平禹一矿水害微震监测系统的建立及应用

杨光跃，高 刚

（1.河南平禹煤电有限责任公司，河南 禹州 461670；2.河北煤炭科学研究院有限公司，河北 邢台 054000）

0 引 言

微震监测技术已在煤炭行业防治水领域大规模推广应用，基于微震评价矿井的突水危险性，开展了微震监测技术在底板水害防治中的研究与应用。余国锋[1]以开采前静态预测评价、回采中底板破坏微震实时监测与动态预测相结合的工作面突水危险性多源信息监测预警技术，初步实现了淮南矿区深部A 组煤开采底板水害的智能预警；靳德武[2]结合微破裂定位三维呈像结果，建立基于岩层破裂程度与微震能量密度计算反演导水通道的判别方法，通过连通路径反演得到工作面内存在多条主导裂隙，并以视电阻率监测验证了导水通道的存在；程关文[3]基于微破裂前兆是突水等矿山动力灾害的共性特征理念，通过通过拟合现场微震监测的顶板破坏高度数据，确定了导水裂隙带高度和工作面的超前影响范围，超前识别隐性断层的存在；查华胜[4]通过微地震的时空分布，确定底板破坏带的时空分布，进一步对水流震荡信号进行波形分析和定位，得到灰岩含水层上覆岩体裂隙扩展进水的时空分布，进而确定煤层底板破坏带和承压水导高带的空间分布及互联情况。

本文以平禹一矿二1-15010 工作面回采期间，底板采动破坏带对灰岩含水层的影响为研究对象，通过对微震信号的采集、分析，反演围岩微破裂的破坏位置，分析现场微震监测的底板断层活化破坏深度数据，反映底板隔水层在采动过程中破裂情况，实现水害实时监测预警，为指导工作面底板灰岩水害防治工作提供依据。

1 研究区概况

平禹煤电公司一矿位于禹州市北10 km，矿井采用混合开拓，开采二叠系山西组二1 煤层、二3煤层。二1 煤结构简单，煤厚一般为4～6 m，二3煤一般为2 m。二1-15010 采面位于五采区东翼上部，工作面井下标高-142—-228 m，地面标高+128—+138 m，埋深270～366 m，走向长750 m，采宽161 m，平均煤层倾角28°，煤厚6 m，可采储量97.44 万t。工作面采煤方法为走向长壁后退式，综采放顶煤工艺回采，风巷、机巷均采用U型钢支护，以全部垮落法管理顶板。

二1-15010 工作面上方二3 煤厚度1.6 m，已回采，二1、二3 煤间隔层2.6 m。石炭系下段灰岩水和寒灰水为二1 煤层底板间接充水含水层，工作面最低点底板隔水层承受寒灰水压为1.68 MPa。平禹一矿二1 煤开采底板突水的主要充水通道为导水断层和高压地下水突破二1 煤底板而形成的通道。当导水断层导通L1～3 灰含水层与寒灰含水层时，将会使矿井涌水量急剧增大，造成严重的突水事故。

2 采煤工作面微震监测系统

2.1 微震监测原理

煤矿采掘活动引起岩体应力集中发生突水的过程属于渐进损伤范畴，采动影响了非均质性岩体内部天然缺陷及采矿活动对原岩造成了的破坏，应力与应变准连续演化，当岩体受力超过岩体的强度则岩体倾向于破坏，而缺陷岩体所能承受的强度更小，连续演化过程中首先表现在采场岩体构造薄弱部位的破坏或扩张，渐进式破坏导通含水层则诱发突水。因此，在矿井开采中，利用微震监测技术，探查围岩及底板关键岩层的损伤规律和损伤量，尤为重要。

由于井工矿井作业环境嘈杂、振动源众多，因而对煤层采动中下伏隔水层与含水层微破裂信号的有效捕捉，是水害监测的关键。此次研究采用KJ1073 微震监测系统，具有高精度、宽频、广域的特点，采集岩石破裂和错动时发出的微地震波信息，多算法自动P 处理后，获得每一次微震动的准确位置及震源参数，用微震“时空簇”理论的方法描述突水通道形成的空间位置及其形状，分析其与煤层底板破坏范围之间的相互关系，为底板水害防控提供参考。

2.2 微震监测系统布置

依托平禹一矿二1-15010 工作面微震监测系统，在地面搭建平禹一矿微震监测平台，包括微震数据处理服务器、微震授时服务器、专业数据处理及微震事件三维展示软件等，如图1 所示。系统平台将微震数据、分析结论、地质图形、微震图像等多种媒体有机地结合在一起，通过系统累计监测数据的深度挖掘对比，提高水害信息的利用率。

图1 平禹一矿微震监测平台Fig.1 The microseismic monitoring platform of Pingyu No.1 Mine

在井下布设微震数据采集系统，如图2 所示。利用现有巷道条件，采用两巷道交叉非对称布置检波器，两条巷道各布置8 个检波器，相邻间距120 m，构成微震信号接收阵列，有效监测检波器阵列周围400 m 范围内的岩体破裂信号，重点采集开采煤层一定范围内采、掘活动引发的地下水运动异常，包括裂隙冲扩、破岩形成的微震事件。以（x,y,z） 为震源坐标，t 为不同检波器接收震动波的初至时刻，因此需要至少要4 个检波器同时记录到震源振动的波形信号才能求取震源参数。

图2 二1- 15010 工作面微震监测阵列布置Fig.2 The arrangement of microseismic monitoring array in No.II1-15010 Face

系统安装成功后，采用“人工诱震”方式进行调试，保证其监测精度。在已知点位施放校正炮，收集到波形后，首先对检波器接收顺序进行验证，保证通道正确，然后拟合震点坐标与每个检波器的距离和波形的初至时间，得到适用于二1-15010 工作面的分层波速文件，均匀波速为5 000 m/s，最后调整系统定位参数，确保校正后定位误差为5 m。经测试，二1-15010 工作面微震监测系统能够对监测区域的破裂震源进行有效定位分析，满足了工作面回采期间底板水害监测的要求。

3 工作面微震事件分布特征

3.1 微震活动层位分布特征

平禹一矿二1-15010 工作面微震监测周期为2021 年4 月5 日～2023 年1 月1 日。回采监测期间微震事件共计28 749 个，日均45 个，见表1。根据震源发生地层分布统计，顶板事件15 568 个，占总事件54.2%；底板事件13 181 个，占总事件45.8%。岩层微破裂空间集中发育在二1 煤顶0～16 m、二1 煤底- 太原组上段灰岩。监测期间无太原组下段灰岩以深微震事件发生，表明煤层底板与寒武系灰岩之间没有导水通道形成，可安全回采。

表1 回采期各层位事件统计Table 1 The statistical table of each horizon event in mining period

3.2 底板破坏深度实时监测

基于微震监测技术，实时、连续捕捉底板下伏岩体微破裂信号时空变化，分析底板破坏带的发育情况，判断底板下方灰岩水是否入侵以及导水通道是否形成。底板破坏范围随着回采的推进而不断滑移，尤其是周期来压时，巨烈的动压造成底板扰动深度加大。根据不同深度范围内事件集中度，结合煤层底板微震事件剖面图来确定底板破坏深度以及应力扰动范围，如图3 所示。整个监测周期共监测到底板微震事件13 181 个，其中二1 煤底- 太原组上段灰岩范围内8 032 个，占总底板事件80%，且集中在距离二1 煤底板0～20 m。

图3 监测期底板事件剖面示意图Fig.3 The profile of floor event during the monitoring period

煤层采动造成矿山压力以压剪切作用破坏煤层底板，原生裂隙持续发生扩展、演化，平均深度为20 m。推采至退尺200～400 m 段，微震活动增强，岩层间裂隙互相贯通，底板岩体破坏深度逐渐加深至平均25 m。退尺500 m 后，微震活动平静，底板破坏深度减小至14 m，并主要集中于工作面内。

统计煤层底板不同深度微震事件频度，如图4所示。底板深度0～32 m 层段事件占比0.854，且底板下16～20 m 范围内事件数量下降明显、低于变化均值。底板下32 m 以深微震事件零星出现，不具有底板破坏带的密集发育特征。基于微震监测技术的底板采动破坏深度微震实时获取的一般模式，选取正常影响区范围微震事件，确定二1-15010工作面回采底板破坏深度为14～16 m，最大应力扰动范围为二1 煤底板下28～32 m。

图4 底板不同深度频次变化Fig.4 The number variation of microseismic events at different depths of the floor

3.3 合理回采速度确定

工作面煤体采出量的速度，关系到上覆岩层断裂周期及围岩稳定性，研究推进速度与微震活动特征的关系，以确定工作面合理推进速度，达到有效防控底板突水的目的。

如图5 所示，选取2021 年10 月至2022 年10月推进速度与微震活动数据，根据推进速度将该面的推进情况分为两个部分。

图5 工作面推进与微震事件频次关系Fig.5 The relationship between working face advance and number of microseismic events

第一部分2021 年10 月至2022 年5 月。该阶段二1-15010 工作面的推进速度较慢，日均回采速度1.2 m，对应的微震事件频次较低。推进度保持小幅度变化时，煤岩体能量处于积聚状态，达到一定程度后，能量突然释放，产生大能量事件的概率增大，不利于安全生产。

第二部分2022 年5 月至2022 年10 月。该阶段内二1-15010 工作面推进较快，日均回采速度1.6 m，单日事件频次较上一部分整体下降约40%。能量较大的微震事件一般是在推进度变化较大时发生的。围岩破坏释放的总能量随工作面的推进有所增加，但是并没有单次大能量发生。分析原因，对于二1 煤与二3 煤分层开采，二1 煤顶板已释放过一部分应力，由于回采速度较快，煤岩体应力聚积期短，除来压位置能量释放急剧增加外，其他时刻能量释放较为平稳，有利于顶板管理。

因此，从微震活动角度考虑，二1-15010 工作面日退尺合理范围在1.5～1.8 m。

3.4 超前应力破坏规律

微震事件密集发育位置反映岩层破裂场及超前支撑应力场位置。根据微震数据可知，工作面来压往往伴随着岩层破裂场显著发育，如图6 所示。采线前平均60 m 范围内微震事件密集程度高，表明工作面的顶、底板产生大量的原生裂隙，且裂隙间已有相互贯通趋势，这些原生裂隙在超前支承应力影响下活化运动。而采线前方60 m 以外的微震事件分布呈现分散趋势，这些微震活动就属于微破裂，尚未形成有效裂隙，属于超前支承应力影响范围。

图6 岩层破裂场与微震事件关系Fig.6 The relationship between rock fracture field and microseismic events

根据微震监测和理论分析的结果，认为二1-15010 工作面的超前支承应力主要集中在超前工作面0～60 m，最大影响范围为120～150 m。

4 结 论

（1） 构建平禹一矿微震监测系统，对二1 煤工作面回采期间底板岩体微破裂变化进行实时监测，分析得出采动诱发煤层底板产生具有时空聚集特征的、采场来压显现相吻合的微震活动。

（2） 微震监测系统采集、处理、确定微震事件分布，形成底板连续微破裂分布规律，可分析微震频次和围岩累计破坏，确定二1-15010 工作面回采底板破坏深度为14～16 m。

（3） 通过分析微震活动与回采速度的关联性，提出二1-15010 工作面日退尺合理范围为1.5～1.8 m，且二1-15010 工作面的超前支承应力范围为0～60 m，为安全回采提供参考。