摘要：煤层底板灰岩承压含水层是工作面回采的重要充水水源，是威胁工作面安全回采的主要充水因素之一，采用有效的监测手段对工作面回采过程中底板灰岩承压水进行水害监测，是目前煤矿安全生产的重要课题。文章以安徽某矿1613A工作面、1414A工作面底板微震监测系统、电法监测系统为依托，通过分析两种系统在工作面回采过程中对底板灰岩含水层的持续性监测数据，并对两种监测方法在两者之间的关联性进行全面分析研究，探索两者之间的相互作用和彼此影响，提高系统间的耦合度，从而更好的服务于矿井灰岩突水预警监测。
关键词：微震监测、电法监测、回采工作面、水害预警
1、前言
根据《煤矿防治水细则》第九条：“受底板承压含水层水威胁的水文地质复杂、极复杂矿井，应当采用微震、微震与电法耦合等科学有效的监测技术，建立突水监测预警系统，探测水体及导水通道，评估注浆等工程治理效果，监测导水通道受采动影响变化情况。”
为保障工作面安全开采，某矿在某工作面回采前已分建立微震监测系统和电法监测系统，分别用于监测某工作面回采过程中采动影响对底板灰岩地层裂隙构造的发育情况和含水层富水性的变化情况，按照《煤矿防治水细则》要求，为进一步探索微震与电法监测两个系统之间的关联性，更好的为底板灰岩含水层监测预警服务，需对目前两种监测方法进行耦合性研究。
2、技术原理简介
2.1 微震监测技术
微震是与岩石的力学现象密切相关的，岩石在外界应力作用下产生形变，当能量积聚到某一临界值时，就伴随有弹性波或应力波在周围岩体快速释放和传播，该微震现象产生的微破裂信号通过精密仪器拾取放大和过滤，经过软件计算和分析最终确定微破裂岩体所发生的位置和微震事件的发震位置、时间信息，根据岩石破裂时的时空分布规律可以推断其宏观破裂的发展趋势，判断潜在的灾害活动规律，从而为灾害风险提供预警预报。
2.2 电法监测技术
工作面回采过程中，煤层底板经历周期性的应力变化。当应力在岩石弹性范围之内时，底板岩层发生弹性形变，因岩层受压导致原生孔隙、裂隙减小；当应力超过岩石弹性范围时，底板岩层发生塑性形变，产生大量新生裂隙，甚至导致岩石破碎。应力变化会导致岩石内部结构发生变化，从而导致其导电性能变化。当采动破坏产生的裂隙与地下含水体导通时，岩石电阻率会发生更加显著的变化。可见，岩石电阻率的变化与裂隙发育情况和含水性紧密相关，因此通过监测工作面回采过程中电阻率变化情况，可以对工作面底板破坏情况及水害风险进行评估。
3、应用实例
以某矿1613A工作面、1414A工作面底板微震监测系统、电法监测系统为依托，通过收集、统计与综合分析两种系统在工作面回采过程中对底板灰岩含水层的持续性监测数据，并对两种监测方法在两者之间的关联性进行全面分析研究，探索两者之间的相互作用和彼此影响，提高系统间的耦合度，从而更好的服务于矿井灰岩突水预警监测，实现A组煤工作安全开采，需要围绕以下几个方面开展研究：
(1)完成1613A、1414A工作面采动影响破坏深度以及裂隙发育、构造活化规律分析；
(2)完成工作面底板受采动影响灰岩含水层富水性变化规律分析；
(3)完成1613A、1414A工作面微震监测数据、电法监测关联性分析；
(4)完成微震监测数据、电法监测数据耦合，实现两种监测方法的同步分析、监测和预警。
4、微震与电法耦合性分析
4.1 底板破坏范围耦合性分析
4.1.1 1613A工作面底板破坏范围耦合性分析
根据微震、电法监测数据分析可得出，在工作面回采的影响下，1613A工作面底板微震事件主要聚集在0-20m深度范围内，1613A工作面采线附近底板电法视电阻率在0-20m深度范围内明显升高，1613A工作面底板破坏范围在20m范围内。
微震与电法监测成果耦合性分析以某两日监测的微震、电法监测成果为例进行具体分析：某两日监测的微震与电法监测的成果中，均能清晰反映出工作面破坏范围。
表4-1为工作面底板微震事件数量统计表，图4-1为工作面微震事件分布图。 从表4-1、图4-1中可看出，微震事件分布在A组煤底0-20m深度范围内，表明受超前采动影响，1613A工作面底板破坏深度为0-20m。 从图4-2中可看出，工作面采线附近100m范围内视电阻率随工作面的回采产生变化，底板0-20m深度范围内视电阻率升高，表明受超前采动影响，1613A工作面底板破坏深度为0-20m。
结合1613A工作面某两日监测的微震和电法同步监测的结果综合分析，在超前采动影响下，1613A工作面底板0-20m范围内岩层产生破碎，微震事件聚集，视电阻率升高，1613A工作面底板破坏范围在底板0-20m内。
4.1.2 1414A工作面底板破坏范围耦合性分析
根据前文中微震、电法监测数据分析可得出，在工作面回采的影响下，1414A工作面底板微震事件主要聚集在0-30m深度范围内，1414A工作面采线底板电法视电阻率在0-30m深度范围内明显升高，1414A工作面底板破坏范围在30m范围内。
微震与电法监测成果耦合性分析以1414A工作面某两日监测的微震、电法监测成果为例进行具体分析：微震与电法监测的成果中，均能清晰反映出工作面破坏范围。
表4-2为某两日监测的工作面底板微震事件数量统计表，图4-3为某两日监测的工作面微震事件分布图。 从表4-2、图4-3中可看出，工作面底板微震事件分布在A组煤底0-30m深度范围内，表明受超前采动影响，1414A工作面底板破坏深度为0-30m。
从图4-4中可看出，工作面采线附近100m范围内视电阻率随工作面的回采产生变化，底板0-30m深度范围内视电阻率升高，表明受超前采动影响，1414A工作面底板破坏深度为0-30m。
结合工作面微震和电法同步监测的结果综合分析，在超前采动影响下，1414A工作面底板0-30m范围内岩层产生破碎，微震事件聚集，视电阻率升高，1414A工作面底板破坏范围在底板0-30m内。
4.2 构造活化耦合性分析
4.2.1 1613A工作面构造活化耦合性分析
1613A工作面回采期间微震监测有多条断层响应，其中F22断层位于切眼外侧，在电法监测范围之外，不做微震电法耦合分析。
根据前文中微震、电法监测数据分析可得出，在工作面回采的影响下，当工作面回采至F1611A76断层以及断层带处时，受采动影响，底板岩层破碎，微震事件聚集，视电阻率升高。采动应力对F1611A76断层以及断层带影响较小，断层未产生活化现象，工作面顺利推过断层，对安全开采无威胁。
(1)F1611A76断层响应
微震与电法监测成果耦合性分析以1613A工作面监测周期内部分日期微震、电法监测成果为例进行具体分析：监测周期内部分日期微震与电法监测的成果中，均能清晰反映出F1611A76断层活化状态。
表4-3为工作面底板微震事件数量统计表，图4-5为工作面微震事件分布图。 从表4-3、图4-5中可看出，1613A工作面底板微震事件分布在F1611A76断层附近，深度上A组煤底0-20m深度范围内，表明受采动应力影响，F1611A76断层附近微震事件聚集。
图4-6为工作面底板电法视电阻率剖面图。
从图4-6中可看出，F1611A76断层范围内视电阻率随工作面的回采产生变化，视电阻率由浅至深不断升高，低阻区范围不断减小，表明受采动应力影响，F1611A76断层未产生活化现象。
(2)断层带响应
微震与电法监测成果耦合性分析以1613A工作面监测周期内部分日期微震、电法监测成果为例进行具体分析：微震与电法监测的成果中，均能清晰反映出断层带活化状态。
表4-4为工作面底板微震事件数量统计表，图4-7为工作面微震事件分布图。 从表4-4、图4-7中可看出，工作面底板微震事件分布在断层带附近，深度上A组煤底0-20m深度范围内，表明受采动应力影响，断层带附近微震事件聚集。
图4-8为工作面底板电法视电阻率剖面图。
从图4-8中可看出，断层带范围内视电阻率随工作面的回采产生变化，视电阻率升高，低阻区范围减小，表明受采动应力影响，断层带未产生活化现象。
结合1613A工作面F1611A76断层以及断层带处微震和电法同步监测的结果综合分析，在采动应力影响下，1613A工作面底板0-20m范围内岩层产生破碎，微震事件聚集，视电阻率升高，F1611A76断层以及断层带未产生活化现象。
4.2.2 1414A工作面构造活化耦合性分析
影响工作面回采的边界断层有3条，F1413A77断层、Fs866断层和Fs8014断层。其中F1413A77断层、Fs866断层位于切眼外侧，在电法监测范围之外，不做微震电法耦合分析。
根据前文中微震、电法监测数据分析可得出，在工作面回采的影响下，当工作面回采至近Fs8014断层处时，受采动应力影响，底板岩层破碎，微震事件聚集，视电阻率升高。采动应力对Fs8014断层影响较小，断层未产生活化现象，对安全开采无威胁。
Fs8014断层
微震与电法监测成果耦合性分析以1414A工作面监测周期内部分日期微震、电法监测成果为例进行具体分析：微震与电法监测的成果中，均能清晰反映出Fs8014断层活化状态。
表4-5为工作面底板微震事件数量统计表，图4-9为工作面微震事件分布图。 从表4-5、图4-9中可看出，工作面底板微震事件分布在Fs8014断层附近，深度上A组煤底0-30m深度范围内，表明受采动应力影响，Fs8014断层附近微震事件聚集。
图4-10为工作面底板电法视电阻率剖面图。
从图4-10中可看出，FS8014断层表现为低阻，且相对稳定，表明受采动应力影响，FS8014断层未产生活化现象。
结合1414A工作面FS8014处微震和电法同步监测的结果综合分析，当工作面回采至近FS8014断层处时，在采动应力影响下，1414A工作面底板0-30m范围内岩层产生破碎，微震事件聚集，视电阻率变化较小，Fs8014断层未产生活化现象。
4.3 底板灰岩含水层富水性变化规律耦合性分析
4.3.1 1613A工作面底板灰岩含水层富水性变化规律耦合性分析
根据前文中微震、电法监测数据分析可得出，回采期内，底板微震事件集中发育在A组煤底0-20m范围内，主要位于C3Ⅰ组灰岩之上，电法相对低阻异常区主要集中在50m以浅的1灰~3灰的局部区域，且相对低阻异常区范围减小。结合实际回采资料，整个含水层在工作面回采期间，富水性较为稳定。
微震与电法监测成果耦合性分析以1613A工作面监测周期内部分日期微震、电法监测成果为例进行具体分析：微震与电法监测的成果中，均能清晰反映出1613A工作面底板灰岩含水层富水性变化规律。
表4-6为作面底板微震事件数量统计表，图4-11为1613A工作面微震事件分布图。 从表4-6、图4-11中可看出，工作面底板微震事件分布在A组煤底0-20m深度范围内，主要位于C3Ⅰ组灰岩之上，表明随着工作面回采，1613A工作面底板灰岩含水层富水性较为稳定。
图4-12为工作面底板电法视电阻率剖面图。
从图4-12中可看出，工作面底板监测范围内视电阻率随工作面的回采产生变化，视电阻率升高。表明随着工作面回采，1613A工作面底板灰岩含水层富水性较为稳定。
结合1613A工作面微震和电法同步监测的结果综合分析，随着工作面回采，1613A工作面底板岩层产生破碎，微震事件聚集，视电阻率升高，1613A工作面底板灰岩含水层富水性较为稳定。
4.3.2 1414A工作面底板灰岩含水层富水性变化规律分析
根据前文中微震、电法监测数据分析可得出，回采期内，底板微震事件集中发育在A组煤底0-30m范围内，主要位于C3Ⅰ组灰岩之上，电法相对低阻异常区主要集中在50m以浅的1灰~3灰的局部区域，且相对低阻异常区范围减小。结合实际回采资料，整个含水层在工作面回采期间，富水性较为稳定。
微震与电法监测成果耦合性分析以1414A工作面微震、电法监测成果为例进行具体分析：微震与电法监测的成果中，均能清晰反映出1414A工作面底板灰岩含水层富水性变化规律。
表4-7为工作面底板微震事件数量统计表，图4-13为工作面微震事件分布图。 从表4-7、图4-13中可看出，工作面底板微震事件分布在A组煤底0-30m深度范围内，主要位于C3Ⅰ组灰岩之上，表明随着工作面回采，1414A工作面底板灰岩含水层富水性较为稳定。
图4-14为工作面底板电法视电阻率剖面图。
从图4-14中可看出，工作面底板监测范围内视电阻率相对较稳定，采线附近视电阻率随工作面的回采产生变化，视电阻率升高。表明随着工作面回采，1414A工作面底板灰岩含水层富水性较为稳定。
5、结论
通过在微震与电法耦合监测系统在某矿1613A、1414A工作面的应用以及1613A、1414A工作面实际回采情况，得出如下结论：
1、根据监测成果，1613A工作面底板破坏深度为0-20m，1414A工作面底板破坏深度为0-30m。
2、1613A、1414A工作面回采过断层过程中，微震事件主要集中在断层附近，煤层底板断层影响范围内视电阻率升高，结合实际回采资料，采动应力对断层的影响较小，断层未活化，对安全开采无威胁。
3、1613A、1414A工作面微震事件主要位于C3Ⅰ组灰岩之上，电法异常区位置主要位于C3Ⅰ组灰岩，随工作面的回采，视电阻率升高，结合实际回采资料，工作面底板灰岩含水层富水性较为稳定。
4、微震监测可以通过监测工作面回采过程中微小振动事件的发生，感知导水通道形成过程中的岩石破裂，精细定位处理解释，以对导水通道形成过程进行监测；电法监测可以通过监测工作面回采过程中地电场的变化，分析岩层的电性变化特征，判断岩层的富水性变化，进而达到对底板水害的预警。微震监测，电法监测可从底板岩层导水通道的形成和电性变化两方面反映煤层底板岩层的异常变化，并且相互验证，微震监测与电法监测耦合性较强，具有较强的关联性，具备进行深度耦合研究的价值。
5、微震与电法耦合监测系统符合煤矿井下生产安全要求，监测成果可为煤矿工作面的安全回采提供基础资料，给回采工作提供了地质保障技术，为安全高效回采做出了地质保障作用。
6、结束语
采用微震监测手段对工作面内部进行探测与分析，可实现工作面顶底板破坏的在线监测以及导水通道从孕育、发展到最终失稳全过程描述。电法监测可以实时在线监测采动过程中煤层顶、底板视电阻率的变化，结合微震监测结果，可以分析围岩破坏范围和含水体是否导通等。采用微震监测对微震动动力事件监测、采用电法监测对顶底板电性变化惊醒监测，通过双重物性差异变化进行综合分析，并结合理论计算加以验证。依托先进的动态监测技术及材料工艺，丰富和完善了煤矿开采工作面地质属性信息，为了进一步对煤矿井下进行空间定位和场景重构。
该系统实现地电场与地震场的耦合监测，得到微震事件与地电事件的时空分布，可融合三维地质建模，具备微震波场、自然电场及电阻率时空分布规律可视化，解决各类地质工程问题。