余国锋，汪敏华，任波，魏廷双，韩云春，郑群，李连崇，陈建

(1.淮南矿业集团有限责任公司 深部煤炭开采与环境保护国家重点实验室，安徽 淮南市 232000；2.平安煤炭开采工程技术研究院有限责任公司，安徽 淮南市 232000；3.淮南矿业集团有限责任公司煤业分公司，安徽 淮南市 232000；4.东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819)

0 引言

微震监测技术是一种监测岩体破裂响应的三维空间监测技术。近几年，微震监测技术为油气水力压裂裂缝扩展范围提供了可靠依据；为矿井灾害如冲击地压、矿井突水等的预警提供了有力的技术支持。目前的微地震监测技术主要分为地面监测和井中监测两种。地面监测在监测目标区域，比如压裂井周围的地面上布置若干接收点进行微地震监测，主要监测裂缝的扩散范围。井中监测在监测目标区域周围临近的井中布置接收排列，进行微地震监测，主要监测岩体损伤破裂范围。对煤矿开采工程，微震监测是在开采工作面附近空间布置传感器，通过传感器所拾取的波动信息，如：震动波监测到的时间点和持续时间，根据方位，结合多个拾震器的空间坐标以及震源的均差或方差建立联合方程组，进而求解得到最大可能的震源位置和震动波信息，最终给出受采动影响的工作面围岩基质的破坏特征，为工作面的安全开采提供重要技术支持和决策依据。

建立微震系统需要大量的微震传感器，通常倾斜长度为1500 m 的工作面需要布置的传感器数量约为30 个。根据微震系统监测运行规则，每6～8 个传感器需要1 台数据监测主机，则2000 m 的工作面需要采集仪的数量为4～5 台。而微震系统中采集盒的费用相当大，严重限制了微震系统在矿井的应用。同时，传感器以往采用埋设的方式进行安装，往往是一次性消耗品，造成严重浪费，也限制了微震技术的应用。进一步改进微震监测方法，推进在煤矿中的广泛应用成为亟需解决的问题，为此提出可采用井下固有锚杆的形式，配合循环利用的原则以实现低成本、低消耗的微震监测。

本文以潘二矿12123 工作面为工程背景，提出并实施了固有锚杆控制下的底板破坏微震循环监测方法，并通过典型构造区微震信号特征与理论解析验证了可行性与有效性，为微震监测技术应用推广提供了一种有效的新方法。

1 工程概况

潘二煤矿位于安徽省淮南市潘集区境内，隶属淮南矿业集团。矿井位于潘集背斜东段的陶王背斜北翼及其转折端。12123 工作面位于潘二煤矿第一水平西二采区，东起西二A 组煤采区上山，西以DF14断层为界，北沿12223 上顺槽掘进，南以设计标高为准。上限标高为-435.6 m，下限标高为-508.1 m。工作面可采走向长为1003 m，倾斜长为221 m。12123 工作面内存有4 条巷道：轨道巷、运输巷，两条巷道沿煤层底板布置；上底抽巷、下底抽巷，两条巷道布置在太原组C32灰岩中。煤层倾角为3°～22°，平均为10°。12123 工作面回采期间将揭露断层27 条，其中落差大于、等于5 m 的有3 条，落差为3～5 m 的有2 条，落差小于3 m 的有22 条，地质条件较为复杂。

A 组可采煤层有2 层，分别为3 煤和1 煤，煤层赋存较稳定，煤质优良。据西二采区钻探资料：3 煤厚为0～6.4 m，平均厚为4.5 m；局部夹有泥岩夹矸；顶板为泥岩、砂质泥岩、细砂岩和粉砂岩；底板为泥岩或砂质泥岩，3 煤与下伏1 煤间距1.2～1.8 m，平均为1.5 m。1 煤厚2.1～3.9 m，平均厚3.0 m。底板为海相泥岩，砂泥岩互层，薄层粉砂岩及细砂岩，距太原组灰岩10.3～21.83 m，平均为15.90 m。根据采掘资料、地面钻孔及三维地震资料，影响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、钻孔水及老空区积水。太原组灰岩自上而下可分为三组，即C3Ⅰ组、C3Ⅱ组、C3Ⅲ组，每组含灰岩3～6 层，均为弱富水性。3 煤底板距C3Ⅰ组灰岩平均距离为21 m，12123 工作面直接充水水源为底板C3Ⅰ组灰岩岩溶水。

2 基于固有锚杆的微震循环监测方法

微震监测是通过检波设备构建的台网来测定岩石在施工过程中的破裂信号。根据震源定位原理，微震监测需在监测区域内布置4 个以上传感器来接收信号，同时需要在工作面具有高程差的两条巷道内均匀布置，以实现空间交错式全覆盖。为保证高精准的监测效果，微震传感器在每条巷道内的间距应维持在80～150 m 之间。根据12123 工作面地质概况，工作面长度约1003 m、底板有上下两个底抽巷，水平间距约为130 m、高程约为40 m，因此将微震的测点布置在上下两个底抽巷内，如图1 所示。

图1 微震监测系统

工作面自上下底抽巷里段（开切眼方向）开始，计算确定采场内所需要的监测点并安装传感器，上底抽巷内的编号为1#～9#、下底抽巷编号为10#～18#。基于对微震传感器维护、信号传递以及现场施工的考虑，传统安装方法存在如下问题：第一，由于潘二矿区是高瓦斯矿井，不能使用井下焊接锚杆，只能利用锚固剂固定接触螺栓以安装传感器；第二，如果传感器利用接触螺栓与锚杆连接，螺栓与锚杆的接触面容易产生接触不紧密、存在缝隙等问题，极易导致产生更多的干扰信号，对微震信号的接收产生干扰。因此，在潘二矿实施过程中，基于对传感器接收信号以及锚杆型号的了解，设计了一种针对固有锚杆的含接触螺栓的锚杆-探头装配器，如图2 所示。首先，将接触螺栓外壳提前相互连接，并将装配器通过含内部螺纹的外壳与锚杆实现紧密贴合；其次，在安装时，传感器与螺栓、外壳通过预紧力实现贴合，同时内仓的接触螺栓与锚杆再次施加预紧力贴合，从而实现传感器高效接收信号的目的。

图2 固有锚杆上的传感器安装

具备循环特性的固有锚杆安装传感器方法如下：首先，在自工作面开切眼走向长度约600 m 的巷道内部两侧固有锚杆上分别固定6 个传感器，标号分别为1#～6#和10#～15#，其中1#～6#通过初始连接线与数据采集仪Paladin 1#进行连接，10#～15#通过初始连接线与数据采集仪Paladin 2#进行连接；其次，随着工作面逐渐推进，在工作面回采过1#传感器距离约100～150 m 左右时，图1 中的1#、10#传感器全部位于采空区内，此时因为1#、10#传感器所在的工作面内的顶板岩层已基本完成垮落，该处的底板处于安全范围内，同时因为2#、11#传感器仍可以监测1#传感器所在的采空区底板。因此可以将与1#传感器连接的采集仪Paladin1#上的通道与7#传感器连接、将10#传感器连接的采集仪Paladin2#上的通道与16#传感器连接，则可以将有效监控区沿推进方向前推100～150 m。依次类推直至每条巷道内的最后两个传感器连接形成如图1 所示的后期监测区，完成对整个工作面回采过程中底板的有效监测。

3 微震事件波形处理与监测方法可行性

3.1 工作面内采集波形处理

由于在工作面附近各种声音混杂在一起，传感器接收到的波形很多，如人工噪声波形、机械设备噪声波形、带电设备电流干扰信号波形，爆破波形等。根据典型微震事件特征，准确提取出微震波形图是进行微震事件定位的关键一步。典型微震事件特征如下：信号持续时长约500 ms，初至及结束时振幅均较小，衰减较慢，尾波发育，波形图如图3所示。在众多波形信号中筛选出有效微震事件定位的过程中，必须对检波器接收到的干扰信号进行过滤，才能准确提取到微震事件信号，主要利用滤波处理的方法对干扰信号进行过滤处理。经过过滤后的微震信号，利用提取P 波初至的定位方式对发生破坏的震源位置进行定位反演。

图3 有效波形下的微震特征

通过岩石破裂触发微震事件，检波器接收到的波形信号，其震源参数主要包括反映微震量级的参数，如地震矩、震源能量、震源半径、地震级，这些参数主要反映单个微震事件应力释放能量大小；反映岩体破裂空间规模的发育参数，如时间簇密度、空间簇密度、视体积、应力降等，这些参数主要反映微震事件群体影响规模大小。

3.2 监测方法可行性分析

通过对潘二矿12123 工作面内的断层F12224-10 进行微震监测，发现在采动影响下，由工作面距断层面的远近，采动影响对断层的应力干扰具有如下3 种现象。

第一，当采动距离离断层面较远时，采动应力场开始对断层附近应力场产生影响，由于受到采动影响较小，微震事件少（见图4）。根据现场回采进度，2020 年11 月8 日时距离该断层约为上顺槽60 m、下顺槽160 m，则在上顺槽附近开始受超前应力的影响出现围岩扰动，在断层面附近出现零星微震事件。

第二，随着工作面逐渐向前推进，工作面与断层面之间的距离缩短，采动应力对断层周围应力场的影响加大，断层面附近微震事件增多，事件能量增大。

第三，随着工作面逐渐靠近断层面，断层区域受到采动影响的应力扰动越来越大，在断层面和工作面附近出现大量密集的微震事件，且微震能量较大，采动应力极易引起断层活化，造成底板裂隙带发育高度增大，给底板突水带来一定的风险。根据现场回采进度，2020 年11 月19 日起，距离该断层上顺约25 m 至下顺140 m，断层区域受超前应力扰动较大，微震事件数增多，呈密集状态（见图4）。

图4 断层带微震事件分布特征

通过对断层活化阶段的现场微震监测，发现基于固有锚杆的循环监测方法可以通过移动准确监测断层附近微震事件变化，说明这种基于固有锚杆的循环监测方法是有效的，可以进行断层底板破坏监测。

4 结论

由于潘二矿底板面临奥灰承压水突水风险，为了防止工作面在开采过程中出现突水，利用井下的固有锚杆安装微震检波器，对煤层底板破坏深度进行微震监测，达到实时监测底板突水风险的目的。结论如下：

（1）根据12123 工作面长度约1003 m，利用研发的固有锚杆安装传感器，共布设了18 个探测点实施循环监测，实现了传感器高效接收信号，基于典型微震事件波形实现了微震事件定位；

（2）利用微震循环监测方法对断层F12224-10进行分析发现，微震事件在断层带的分布特征与回采变现出时空一致性，与理论解析是一致的。同时在断层及工作面附近微震事件聚集度较大，也进一步验证了方法的可行性。