刘晓国,夏杨,牟文强,任波,韩云春,余国锋,李连崇

(1.淮南矿业集团煤业分公司 张集煤矿, 安徽 淮南市 232001;2.中国能源建设集团安徽电力建设第一工程有限公司, 安徽 合肥 230088;3.东北大学 资源与土木工程学院, 辽宁 沈阳 110819;4.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 232001)

0 引言

随着地下矿产开采活动的日益增多,开采活动逐渐由浅部转为深部,矿山开采的难度也越来越大。再加上矿山特殊的作业环境、复杂的地质情况,及一些潜在的不安全因素,导致灾害事故频繁发生,而地下矿山一旦发生灾害事故如垮塌、冒顶片帮、泥石流、瓦斯突涌、井下突水、地面沉陷等,将严重威胁到井下工人的生命安全和矿山生产经济效益,带来巨大的人员伤亡与经济损失[1]。为了避免或者减小开采带来的灾害,监测矿山地压、位移、微震等活动规律成为重点,在开采过程中可以依据这些规律来预测可能存在的安全隐患,并可提前采取相关措施。

微震监测技术作为一种煤岩体微破裂的三维空间监测技术,在矿井安全开采方面得到了非常广泛的应用,如矿井突水、冒顶、冲击地压等灾害预警,微震监测技术在重大地质灾害预测预报方面得到了迅速发展[2-3]。微震监测技术主要采集岩体等脆性材料在外力等荷载作用下发生微破裂时释放弹性变形能的时间、空间、强度,基于监测到的信息推演微破裂的发生位置,国外许多学者针对微震监测与突水灾害预警进行了深入研究。水害作为矿井五大灾害之一,水害的形成和发生都有一个从孕育、发展到发生的变化过程,在这变化过程中不同阶段都有其对应的前兆[4-7]。导水裂隙通道是煤层顶底板在开挖扰动、承压水共同作用下导致煤岩体失稳形成的,根据国内外的研究成果,微破裂是导水裂隙形成的前兆信息。采用微震监测手段监测导水通道的形成、发展、孕育、演变过程是可行的。

张鹏海等通过利用微震监测技术以及数值模拟等手段研究了导水通道的孕育过程[8-10];孙令海等[11]将微震事件能量分布与工作面周期来压步距进行对比,以此来验证微震监测导水裂隙带的合理性;李翔等[12]研究了微震震源的高精度定位方法,为微震监测技术提供了理论基础。

基于上述研究成果,本文从微震监测角度出发,结合张集煤矿1613A工作面水文地质条件,研究采动影响下底板导水通道地质异常体的微震监测响应特征,对于保证矿山安全生产、提高经济效益具有重要的理论与实际意义。

1 工程地质及防治水措施

1.1 工作面概况

1613A工作面东侧起于西三采区1煤系统巷道;西侧至F22断层上盘附近;北侧为1612A工作面;南侧为1615A工作面。1613A工作面煤层标高-541.8～597.4 m,设计可采走向长1451 m,倾向长200 m,1煤层厚3.5～8.5 m(运顺里段处煤层冲刷变薄区,厚度为3.5 m),平均6.5 m,煤层倾角6°～12°,平均9°,煤层发育稳定。采用综合机械化走向长壁分层开采。

C3Ⅰ组灰岩为1613A工作面底板直接充水含水层(组),平均厚度32.41 m。1煤层底板距该含水层顶板17.45～19.91 m,受太原组灰岩水直接威胁,含水组按深度主要为C3Ⅰ组、C3Ⅱ组、C3Ⅲ组、奥灰层。而深部奥陶系灰岩含水层可能通过底板垂向导水构造与太原组灰岩含水层发生水力联系,对1煤层开采造成间接威胁。

1.2 工作面地质情况

三维地震、地面钻探及巷道实际揭露资料显示,1613A工作面回采范围内煤岩层总体近似为单斜构造;地层走向85°～120°,倾向175°～210°,在构造发育附近煤岩层产状可能有一定变化。

在工作面回采范围内,地质构造较复杂,轨顺共揭露断层7条;运顺共揭露断层10条;面内西三1煤-600 m疏水巷共揭露3条、底抽巷共揭露4条,三维地震断层1条,总计共19条断层;对该工作面回采有较大影响的断层分别为:F1613A77(H=5.4 m)、面内延伸约187 m;F1611A76(H=3.2～5.4 m),影响回采长度87 m,宽度贯穿整个工作面;F1613A78(H=2.5～6.5 m),基本贯穿整个工作面;F1613A78-1(H=4.0 m),面内延伸约120 m。

根据工作面三维地震测量及钻探资料,确定了1613A工作面底板存在垂向导水通道,导水通道位于C33下层位以下,平面上为一长约53 m、宽约35 m椭圆形区域。1613A工作面底板垂向导水通道西、东边界位置对应工作面运顺退尺343.7 m、378.9 m,轨顺退尺354.1 m、389.3 m,北边界距轨顺最小距离63 m、距运顺最小距离83 m。导水通道分布位置如图1所示。

图1 导水通道平面位置分布

1.3 导水通道防治水措施

针对此区域,系统地进行了导水通道地面注浆,物探、钻探验证,井下注浆补强等工程,封堵1煤底板至奥灰间主要裂隙导水通道。地面注浆治理施工1个主孔,3个分支,实施了多分支孔分段注浆方法,即考虑水流冲刷作用,分支孔在不同层位分别布置,实施多个层位孔的分阶段注浆,以实现高效封堵,如图2所示。共进行了12次注浆,总注浆量为7696.3 m3,水泥总用量为6469.5 t。

图2 多分支孔分段注浆

为验证1613A工作面底板导水通道的治理效果,在西三1煤-600 m疏水巷开展直流电法、音频电透视及瞬变电磁综合物探法。通过综合分析可知,导水通道注浆区范围内无相对低阻异常区。

井下钻探验证,验1#孔仍有出水,在孔深251 m时水量约30 m3/h,经井下多次注浆处理,验1#孔水量逐渐减小,逐步稳定在7～8 m3/h,仍具有深部灰岩水特征。对比治理前11#孔最大出水量(220 m3/h),说明通过注浆控制了底板出水量、封堵了煤层底板至奥灰含水层之间的主要裂隙通道。为增强治理效果,后期对底板导水通道异常区域增补多个钻孔进行了注浆封孔,增补钻孔累计注入水泥115.16 t,对导水通道及周边裂隙进行二次封堵充实,能够起到对底板灰岩含水层加固补强的效果。

通过地面注浆,封堵了A组煤层底板至奥灰间主要裂隙导水通道;通过综合探查治理、治理效果验证及补强,深部奥灰导水通道得到有效封堵,治理效果较好。

2 工作面微震监测系统

采用的直流电法、音频电透视及瞬变电磁综合物探等方法只能勘查某一时刻的地下物理场分布情况,钻探方法虽然精确,但其只能探查局部地区的地质情况,传统验证方法存在局限性,并不能准确把握地下水文地质条件的变化。导水通道对应工作面运顺退尺343.7,378.9 m,轨顺退尺354.1,389.3 m,处于工作面“二次见方”前期,且导水通道前方约10 m处为1613A措施巷和F1613A78断层,该区域地质构造复杂,当工作面回采至导水通道处时,矿压将急剧增强,在强矿压和底板承压水的共同作用下,将无法保证注浆封堵效果。在此采用微震监测方法,布置高精度微震监测系统,通过感知导水通道形成过程中的岩石破裂,对导水通道形成过程进行监测并精细定位,存在风险时及时预警,为工作面安全回采提供保障。

2.1 微震监测原理

在人为或自然因素的作用下,地下应力场会发生改变,应力的变化会使地下岩石发生破裂或者滑移,在这一过程中会产生微弱的地震波并在周边的介质中传播。通过在空间的不同方位上布置微震传感器,便会采集到这些微震波的初始到达时间、传播方向等信息,数据采集、储存后,然后利用各种相关的信号处理计算方法确定出岩石破裂点,即震源的位置及发震的时间[13]。微震监测系统原理如图3所示。

图3 微震监测系统原理

2.2 微震监测系统的构建

考虑到断层和导水通道等地质异常体影响工作面回采,为了更加精确地监测地质异常体的实际微震情况,检波器尽可能布设在地质异常体附近。基于工作面回采进度以及检波器安装的可行性,同时充分利用1613A工作面附近的所有巷道,即在1613A工作面运顺布置20个单分量检波器,在-600 m水平疏水巷布置16个单分量检波器,在轨顺布置20个单分量检波器,同一条巷道内的检波器水平间隔约100 m,不同巷道交错布置,组成全包围式检波器布置方式,保证监测精度(见图4)。检波器均打孔安装于煤层底板,更有利于监测底板裂隙发育情况。探明的地质异常体(导水通道)被至少7个探头实现三维立体包围,能够对采动期间地质异常体注浆加固后稳定性进行监测分析。

图4 工作面微震检波器布置

通过在工作面内放炮对微震监测系统进行了校验分析,对P波速度模型进行了不断优化,调整至3400 m/s,能够满足定位精度要求。

3 注浆地质异常体微震响应

导水通道地质异常体发育在工作面运输巷道退尺343.7,378.9 m和轨道巷道退尺354.1,389.3 m范围内,根据研究内容,截取2020年11月9日(运顺316.9 m、轨顺327.4 m)至2020年11月21日(运顺386.3 m、轨顺391.6 m)的监测数据进行分析,如图5所示。图中,1煤底0～17 m之间一般包含C3Ⅰ组灰岩;1煤底17 m之后为C3Ⅱ组及C3Ⅲ组灰岩层。

图5 数件数量折线统计

由图5可知,微震事件的总数呈波动变化,在11月13日时达到最大值,到11月20日时再次呈现显著增幅。同时,11月9日至14日之间,底板岩层的C3Ⅰ组层段事件较多(1煤底0～17 m),且能发现C3Ⅰ组层段事件数量与事件总数量成正比关系,当工作面来压时(11月11日、11月13日、11月20日),底板破坏深度会显著增加,最深事件深度统计如图6所示。

图6 最深事件的深度统计

进一步对微震事件进行分析,11月9日至14日事件分布平面图如图7所示,图中阴影填充虚线所示区域为地质异常体导水,蓝色粗虚线包络线所示区域为底板深部事件密集区,粗实线段为当日退尺。

图7 微震事件分布平面图

从图7可以看出,当工作面来压时,C3Ⅰ组层段事件多且聚集,主要分布在F1613A78断层和措施巷偏向轨顺一侧,事件分布范围并未与导水通道重合,深部事件主要由沿空巷道应力集中、F1613A78断层和措施巷薄弱以及工作面来压引起,地质异常体注浆治理效果良好,隔水性能并未在强矿压及承压水的影响下破坏,微震事件出现典型的绕路分布特征,采动影响下仍具有良好的阻隔水能力。在工作面回采通过导水通道区域的时间段,并未监测到C3Ⅱ、C3Ⅲ组层段事件,说明C3Ⅰ组灰岩并未通过隐伏断层、地质异常体与C3Ⅱ、C3Ⅲ组灰岩发生直接水力联系。

4 结论

(1)张集煤矿1613A工作面导水通道异常区附近地质条件复杂,受断层、强矿压及底板承压水的影响,存在突水隐患。传统的物探方法只能勘查某一时刻的地下物理场分布情况,钻探方法虽然精确,但其只能探查局部地区的地质情况,传统验证方法存在局限性,并不能准确把握地下水文地质条件的变化情况。通过在1613A轨顺、运顺和疏水巷布置微震检波器,实现了对工作面底板的微震监测。

(2)监测数据分析结果表明,在导水通道附近并未监测到C3Ⅱ、C3Ⅲ组层段事件,微震事件出现典型的绕路分布特征,所提出的多分支孔分段注浆方法的治理效果良好,C3Ⅰ组灰岩并未通过隐伏断层、地质异常体与C3Ⅱ、C3Ⅲ组灰岩发生直接水力联系,没有突水风险,实现了工作面的安全开采。