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，在工作面建立微震监测系统和电法监测系统，用于监测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，更好的为煤层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。
1、简介
1.1 监测原理
1.1.1电法监测原理
顶、底板突水是一种复杂的地质及采动影响现象，是煤层顶、底板含水层水冲破隔水层的阻隔，以突发、缓发或滞发的形式进入工作面，导致矿井涌水量成倍增加，甚至会造成淹井事故。常规防治水探查主法是以物探方法为先导，钻探、巷探等基础地质手段配合，采用矿井直流电法、矿井瞬变电磁法、无线电波透视法、矿井高分辨地震勘探等探测技术在采前对顶、底板突水水源或通道进行探测。然而，采掘活动会对围岩产生破坏，形成新的裂隙，地下水会沿裂隙不断运动，只有在采中和采后连续观测地下介质电性变化才能实现突水预警预报。
随着煤层回采工作面的不断推进，顶、底板岩层将经历超前应力压缩、采后顶板悬空底板卸压受损膨胀、后期顶板垮落压实3个阶段。工作面正常采掘过程中，顶、底板岩层连续遭受破坏，岩层内部出现一系列的裂隙，形成导水通道。位于切眼前方的压缩区，压力增强，岩层被压缩，使得该区域岩石的电阻率与围岩相比有所降低，但是降低的幅度较小。在切眼附近形成过渡区，其岩石电阻率有所减小或不变。采场后方形成的膨胀区，由于该区域正处于减压区，岩层由原来的压缩状态变成膨胀状态，遭受破坏，产生大量的裂隙，使得该区域岩石电阻率数倍增加，当裂隙中含水时，电阻率将数倍下降；由于顶板发生冒落现象，膨胀区内的一部分底板被重新压实，使得该区域由原来的膨胀状态变成重新增压状态，岩石被重新压实，电阻率与围岩相比有所降低。因此，采掘过程中岩层遭受破坏的区域之间存在明显的电性差异，说明利用电阻率的变化监测岩层动态破坏过程是可行的。
1.1.2微震监测原理
微震监测技术可以从岩体变形的最初始阶段开始，跟踪监测岩体内部从单元岩块的断裂到整个岩体失稳的渐进性破坏过程，促进了监测工作的科学性，同时提高了工程与地质灾害预报的准确性和超前性。与传统岩体稳定监测技术相比，微震监测技术的最大优点是可以精确给出岩体失稳的空间位置并使灾害预报提前。因此，技术和管理人员可以有较为充足的时间采取应急措施，避免或极大限度地降低生命和财产损失，提高工作人员以及公众的安全。在图1中，采场上方岩层受采动影响断裂，能量以震动和声波的形式向周围传播，到达预先埋设的多组检波器。由于震源(岩层断裂位置)与检波器间的距离不同，震动波传播到检波器的时间也不相同，因此，检波器上的到时是不相同的。根据各检波器不同的到时差，进行震源定位和能量计算，得到此次岩层断裂的位置和能量(如图2所示)，从而对岩体变形活动的的范围及其稳定性作出安全评价。 煤矿突水微震监测原理:矿井突水是煤矿开采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，微破裂前兆是突水等矿山动力灾害的共性特征，如图3-6所示。程爱平认为煤矿微震事件的空间分布规律与突水危险性存在一定关系，并将微震事件分布在垂直方向上划分为高位异常区、正常影响区和低位异常区，并认为低位异常区即为潜在突水危险区。刘超利用微震监测技术，并借助有限差分FLAC3D方法，研究岩体微震破裂事件的时空演化规律，揭示煤层采动条件下潜在导水通道的孕育、发展和贯通过程，并认为微震事件数一定程度上反映了开采扰动对岩体破坏程度的影响。研究表明：微震监测技术是煤矿防治水和实现突水预警预报的强有力的地球物理监测手段。
1.2 系统简介
1.2.1电法系统构成与功能
KJ1054电法监测系统集国内外煤矿监控技术发展趋势，基于物探方法和技术设备、物联网技术开发的一套软、硬件结合的电法监测系统。用于监测工作面或巷道含水区域的实时变化。该系统通过电法采集设备，实时对井下工作面或巷道进行实时自动采集，采集的数据可以通过井下工业环网或专线传输到上位机软件，上位机软件自动对采集数据进行存储、分析和显示。
KJ1054煤矿电法监测系统应用范围：
(1) 构造、含水层复杂的巷道或工作面；
(2) 研究巷道围岩掘后，含水层变化研究；
(3) 动态监测，实时预警工作面和巷道的含水层变化。
本系统可分为地面和井下两部分，地面系统主要由服务器、PC终端、手机终端组成，配套系统主控软件、数据库软件、数据处理软件、判识软件、APP软件支持下构成完整的数据的处理、发布的信息系统。井下系统包括：KJ1054-F电法监测主机、YDK12矿用本安型电法控制器和YDZ12矿用本安型电极转换器组成。系统构成如图3所示。 KJ1054煤矿电法监测系统通信工作原理：计算机软件发布工作指令，通过矿工业环网传输到KJ1054-F电法监测主机，电法监测主机接收到指令，按照计算机指令开始分配YDK12矿用本安型电法控制器和YDZ12矿用本安型电极转换器控制电极进行发射采集工作。
本系统的主要功能有：
(1)基于工作面电法监测，在工作面回采前动态监测煤岩体、含水层电阻率的变化，同时圈定局部富水异常区，为评估注浆效果提供依据。
(2)在回采过程中动态获取工作面地层四维电阻率数据体，评估富水异常区的变化。
(3)实现局域网、城域网、互联网相通，支持各级部门以S\B模式实现数据查询、显示、数据推送。支持“三屏”可视化，即调度室LED大屏集中显示、用户电脑PC屏显示、移动终端(手机、PAD)显示。
(4)报警方式多样化：短信、手机APP消息推送、服务器声光提示，也可同时通知。
本系统的主要特点有：
(1) 集发射、接收功能于一体，体积小、重量轻；
(2) 大功率、宽量程、高精度，可以更好的应用于高阻地区工作；
(3) 支持分段分布式高密度测量；
(4) 智能化管理电极编号，监测测量方便、灵活；
(5) 支持电阻率和极化率测量；
(6) 采用转换器控制电极，采集距离长；
(7) 通信布线灵活，可支持485通信，以太环网通信，光纤电缆通信；
(8) 实时监测，自动采集，一次布线，主机自动执行计算机指令，实时采集监测数据，分析监测情况。
1.2.2微震系统构成与功能
KJ1465矿用微震监测系统一般可以采用集中式和分布式两种布置方案，分别用于单个采场和整个矿井区域的监测。KJ1465矿用微震监测系统的检波器选用高灵敏度、宽频带的震动传感器，可以监测包含低频、中频、高频的各种岩层震动等信息，再由具有多功能的微震事件后处理软件展示和解释后为工程技术人员提供信息。在信号传输方面，KJ1465矿用微震监测系统采用了先进的电缆+光纤传输技术，光纤传输距离：单模，1310nm，最大传输距离10km，满足大型矿井的信号传输要求，监测范围也大大增加。此外，井下震动信号实时传输到地面计算机(监控、处理)后，经过自动(手动)定位、平面、剖面展示，可以清楚的了解井下微震事件的位置、能量，提供科学可靠的有用信息。
KJ1465矿用微震监测系统结构如图4所示，安装在测区内的微震检波器接收震动信号，传输至微震监测分站，通过光缆或环网将信号传经由地面光端机传输至数据采集、数据存储及处理主机(计算机)，数据处理将对信号进行二次滤波、降噪处理，并进行微震事件的定位分析与多方位展示。 2、监测系统布置
2.1电法监测系统布置
某工作面监测区域位于某回风巷、某进风巷之间的未回采区域，利用某回风巷、某进风巷布置分布式电极传感器，实现对工作面内底板岩层裂隙发育及富水性变化电阻率异常动态监测与分析。
分布式电极传感器和电法控制器均通过电极专用大线连接至巷口监测分站位置与监测分站位置相连，并通过RS485总线和以太网信号转换器连接井下环网交换机，将信号传输至地面的服务器，由电法监测系统处理软件进行数据分析，并编制出相应的成果报告。
电法监测系统图见图5。 2.2微震监测系统布置
某工作面监测区域位于某回风巷、某进风巷之间的未回采区域，利用某回风巷、某进风巷布置拾震传感器，实现对工作面内底板岩层微震动态监测与分析。拾震传感器通过通讯线缆连接至采区变电所与微震监测分站位置相连，微震监测分站连接井下环网交换机，将信号传输至地面的采集服务器，由处理服务器进行数据分析，并编制出相应的成果报告。
微震监测系统图见图6。 3、案列分析
某煤矿某工作面直接顶砂岩含水层富水性不强，对回采影响不大，回采时受底板奥灰承压水威胁，底板为重点监测对象。在某工作面回采期间采用微震与电法监测方法，对工作面回采期间底板破坏及充水情况进行实时监测、综合分析，防止裂隙和隐伏构造导通底板含水层出水，确保工作面安全回采。
(1)对测线控制区域内的工作面底板100m范围内导水裂隙在采掘活动影响下的发育情况及富水性情况进行连续动态监测；
(2)对测线控制区域内的工作面底板富水性变化进行评价；
某工作面微震与并行电法监测范围位于某工作面停采线向切眼方向310m范围，如图7所示。 3.1综合分析
3.1.1底板导水裂隙及富水性成果分析
根据某工作面电法监测成果，回采期间，以下将底板相对低阻异常区的微震响应进行分析。从底板微震事件平面展布及视电阻率相对低阻区域分布来看，如图8。
靠近进风顺槽侧退尺1400～1490m、1530～1570m范围底板28m范围内第一、二、三砂岩含水层范围微震事件分布区域与视电阻率相对低阻区范围重合，具有一定的对应性，其他区域微震事件数量及发育深度和视电阻率相对低阻区视电阻率值及发育范围较小；靠近回风顺槽侧退尺1460～1510m、1550～1660m范围底板28m范围内第一、二、三砂岩含水层范围微震事件分布区域与视电阻率相对低阻区范围重合，具有一定的对应性，其他区域微震事件数量及发育深度和视电阻率相对低阻区视电阻率值及发育范围较小。 工作面回采过程中，低阻异常区域为工作面回采进入构造后阶段，微震事件较聚集，经过底板低阻异常区期间有2煤到6煤顶事件发育，但均未监测到6煤以深事件，未发现异常，底板破坏较浅，揭示回采扰动对低阻异常区影响较小，存在一定程度的底板导水裂隙带发育及富水性，底板100m范围在回采扰动下未形成垂向导水通道，工作面安全回采。
3.1.2工作面底板富水性变化分析
工作面监测过程中，随着工作面回采，通过微震事件的时空演化规律，及相对低阻异常区域变化对工作面底板富水性变化进行分析。
进风顺槽工作面(2023年7月19日～2023年7月31日)底板第一～四含水层范围退尺1250～1440m为相对低阻区且有微震事件分布，工作面底板微震事件发育最大深度30m，相对低阻异常区最大深度65m；2023年8月1日～2023年8月31日，底板第一～四含水层范围退尺1320～1380m相对低阻区范围缩小且有微震事件减少，工作面底板微震事件发育最大深度30m，相对低阻异常区最大深度100m；2023年8月31日～2024年1月19日，底板第一～四含水层范围退尺1380～1540m相对低阻区范围缩小，微震事件增加但无明显聚集，工作面底板微震事件发育最大深度35m，相对低阻异常区最大深度60m；回采扰动下工作面底板含水层富水性从变弱，工作面安全回采。 回风顺槽工作面(2023年7月19日～2023年10月27日)底板第一～四含水层范围退尺1310～1400m无明显相对低阻区，微震事件零星发育，工作面底板微震事件发育最大深度38m，相对低阻异常区最大深度85m；2023年10月27日～2023年11月28日，底板第一～四含水层范围退尺1310～1420m相对低阻区范围增加，微震事件数量增加，且相对集中，但发育深部较浅，工作面底板微震事件发育最大深度27m，相对低阻异常区最大深度80m，此区域为后面重点关注和监测部分；2023年11月29日～2024年1月19日，底板第一～四含水层范围退尺1310～1420m相对低阻区范围逐渐缩小，微震事件较少，分布范围较分散，工作面底板微震事件发育最大深度25m，相对低阻异常区最大深度100m；回采扰动下工作面底板含水层富水性由弱变强再变弱，对巷道掘进影响较小，工作面安全回采。 3.1.3地质异常综合分析
矿井深部地质异常体是煤矿生产的重大安全隐患，常见的地质异常有采掘过程中揭露(或隐伏的)断层、陷落柱、煤岩体破碎带、老巷、岩浆岩侵蚀、顶板砂岩直覆及冲刷带等。其中断层是影响煤矿开采的重要地质因素，断层破坏了岩层的连续性和完整性，导致其周围的应力分布差异性大。影响某工作面回采的主要地质异常为断层构造，F22、F某-3断层附近出现低阻异常且有微震事件分布。
靠近进风顺槽侧异常区位于工作面退尺1590～1680m、靠近回风顺槽侧异常区位于工作面退尺1520～1270m，通过微震事件的时空演化规律及低频视电阻率异常区变化，F22、F某-3断层附近出现低阻异常且有微震事件分布，揭示在该区域岩体较破碎，在回采扰动下底板破坏，但未突破奥陶系灰岩水，工作面断层含水性较小，未发现构造活化及地下水活动异常。
以上异常区域为停采线后方，工作面回采末期，回采扰动相对较小，底板破坏较浅。 4、结论
(1) 2215工作面微震电法监测预警工程项目监测周期为2023年7月19日至2024年2月21日，共计217天。共提供日报199份；
(2) 监测周期内，测线控制区域进风顺槽回采扰动下工作面底板含水层富水性从强变弱，回风顺槽回采扰动下工作面底板含水层富水性由弱变强再变弱；
(3) 监测过程中通过监测隐伏导水构造和裂隙薄弱带，未发现回采工作面深部地下水活动异常，工作面底板含水层富水性较弱，未发生出水；
(4) 监测周期内未出现由深至浅扩散性低阻异常形态、电阻率突变区域，未出现突水风险异常变化，未发布重要预警。项目运行期间持续跟踪工作面回采过程中实际情况，未出现水害征兆，与监测结果一致。
5、总结
(1) 采用监测的手段，通过井下采集系统和井上控制系统，实现采集系统自动实时采集，持续性采集与监测；
(2) 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；
(3) 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；
(4) 采用微震监测和电法监测两种方法进行监测，两种方法相互验证，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。