基于微震与数值模拟的区域改造煤层底板破坏演化机理研究

余国锋 ，韩云春 ，任 波 ，徐一帆 ，樊建勋 ，王 伟

（1.平安煤炭开采工程技术研究院有限责任公司，安徽 淮南 232000；2.深部煤炭开采与环境保护国家重点实验室，安徽 淮南 232000；3.紫光软件系统有限公司，北京 100083）

由于石炭二叠系煤层下的奥陶系灰岩水深度大、水压高、含水量丰富，所以受奥灰水威胁的矿井，一旦底板采动破坏带与承压水导升带贯通，工作面突水危险性极高。注浆作为加固岩体手段常被用于底板水防治[1-6]，注浆效果的好坏取决于注浆层位、扩散路径及注浆扩散半径[7]。根据底板岩层的力学特点，钱鸣高等提出了底板关键层理论[8]。针对煤矿底板注浆，同样存在注浆关键层，高压浆液从注浆关键层出发扩散，注浆扩散半径的大小受原位地质条件以及注浆压力、注浆设备和注浆材料等工艺参数影响[9-11]；注浆扩散半径的大小直接关系到注浆及水害防治的效果。已有研究表明，底板区域注浆改造效果与底板破坏深度有一定相关性[12-13]。微震监测作为分析岩体破裂的1 种手段常被用于研究底板破坏深度[14-15]，但难以直接反映注浆前后底板力学特征的变化；数值模拟可以较为灵活的模拟不同地质力学参数对底板破坏深度的影响，但其力学参数需要实际监测的校验。微震监测和数值模拟可以相辅相成，联合分析底板区域注浆改造效果与底板破坏深度[16-18]。因此，以淮南矿区潘二煤矿区域注浆改造底板为研究对象，结合数值模拟和微震监测数据，分析煤层底板的破坏深度演化规律及区域注浆效果；尝试通过对比注浆前后的底板破坏差异性，揭示注浆加固底板在承压水及采动应力双重作用下的抗破坏特征；为区域注浆底板的防治水害效果提供一种评价方法。

1 底板区域注浆改造工程概况

1.1 潘二煤矿水文地质概况

潘二煤矿位于安徽省淮南市潘集区境内，隶属淮河能源煤业分公司。井田东西走向长约11 km，南北宽约1.3～3 km，面积19.651 8 km2。井田位于淮河冲积平原，地形平坦，地面标高为+20.5～+22 m。12123 工作面位于潘二煤矿一水平西二采区，东起西二A 组煤采区上山，西以DF14断层为界，北沿12223 回风巷掘进，南以设计标高为准。上限标高为-435.6 m，下限标高为-508.1 m。下阶段1223 工作面已收作，上覆14124、12124、12224工作面均已回采。工作面可采走向长1 003 m，倾斜长221 m。可采储量约143.7 万t。该块段煤层倾角3°～22°，平均10°。12123 工作面回采期间将揭露断层27 条，地质条件较为复杂。根据采掘资料、地面钻孔及三维地震资料，影响12123 工作面的充水因素主要有太原组灰岩岩溶水、顶板砂岩裂隙水、断层水、钻孔水及老空水。其中最为严重的是底板以下130 m 处的奥陶系灰岩水，水压高达5.9 MPa，2017 年该矿因误揭陷落柱曾导致底板突水，因此，矿区底板治理势在必行。潘二煤矿地层柱状图如图1。

1.2 12123 工作面底板区域注浆改造情况

高压注浆钻孔布置平面如图2。累计注浆15 526.62 t，进行62 次压水试验，终孔注浆压力为9.1 MPa。

图2 注浆钻孔施工布置平面图Fig.2 Layout plan of grouting drilling construction

为了实现对12123 工作面底板区域注浆全覆盖以及邻近12223 工作面底板注浆部分覆盖，矿区对此进行探查治理，根据相关内容，综合考虑注浆岩层及其相邻岩层的可注性，采用C3-5 灰岩层为注浆岩层。注浆治理平面面积408 084 m2，地层倾角15°，治理斜面面积为422 480 m2。

2 区域注浆扩散半径

根据现场观测结果，太灰岩层的可注性一般，经注浆后的探查治理未发现导水通道，但存在少量的漏浆现象。通过高压注浆区域改造，工作面底板裂隙带被水泥充填加固，使得“下三带”中的完整岩层带得以加大，增加隔水层厚度，有效阻挡了承压水导升带与工作面的联系，进而达到了良好的注浆效果，完成煤矿防治水任务。依据潘二煤矿西二采区12123 工作面底板灰岩水治理勘察及施工报告，底板区域注浆的扩散半径设计为30 m。注浆过程中可能存在跑浆、串浆和地质异常体等非设备故障引起的注浆异常：①跑浆：是指浆液未按设计程序渗透至指定位置，主要包括跑浆至采空区或巷道等其他区域，其后果不仅浪费浆液，而且严重影响井下开采作业；②串浆：是指未渗透至指定区域，而是渗透至其他钻孔，包括串浆至地面定向孔或井下探放水口孔，造成其他钻孔堵塞，重者导致钻头发生卡钻事故；③地质异常体：为治理目标，不会影响注浆效果，但是会对实际的注浆扩散半径初评产生一定的误差。因此，综合考虑跑浆、串浆和地质异常体等注浆异常情况，针对注浆扩散半径为25、30、35 m 的情况，进行底板破坏深度分析。

3 12123 工作面底板破坏数值模拟

3.1 顶底板岩石力学参数

采用FLAC3D数值模拟软件进行12123 工作面底板破坏深度模拟分析。根据工作面底板注浆前后钻孔取心，对其岩石样品进行力学性质实验，认识到注浆后砂岩段与灰岩段的力学参数约为注浆前的1.36 倍，泥岩层段由于隔水性强、可注性低，因此其力学参数整体变化不大；注浆涉及浆水驱替，注浆前后对岩体的密度影响较小，故在数值模拟中岩层密度保持不变[19-21]。注浆前后岩石力学参数表见表1 和表2。

表1 注浆前岩石力学参数表Table 1 Rock mechanical parameters before grouting

表2 注浆后岩石力学参数表Table 2 Rock mechanical parameters after grouting

3.2 注浆前后底板破坏规律

首先基于表1 的岩石力学参数，构建12123工作面回采过程三维地质力学模型。潘二煤矿12123 工作面走向长度为1 000 m，工作面倾向长度为221 m。因此，将FLAC3D模型中的x轴设置为600 m（走向），y轴设置为500 m（倾向），z轴设置为310 m（深度）。该模型开采步长为10 m，基于上覆岩体重力等因素影响，设置垂直向下应力szz=8.62 MPa，同时赋予奥陶系灰岩水水压为4.5 MPa，水压随岩层深度呈现梯度增加。未注浆底板的破坏深度情况如图3。

图3 工作面推进300 m 未注浆底板破坏深度图Fig.3 Schematic diagrams of simulation of working face advancing 300 m without grouting

由图3 未注浆底板的破坏情况可以看出，底板破坏的原因：①奥陶系灰岩水水力压裂导致底板破坏；②受开采扰动及覆层重力影响，底板岩体发生损伤破裂，进而加大了底板“下三带”中的底板裂隙带的深度。根据模拟的结果，底板破坏带深度高达45 m，该破坏深度已可沟通太灰含水层，如果有不良地质构造，则极易进一步导通至下覆奥灰层。

对注浆扩散半径为25、30、35 m 底板破坏情况进行数值模拟，相应的模拟结果如图4～图6。

图4 工作面推进300 m 底板注浆扩散半径25 m 模拟图Fig.4 Schematic diagrams of 25 m simulation of grouting diffusion radius of 300 m in the working face

图5 工作面推进300 m 底板注浆扩散半径30 m 模拟图Fig.5 Schematic diagrams of 30 m simulation of working face advancing 300 m bottom grouting diffusion radius

图6 工作面推进300 m 底板注浆扩散半径35 m 模拟图Fig.6 Schematic diagrams of 35 m simulation of working face advancing 300 m floor grouting diffusion radius

由图4～图6 可以看出：随着注浆扩散半径的逐渐增加，底板破坏深度也在逐渐减小：当注浆扩散半径为25 m 时，底板破坏深度为37 m；当注浆扩散半径增加至30 m 时，底板破坏深度减小到了23 m；最后将注浆扩散半径设置为35 m 时，底板破坏深度只有18 m。通过底板破坏深度可以看出，底板区域注浆，除了对底板岩层的隔水性进行改造，对底板岩层的完整性影响明显，注浆扩散半径与底板破坏深度成负相关性。

4 基于微震的底板破坏特征分析

4.1 微震监测系统布置方案

潘二煤矿12123 工作面采用加拿大ESG 微震监测系统，根据现场勘测和巷道实际情况，选择了上下底抽巷作为传感器的安装巷道，工作面上下底抽巷的落差约为30 m，最大可达48 m，为建立立体空间监测网创造了有利条件。12123 工作面微震监测布置如图7。

图7 12123 工作面微震监测布置平面图Fig.7 Layout plan of microseismic monitoring at 12123 working face

工作面内布置18 个测点，具体为上下底抽巷内各布置9 个测点。在距离12123 上底抽巷联巷约206 m 处（距离工作面开切眼约156 m）布置第1个传感器测点，而后每间隔100～112 m 布置1 个；在距离12123 上底抽巷联巷约260 m 的下底抽巷布置第10 个传感器测点，而后每间隔100～115 m布置1 个，以保证对回采工作面底板岩层的微震活动性全覆盖监测。

4.2 基于微震监测数据的底板破坏深度

12123 工作面微震数据选取2020 年12 月10日至2021 年4 月12 日共计7 514 个有效微震事件，其中顶板微震事件5 634 个，底板微震事件1 880 个。受12123 工作面开采扰动及爆破影响，2020 年12月10 日至2021 年4 月12 日处于开采高峰期，底板微震事件数量多，能量大，岩体破裂严重，底板破坏带迅速发育，进而影响底板破坏深度。微震事件分布和微震事件密度云图如图8。

从图8 中可以看出，由于开采进度较快，该阶段微震事件处于高密度状态。该阶段底板高密度微震事件距离地面-440～-445 m。由于12123 工作面的平均标高为-470 m，因此，根据微震事件的空间分布，推算底板破坏深度在25～30 m 之间。

为进一步增强统计意义、增加可信度，利用SPSS 统计学软件对监测的微震数据基于事件频次进行分析，得出事件频次较大的数据组：将2020年12 月10 日至2021 年4 月12 日微震监测底板破裂数据运用SPSS 统计软件进行统计分析，统计范围为煤层底板以深（底板下0～80 m），底板破坏深度聚类分析示意图如图9。

图9 底板破坏深度聚类分析示意图Fig.9 Schematic diagram of floor failure depth cluster analysis

根据图9，分析研究出底板破坏深度在23～30 m，与图8 微震事件密度云图中所对应的25 m 左右相对应。进一步结合数值模拟结果，可以认为实际底板区域注浆扩散半径平均应为25～30 m。

4.3 注浆底板与非注浆底板微震数据特征对比

为了进一步分析注浆对底板改造的影响，将潘二煤矿12123 工作面的微震监测数据，与未经过注浆改造的张集煤矿1612A 工作面微震监测数据，进行对比分析。二者具有可比性的前提条件为：①2 个工作面同处同一矿区，顶底板地层条件，包括岩性、岩心分布等均类似，底板承受相同的太灰水和奥灰水威胁；②2 个采场分别于2019 年和2020 年采用同一套微震设备监测；③微震数据的对比分析只针对相对值比较（绝对值还受回采进尺、采高等影响）；④同时只针对2 个工作面的完整底板段（不受断层等构造影响）。

底板破坏类型及占比统计对比图如图10。

图10 底板破坏类型及占比统计对比图Fig.10 Statistical comparison of types and proportions of floor failure

进行对比如下:

1）底板关键层的微震事件占比。潘二煤矿12123 工作面底板以下30～60 m 范围内的微震事件占底板微震事件总数的31.96%；张集煤矿1612A工作面底板以下30～60 m 范围内的微震事件占底板微震事件总数的42.22%。说明注浆治理增强了岩石的强度参数，减少了微破裂事件的产生。

2）底板损伤/破坏类型及其比例。根据微震监测数据的阈值(ES/EP)，每个微震事件都会发射弹性波，包括压缩波（P 波）和剪切波（S 波），MS 事件的S 波和P 波能量比（Es/Ep）可以用于确定岩石破裂机制、判别岩层破坏单元的破坏类型。ES/EP大于10 的事件通常与断层滑动或剪切有关，ES/EP小于3 的事件与岩石的拉伸破坏有关，ES/EP在3～10 之间的事件通常被认为岩石的拉剪混合破坏[22]。潘二煤矿12123 工作面底板岩体发生剪破坏的点有916 个，发生拉破坏的点有126 个，发生拉剪破坏的点有838 个，其中拉破坏占比仅为6.7%，拉剪破坏占比为44.57%，而剪破坏所占比重最大，为48.72%；而未注浆的张集煤矿1612A 工作面底板的拉破坏占所有破坏单元数的24.14%。可以看出，正是由于底板岩层经注浆治理后，注浆岩层的抗拉强度明显提升，所以底板拉破坏占比降低，破坏类型主要以直接底和邻近直接底的剪切破坏为主。

5 结 语

1）综合考虑跑浆、串浆和地质异常体等对注浆扩散的影响，模拟得到注浆扩散半径分别为25、30、35 m 时底板破坏深度分别为37、23、18 m，注浆除了对底板岩层的隔水性进行改造，对底板完整性影响明显，注浆扩散半径与底板破坏深度成负相关性。

2）基于微震监测和数值模拟数据相结合的分析，认为12123 工作面完整底板区的平均破坏深度约为25 m；底板区域改造注浆实际扩散半径平均约为25～30 m。

3）基于不同工作面底板微地震事件及破坏类型对比分析，认识到注浆底板关键层的微震事件总数有明显降低，且拉伸破坏占比降低。从统计数据角度进一步说明注浆除了对底板岩层的隔水性进行改造，亦对底板岩层的强度参数进行了调控，进而改变了底板岩层的破坏特征。