潘二煤矿A组煤层底板灰岩水害微震监测

查华胜，张海江，连会青，钱佳威，魏廷双，唐忠义，梅 欢，程婷婷

(1.中国科学技术大学 地球和空间科学学院，安徽 合肥 230026；2.安徽万泰地球物理技术有限公司，安徽 合肥 230601；3.华北科技学院，河北 廊坊 065201；4.淮南矿业集团有限责任公司 潘二煤矿，安徽 淮南 232000；5.陕西长武亭南煤业有限责任公司，陕西 咸阳 713600)

煤层底板下伏岩体在采动应力和下方承压水水压共同作用下会发生破坏，致使底板采动破坏导水裂隙带与含水层上方原始导升带之间的岩体失去隔水作用，两带直接导通或者承压水水压超出两带之间隔水层岩体的承载能力时，采煤工作面将发生突水事故。采煤工作面底板突水主要发生在采空区附近，水源大多是煤层底板厚层灰岩岩溶强含水层，诱发因素主要有煤层底板采动裂隙、地质构造(断层、陷落柱)、底板下伏隔水层薄以及存在岩溶裂隙等。

我国对采煤工作面底板突水监测与预测研究始于20世纪60年代，焦作水文会战首次将“突水系数”作为突水预测预报标准。随着煤层进入深部开采阶段，水文地质条件日益复杂，中国煤炭科工集团西安研究院改进了突水系数，并广泛应用于煤矿底板承压水突水预警。但由于煤层底板突水影响因素众多，导致“突水系数”法在实际应用中存在一定的局限性。20世纪80年代，基于煤层顶板“上三带”理论，从岩体地质工程力学角度出发，提出了煤层底板“下三带”理论和后续发展的原位张裂与零位破坏理论、关键层理论、递进导升理论、“突水优势面”理论以及开采煤层底板“四带”划分理论等。在此过程中，基于煤层底板下伏岩层物性差异(电性、弹性、密度等)的地球物理勘探方法也被间接应用到煤层底板突水预警中，如利用电阻率法探测底板下伏岩层的富水性，利用地震及声波法探测底板下伏岩层的采动破坏导水裂隙带以及异常地质构造等。

对于煤层底板突水监测和预警，其核心内容和关键问题是确定在采动应力和承压水水压共同作用下煤层底板下伏岩体发生破坏产生裂缝并贯通成为渗透通道的过程。从这个角度分析可认为底板突水是煤层采动过程中的应力场扰动所诱发的微破裂萌生、发展、贯通等岩石破裂过程失稳的结果。而在岩石破裂、失稳过程中，会产生微震信号，通过确定微震信号发生的时间、空间、强度，可以确定微破裂发生的空间位置、频率以及微破裂尺寸，进而刻画导水通道的时-空演变过程。近些年，微震监测技术发展迅速。大量研究表明，利用微震监测技术可以捕获煤层底板突水前下伏岩体微破裂信号，并根据微震事件的时空分布确定受开采扰动诱发的煤层底板下伏岩体的裂隙发育情况(底板破坏层位和破坏深度)以及导水通道的演化过程。王悦等通过微震活动性时空分布特征，研究了董家河煤矿底板突水情况；靳德武等提出了基于微震能量密度及岩层破裂连通度反演导水通道的识别方法，并在河北葛泉矿东井11916工作面底板突水监测工程中验证了基于震源参数的底板导水通道识别技术。

目前，基于微震技术进行煤层底板突水监测预警，主要是利用底板下伏岩体微破裂信号时空变化规律分析底板破坏带的发育情况，但不能确定底板下方灰岩水的入侵高度、分布以及导流通道是否形成。笔者在分析煤层底板下伏岩体微破裂信号时空分布的基础上，通过研究微震事件的不同波形特征信息，发现灰岩水沿裂隙通道向上入侵过程中与周围固体介质相互作用产生震荡信号，并分析其与煤层底板破坏带的时空变化关系，为煤层底板灰岩水害监测预警提供了新的思路和方法。

1 研究区概况

淮南潘二煤矿位于陶王背斜北翼及东部转折端，走向长10.1 km，倾斜宽1.04～3.40 km，井田面积19.7 km；含煤岩系为石炭系、二叠系地层，开采煤层为1煤，平均厚度为2.8 m，煤层平均倾角为15°，属较稳定煤层。11221工作面(图1(a))为矿井A组煤接替工作面，位于一水平东一采区，上覆11223采空区，工作面范围内受煤层层间滑动及断层的影响，煤层产状和厚度均有一定的变化。

图1 潘二煤矿A组煤接替工作面11221工作面位置和地层分布

2 微震监测系统构建

2.1 微震监测系统

微震类似于天然地震，但能量较弱，震级通常小于0，主要对应岩体受应力扰动产生的微破裂。微震监测系统的环境背景噪声、岩体破裂信号的强度及传播距离，综合影响微震监测系统对微震事件的记录、识别和定位能力。煤层采动中底板下伏岩体微破裂信号能量弱，释放的能量呈传播距离的指数次幂衰减。因此，利用微震技术进行煤层底板灰岩水害监测预警对监测环境的背景噪声要求较高(振幅(电压)不大于10V)。KJ648(C)微震监测系统(安徽万泰地球物理技术有限公司)具有高灵敏度、宽频带、低本底噪声的特点(表1)，能够采集微弱的岩体破裂信号。

表1 潘二煤矿11221采煤工作面底板突水微震监测系统参数

2.2 微震监测台网

潘二煤矿11221工作面微震监测点分布在工作面回风巷和运输巷(图2)，分别为12个，同巷相邻微震监测点间距约110 m，工作面回风巷第1个微震监测点距离开切眼约79.7 m；工作面运输巷第1个微震监测点距离开切眼约132.9 m。微震传感器采用钻孔安装(图3)，钻孔与垂直方向的偏离角度约3°，钻孔深1.5～2.5 m，孔底均进入到煤层底板下伏基岩，并采用水泥砂浆做为传感器耦合剂。煤层采动条件下，微震监测系统记录的环境噪声振幅峰值(电压)在10V(图4)，满足煤层底板灰岩水害微震监测要求，能够保证监测到微弱微震信号。

图2 潘二煤矿11221工作面微震监测台网

图3 微震传感器钻孔安装

图4 潘二煤矿11221工作面微震监测系统环境背景噪声波形

3 煤层开采微震信号分析

3.1 校验炮信号

利用微震监测系统实时动态监测煤层采动过程中底板灰岩水害情况之前，需在监测区域内进行校验炮试验，以检验微震监测系统的空间定位能力。潘二煤矿11221工作面校验炮位置如图2所示，以校验炮1(图5(a))为例进行时频特征分析(图5(b))，炸药震源产生的波形信号的振幅能量集中在20～400 Hz的频率范围内。

图5 潘二煤矿11221工作面校验炮波形和时频分析

为进一步分析校验炮1激发的波形信号频谱特征，选择与其空间距离最近的S18微震传感器(约8.6 m)接收的波形信号进行分析。发现其主频约为200 Hz，频率范围为40～400 Hz，而且P波很明显，并且没有后续的S波和其他震相，符合炸药震源激发的信号特征。对于其他距离炸药震源较远的微震传感器，除了明显的P波信号之外，还可以看到明显的低频后续震相。这些波形可能代表炸药震源激发的地震波在煤层中传播时，产生的槽波形式的尾波信号。

通过微震监测系统空间定位以及与实际位置进行对比，空间定位误差小于4.21 m，平均空间定位误差为4.06 m(表2)。

表2 潘二煤矿11221采煤工作面底板突水微震监测系统校验炮空间定位精度结果

3.2 岩体微破裂信号

煤层采动导致煤岩应力平衡受到破坏，煤层的顶底板以及煤层内出现岩体破裂，以弹性波的方式释放煤岩破裂产生的能量。微震事件发生的本质是采煤工作面围岩应力、应变、变形、破裂、失稳及破坏等一系列动态演变过程的一种表现形式。

通常煤岩拉伸破裂的微震波形P波初动清晰，S波与P波的能量比较小；煤岩剪切破断则表现出P波初动微弱，S波与P波的能量比较大，潘二煤矿11221工作面煤岩破裂信号S波与P波的震相清晰(图6(a))，且能量比较大，表明煤岩破裂以剪切错断为主，震源及震源机制解(图6(b)),参数详见表3。

图6 潘二煤矿11221工作面煤岩受开采扰动影响诱发产生的破裂信号、微震事件的沙滩球和时频分析

表3 潘二煤矿11221采煤工作面底板突水微震监测岩体破裂信号震源及震源机制解参数

根据时频特征分析(图6(c))，煤岩破裂微震信号的振幅能量集中在30～100 Hz的频率范围内，与校验炮1的地震信号频谱对比，煤岩破裂信号的频率范围相对较低。

3.3 水流震荡信号

地下水在自身水压及采动扰动下，会以流体的形式沿着裂隙通道向岩体弱势面快速运移并产生危害，如隧道溶洞突水以及煤层底板灰岩水害等。基于大型三维流固耦合模型试验系统，陈迪杨等采用KJ648(C)微震监测系统研究水流通道中水声与激荡信号在岩石中的传播特性以及对流体通道进行三维空间定位与识别。实验装置(图7)是采用类岩石材料混凝土模拟灰岩，并在内部布设各种类型管道，管道形状简化成“之”字型和“Y”型。模拟灰岩的物理力学参数：容重为24～26 kN/m、抗压强度为40～80 MPa、弹性模量为8～10 GPa、泊松比为0.30～0.35、黏聚力4～5 MPa、内摩擦角为25°～35°。

图7 水量震荡模拟微震监测实验

通过在实验装置顶端的入水口进行10 s灌水，产生水流震荡，激发的能量以弹性波的形式向四周传播，被微震传感器接收。图8为实验记录的地震信号，信号前端为水头释放时产生的冲击波信号，中部为水流震荡时产生的震动信号，整体呈类螺钉状。信号振幅在水流震荡过程中呈高低起伏变化，形状上看起来像一个螺钉的横截面，信号频率范围为50～1 000 Hz，持续时间约3 s。

图8 基于大型三维流固耦合模型试验系统注水实验水流震荡波形信号时频分析

2021-09-28 T 10：49和2021-09-28 T 20：33，在潘二煤矿11221工作面发现类螺钉状地震信号(图9，10)，与注水实验中的水流震荡信号在波形特征上相似，但该信号频率低、持续时间长，信号频率范围为20～40 Hz(图11)，低于正常监测到的微震信号频率，持续时间超过20 s，初步推测为煤层底板下伏灰岩层岩溶水向上入侵过程中产生的水流震荡信号，由于实际的水流通道与注水实验中人工设置的类岩石材料混凝土水流通道存在较大区别，导致该信号频率相对较低。

图9 潘二煤矿11221工作面2021-09-28 T 10:49发生的水流震荡信号波形分析

图10 潘二煤矿11221工作面2021-09-28 T 20:33发生的水流震荡信号波形分析

图11 潘二煤矿11221工作面水流震荡信号时频分析

为进一步分析潘二煤矿11221工作面类螺钉状地震信号的发生机理，将其与工作面煤岩破裂、输送带运动、刮板机联动、矿震以及远震等信号进行对比分析，该信号存在以下新的特征：类螺钉状，能量低(振幅主要在10～10V)，频率低(频率为20～40 Hz)，持续时间长(超过20 s)。

表4 潘二煤矿11221采煤工作面底板突水微震监测系统螺钉状地震信号空间定位精度结果

4 煤层底板破坏与微震活动性关系

4.1 煤层底板破坏空间域分析

潘二煤矿11221工作面底板突水微震监测系统自2021-09-01—30共监测到岩体破裂事件1 145个，底板下伏岩体破裂事件439个，顶板围岩破裂事件706个，微震事件的能量主要集中在100～500 J，占比61.50%(图12)。煤层采动造成工作面前方煤岩内部应力集中，当超过岩体载荷时，会持续发生煤岩破裂，其中1煤开采扰动影响最远距离约在工作面前方143.6 m，1号断层异常区含大量微震事件，局部成簇状(图13)。

图12 潘二煤矿11221工作面微震事件能量分布

图13 潘二煤矿11221工作面微震事件空间分布(俯视)

图14 潘二煤矿11221工作面走向微震事件空间分布剖面(工作面运输巷)

4.2 煤层底板破坏时间域分析

图15(a)显示了1煤底板微震事件按天统计分析的结果。9月1日—9月18日期间，日微震事件数变化幅度较小，表征1煤底板下伏岩体受开采扰动破坏处于一个相对安全的状态。9月19日—9月28日期间，日微震事件数在增加，增幅为2～3倍，表征1煤底板下伏岩体受开采扰动破坏的程度在增加。

采煤工作面围岩受到破坏所释放的能量大小主要取决于工作面施工人为扰动、原始地应力场和围岩地质条件。围岩内部若存在节理面、结构面等不良地质体，则导致不同区段的应力场和地质条件存在差别。

图15(b)对潘二煤矿11221工作面1煤底板微震事件日累积能量与日进尺进行分析，在原始地应力场和围岩地质条件变化小时，施工人为扰动(采煤工作面日进尺)增大，1煤底板下伏岩体的应变活动剧烈，诱发产生的微震事件的日累积能量增大。

图15(c),(d)分别对潘二煤矿11221工作面1煤底板日微震事件数、底板日累计能量与底板破坏深度进行分析，1煤底板破坏深度增加时，底板日微震事件数以及底板日累计能量增大。

图15 潘二煤矿11221工作面煤层底板微震时域分析

5 基于微震波形特征的煤层底板突水前兆信息

煤层底板下伏承压水富水区含有一定高度的天然导升，受开采扰动影响，在水压和二次应力共同作用下承压水导升高度不断向上递进入侵，当与煤层底板破坏带形成联通时，则发生突水：

+Δ+≥

(1)

其中,为原始导升高度;Δ为递进导升高度;为底板破坏深度;为底板全厚。因此，通过分析承压水入侵高度和底板破坏深度的动态变化，可进行煤层底板突水危险性预警。

图16，17显示了在空间上对潘二煤矿11221工作面9月27日—9月28日期间的微震事件分析结果。1煤底板微震事件主要靠近于工作面前方的运输巷底板，聚集在水流震荡信号位置的上方，但未形成联通。

图16 潘二煤矿11221工作面2021-09-27—28间微震信号空间分布(俯视)

为进一步研究水流震荡信号出现过程中1煤底板微震事件的变化规律，在时间序列上对潘二煤矿11221工作面9月20日—10月3日期间的微震事件进行了分析(图18(a))。水流震荡信号出现前一周，日微震事件数逐渐增多，在9月26日达到峰值34个，然后在9月27日、9月28日、9月29日分别为29个、28个以及30个。但是在水流震荡信号出现之后的第2天(9月30日)日微震事件数突降为11个以及在10月1日微震事件数为7个。图18(b)为潘二煤矿11221工作面灰岩水流量及1煤底板日微震事件数的变化，9月15日—9月20日期间，工作面灰岩水流量和1煤底板日微震事件数存在变化但幅度较小。

图17 潘二煤矿11221工作面2021-09-27—28间工作面走向微震事件空间分布剖面(工作面运输巷)

图18 潘二煤矿11221工作面煤层底板微震事件和灰岩水排量的变化特征

根据图18分析结果，微震波形呈类螺钉状且持续时间超过20 s的低频、低能量的水流震荡信号出现前，1煤底板日微震事件数急剧增加，工作面灰岩涌水量平稳变化；该水流震荡信号出现后，1煤底板日微震事件数存在变化但依然保持在高位，当日微震事件数急剧降低时，工作面灰岩涌水量存在较大幅度的提高。根据以上分析可以推测：水流震荡信号出现之前1煤底板灰岩含水层上方的岩体在采动和水压的共同作用下产生岩体破裂，导致原始导升带向上发展，此时灰岩承压水沿着裂隙通道向上入侵，进而出现水流震荡，并沿着人工探水孔流出，从而导致工作面灰岩涌水量增高。

水流震荡信号在一定程度上反映了煤层底板承压水的水头入侵位置，当与煤层底板破坏带产生联通时，会发生突水危害。潘二煤矿11221工作面监测到的类螺钉状水流震荡信号虽然是局部现象，但相似特征信号于2021-11-17 T 15：50在界沟煤矿1025工作面也出现了(图19)，且在工作面内断层处。该信号出现后工作面断层处发生突水，水量为8 m/h。因此，可以将煤层底板的水流震荡信号作为煤层可能会发生底板突水的前兆信息之一。

图19 界沟煤矿1025工作面2021-11-17 T 15:50发生的水流震荡信号波形和时频分析

6 结 论

(3)结合潘二煤矿、界沟煤矿微震监测结果分析，水流震荡信号在一定程度上反映了煤层底板承压水的水头入侵位置，当与煤层底板破坏带产生联通时，会发生突水危害。因此，可以将煤层底板的水流震荡信号作为煤层可能会发生底板突水的前兆信息之一。