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| 某矿工作面微震监测探测成果 |
前言
某矿某工作面开采受底板灰岩岩溶水水害威胁，为全面有效监测工作面回采期间底板采动破坏带对灰岩含水层的影响及地层应力变化，实现水害实时监测预警，提升工作面回采的安全可靠性，某矿根据《安徽省煤矿防治水和水资源化利用管理办法》要求，委托招投标中标单位福州华虹智能科技股份有限公司（以下简称“华虹公司”）开展某工作面底板水害微震监测工作。
一、项目概况
1、目的和任务
（1）监测某工作面回采期间，底板灰岩一定范围内隐伏导含水构造、裂隙薄弱带发育等水文地质异常。
（2）监测工作面地质异常体及突水危险地段，并进行评价。
（3）对某工作面回采期间顶、底板“三带”发育规律进行总结、评价。
（4）负责工作面日常的微震监测数据的处理、解释工作。
（5）系统安装调试前，乙方技术服务人员到矿驻点，积极完成系统安装调式并与矿方进行密切技术交流；系统正常后，乙方技术服务人员根据矿方需要及时对采集分站及服务器进行维护。
2、工作面概况
井田为全隐伏式井田，区内地层由老至新分别有寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、新生界（第三系、第四系），其中二叠系山西组和上、下石盒子组为区内主要含煤地层。
某工作面煤(岩)层产状：25～48°∠4～35°。在倾向上呈一单斜构造，走向上发育背斜构造，轴向东西，斜切工作面，影响范围：200m×127m（走向×倾向）；工作面内发育断层14条，其中回采范围内发育13条断层，断层落差≥2m的3条，最大落差2.5m；DF13断层（H=12.5-24.5m）为边界断层，不在回采范围内。工作面圈定1个坑透异常区。
1#坑透异常区：断层影响异常区，发育10条断层，落差大于等于2m的3条，预计影响范围210m×124m（走向×倾向），影响程度H＜1煤厚，对回采影响较大，尤其对工作面初采初放影响很大。
工作面主要水害为顶板砂岩裂隙水、底板灰岩岩溶水、工作面采空区积水。
二、矿井水害微震监测技术
1、微震监测系统布置
某煤矿某工作面监测长度540 m，为了全面有效监测工作面回采期间底板采动破坏带对灰岩含水层的影响及地层应力变化，设计微震监测检波器16个、分站1个。监测阵列布置采用全包围式布置，某下顺槽布设 6个微震检波器，下顺槽底抽巷布设4个微震检波器，上顺槽布设6个微震检波器。测点间距85m。工作面两顺槽检波器安装在工作面底板，底抽巷检波器安装在底抽巷顶板。分站安装在11613底抽连巷临时硐室中。
 图1 微震监测传感器安装示意图
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下图所示，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。
 图2 井下系统结构图
地面系统由采集服务器(微震数据采集与硬件监控系统)、处理服务器(微震数据处理与震害分析系统)、UPS电源、授时服务器等组成。采集服务器完成数据的采集与管理。处理服务器实现对采集的数据的分析处理与震害评估。UPS电源和授时服务器为系统提供电源和时间同步。
井下系统由KDW127/18B矿用隔爆兼本安型直流稳压电源、KJ1465-F矿用本安型微震监测分站、GZC28矿用本安型检波器、矿用电缆及其他必要设备组成。KDW127/18B电源为井下设备供电。KJ1465-F微震监测分站实施数据的采集与传输。GZC28检波器实现震动信号的检测。矿用电缆完成井上与井下设备的网络连接，见下图。
 图3 微震监测分站及定位检波器
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。
微震事件的发震位置、时间信息是其基本属性，而相应的运动学、动力学属性需要结合地质层位、岩石物理性质、巷道工程及煤系地层的相对位置密切相关。微震震源的动力学、运动学属性的进一步分析，需要一系列的基础研究和基础工作作为前提，如为了获得经济合理且覆盖范围广、监测效果好检波器布置方案需要进行整列优化原理研究；为了得到相对准确的定位结果则需要从噪音信号中去伪存真，拾取有效的微破裂信号，进而确定微破裂的起震时刻，即拾取初值时刻；当然，适应不同地质条件和信号质量的优质定位算法也必不可少。
三、微震监测成果统计分析
1、微震事件及能量分析
某煤矿某工作面于2023年5月10日开始初采，微震监测伴随整个回采过程，于2022年11月10日停止监测，共计监测183天。微震事件8319个，日均约45个。监测期间微震系统运行状况良好，事件日变化情况如图6所示，根据事件时空演化规律及现场回采，将微震监测分为4个时段，平面图如图7所示。
 图6 微震事件统计直方图  图7 工作面微震监测分段平面图
2、顶底板破坏分析
（1）顶板事件发育高度分析
研究微震顶板事件分布和发育高度，对于工作面进行顶板矿压管理、保障工作面安全有序开采，具有重要的指导意义。
微震监测数据统计情况：
根据微震事件发育情况，提出回采过程中冒落带发育高度统计的两个指标：①占比变化率小于3%；②累计占比大于70%。微震监测选取某工作面3煤顶板14~15 m为冒落带的最大发育高度。
提出回采过程中导水裂隙带发育高度两个指标：①占比变化率小于0.4%；②累计占比大于95%。微震监测选取某工作面3煤顶板48~51 m为冒落带的最大发育高度。
经验公式预计计算情况：
根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中提供的冒落带和裂缝带高度的计算公式，计算3煤层两带的发育高度。参照该矿相关钻孔资料，3煤层覆岩60m范围内主要有中砂岩、砂质泥岩、粉细砂岩等，属于中硬岩层。
按中硬岩层冒落带的发育高度经验公式（1）预计结果为：
 （1）
 —累计采厚，m。
某工作面工作面煤层最大开采厚度4.3m，计算得出的冒落带高度为10.97±2.2m，取其上限为13.17m。
按中硬岩层导水裂隙带的发育高度经验公式（2）预计结果为：
 （2）
 —累计采厚，m。
某工作面工作面煤层最大开采厚度4.3m，计算得出的导水裂隙带高度为41±5.6m，取其上限为46.6m。
综上，微震监测工作面冒落带高度约为3煤顶板14~15 m，采空区裂隙带发育高度范围为48~51m。与经验公式计算数据吻合度较高。
（2）底板破坏深度分析
某工作面主采煤层是3煤，底板下伏含水层主要有太原组灰岩含水层和奥陶系灰岩含水层。开展底板事件发育深度研究对底板破坏深度分析，以及底板隐伏导水构造的探查有重要意义。
微震监测数据统计情况：
根据微震事件发育情况，提出回采过程中底板破坏最大发育深度统计的两个指标：①占比变化率小于4%；②累计占比大于60%。微震监测选取某工作面3煤底板19~20 m为底板破坏最大发育深度。
验公式预计计算情况：
煤层底板采动破坏深度的研究对底板水害防治有重要意义，是煤矿水害致因机理研究极为重要的部分。进入深部下组煤开采后，底板水害较浅部日益严重，底板破坏深度的分析研究显得尤为重要，直接关系到底板隔水层的厚度及其阻水能力。“下三带”理论经验公式基于弹性力学，第一次给出了计算公式，建立在基本假设基础上，如连续均质、各项同性等。底板破坏带根据李白英等推导的经验估算公式，底板破坏深度h1的计算公式为：
 （1）
根据某工作面的相关数据，取采深553~652 m，煤层倾角平均25°，倾向长139 m，计算底板破坏深度为20.34226 m。
综上，微震监测工作面底板破坏最大发育深度约为3煤底板19~20 m，与经验公式计算数据吻合度较高。
3、初次来压微震响应
开切眼后，随着回采工作面的不断推进，老顶悬露面积增大，煤岩体内部应力集中，老顶发生初次断裂，工作面初次来压。微震监测响应：近煤层事件频次突增，大能量事件占比增加。2023年5月10日工作面开始回采，5月18日起，微震事件能量释放和频次突增，26日能量释放达到峰值。5月18日微震事件在工作面上部大量聚集，结合微震监测和回采进尺，分析为工作面上部局部来压；23日微震监测能量和频次再次出现一个峰值，工作面中下部出现大能量事件聚集，分析为工作面中部和机头侧初次来压。通过对比矿方提供的矿压资料，通过微震监测分析5月18日和23日工作面分别局部来压，初次来压步距约为37.7 m。初次来压期间，两次来压时底板事件发育深度分别为24m和22m，为底板事件发育的相对大值，矿压显现，同时太原组灰岩事件层位事件均出现一定增长，底板应力扰动深度增加。
4、初采和断层破碎带叠加微震响应
影响工作面回采的边界断层有11条，SF11613-6断层、SF11613-7断层、SF11613-8断层、SF11613-9断层、NF171断层、SF11613-3断层、SF11613-11断层、NF171断层、SF11613-1断层、NF97断层、SF11613-12断层、SF11613-4断层。由于断层的存在，初始应力场明显地产生挠动，在断层破坏带内应力表现为低应力区，其旁侧存在附加高应力集中区。回采揭露（或隐伏）断层在回采过程中将直接影响煤层顶、底板岩层的变形破坏规律和矿压分布，对煤层顶、底板的稳定性产生不利的影响。以下从微震监测角度分析回采过程中11条断层的反应。工作面切眼附近断层较为集中，断层最大落差3~4m。
 图8 初采期断层微震响应
四、结论
（1）某工作面微震监测工程项目监测周期为2023年5月10日至2023年11月10日，共计183天。微震事件共计8319个，日均约45个，向矿方提供日报342份、周报27份、月报7份。
（2）微震事件分布主要受采动矿压、综合物探异常区、断层构造影响。监测过程中未发现构造活化，未监测到隐伏导水构造，未发现裂隙薄弱带，未发现深部地下水活动异常。工作面安全回采，未发生出水。
（3）微震监测某工作面顶板冒落带高度为14~15m，导水裂隙带高度为48~51m，底板破坏深度为19~20 m，事件最深发育在C33上灰岩含水层。
该矿通过运用本公司产品建立微震监测系统对工作面顶底板岩层进行动态监测，探测地质构造及其影响，动态监测工作面与区域内的地质条件变化，通过监测、评价和查明工作面回采阶段下方隐伏导水构造随回采活化、导水情况，做到超前预警，为防范突水事故提供实用指导。
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福州华虹智能科技股份有限公司 |
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