的增加，受采动影响范围和受破坏强度在减小，至550 m 处消失。判断4 号区域为现场开采活动对底板五号异常区域产生扰动导致应力消散。

（5）5 号区域从400～530 m 速度逐渐增大，至530 m 处达到最大后逐渐减小，表明该区域巷道所在高程应力主要集中在胶巷一侧。

（6）6 号区域为低速异常区，通过分析该区域为四号底板和五号顶板异常产生扰动导致应力消散。

（7）7 号区域为高速异常区，从550 m 开始发育，为回采扰动引起的工作面前方顶板应力集中。

（8）8 号区域从400～700 m 面积逐渐缩小后又逐渐增大，主要是受断层和回采共同影响，深度上在巷道附近受顶底板异常区域扰动，导致8 号异常范围减小。

综上所述，12313 工作面8 个异常区主要为三类异常区，一是地质异常区：三号底板异常区、四号底板异常区、五号底板异常区、四号顶板异常区、五号顶板异常区；二是断层异常区；三是工作面前方应力集中区。

4 结语

对12313 工作面进行微震预警监测系统的应用，主要结论：12313 工作面回采活动对2 煤底板的采动破坏处于一个平稳状态；破坏区域主要为工作面范围内的回采线前方，其中断层处出现了明显的事件积聚，表征现场断层处发生的微破裂明显高于其他围岩体处；有地质异常区、断层异常区和工作面前方应力集中区共8 个异常区。因此，在12312 回采过程中，要注意过地质异常区和断层处的应力变化防水害的发生，同时要注意前方应力集中区，保证生产的安全有序进行。