微震與電磁耦合技術(shù)在突水監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

王坤

摘? 要：從礦井水運(yùn)移的時(shí)、空特點(diǎn)著手，運(yùn)用微震與電磁法監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)工作面底板隔水層薄弱帶、含水層富水區(qū)、水文地質(zhì)異常區(qū)、采掘破壞影響范圍、物探異常區(qū)等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井水動(dòng)態(tài)變化時(shí)、空特征的描述，監(jiān)測(cè)突水通道的“形成、發(fā)育、貫通”過程，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井突水的預(yù)警采掘工作面的同時(shí)監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞：微震;電磁;監(jiān)測(cè);突水

中圖分類號(hào)：TE37 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）09-0159-02

Abstract： Starting from the time and space characteristics of mine water transport， the weak zone of water insulation layer， the rich water area of aquifer， the hydrogeological anomaly area， the influence range of mining failure and the abnormal area of geophysical exploration are monitored using microseismic and electromagnetic method monitoring technology， and the monitoring technology is used to monitor the weak zone of water insulation layer， the rich water area of aquifer， the abnormal area of hydrogeology and so on. The description of time and space characteristics of mine water dynamic change is realized， the process of "formation， development and penetration" of water inrush channel is monitored， and the early warning mining face of mine water inrush is monitored at the same time.

Keywords： microearthquakes; electromagnetism; monitoring; water inrush

1 概況

Ⅱ633工作面位于恒源礦Ⅱ63采區(qū)中上部，為Ⅱ63采區(qū)準(zhǔn)備的第二個(gè)工作面。工作面東部（收作線外側(cè)）為Ⅱ63采區(qū)的三條主要下山（軌道、運(yùn)輸、回風(fēng)），其外側(cè)靠近采區(qū)邊界斷層——孟口逆斷層（∠28°～35°H=0～75m），工作面整體處在孟口逆斷層的下盤;南部為Ⅱ632工作面采空區(qū);西部切眼外側(cè)為恒源煤礦和河南新莊煤礦的礦井邊界線;北部為尚未布置采掘工程的Ⅱ634工作面。Ⅱ633工作面設(shè)計(jì)為綜采工作面，總體上屬近走向長(zhǎng)壁式布置，工作面走向長(zhǎng)2015m（至收作線），傾斜寬182m。

2 影響工作面回采的水文地質(zhì)因素

工作面上覆含水層為6煤頂?shù)装迳皫r裂隙水（8含），該含水層是工作面回采的主要充水水源，以靜儲(chǔ)量為主。因Ⅱ633工作面為溫莊向斜軸部區(qū)域，結(jié)合目前Ⅱ632工作面老塘出水情況，8含含水量豐富，短期內(nèi)不易疏干。工作面下伏含水層為6煤底板太灰含水層，在未實(shí)施地面順三灰層位底板注漿加固前，工作面里段底板承受灰?guī)r水壓為4.03～4.42MPa（計(jì)算至一灰頂，47.8m），突水系數(shù)為0.084MPa/m～0.092MPa/m。根據(jù)上述水文地質(zhì)情況，Ⅱ633工作面里段已實(shí)施了地面順三灰層位注漿加固、物探工程、井下驗(yàn)證孔、頂板砂巖疏放孔。考慮到砂巖水和底板灰?guī)r水不會(huì)對(duì)工作面回采構(gòu)成威脅， 本技術(shù)主要應(yīng)用在注漿擾動(dòng)監(jiān)測(cè)和采掘擾動(dòng)微震監(jiān)測(cè)。

3 工作面防突水微震與電磁耦合監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

3.1 監(jiān)測(cè)區(qū)域的確定

建立恒源煤礦Ⅱ633工作面里段開采微震電磁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由主控系統(tǒng)接收從與其相連的地震傳感器傳輸來的地震模擬信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后將數(shù)字信號(hào)傳輸給監(jiān)測(cè)記錄控制中心。根據(jù)結(jié)合該礦的地下工程條件，擬定采用9個(gè)地震傳感器和3個(gè)電磁傳感器的系統(tǒng)硬件配置方案，并對(duì)此在不同空間坐標(biāo)上設(shè)計(jì)了9種地震傳感器和3種電磁傳感器空間布置方案，供計(jì)算分析。

3.2 傳感器位置布置方案擬定

（1）方案擬定原則。由于礦體是緩傾斜礦體，監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)的礦體埋深變化不大，為使測(cè)點(diǎn)形成較好的空間分布，在這些巷道內(nèi)擬開采的煤層內(nèi)布置鉆孔用于安裝電磁傳感器，傳感器安裝深度為1m;在該水平巷道內(nèi)向下或向上鉆孔用于安裝地震傳感器，從降低噪聲干擾和施工要求考慮，其深度達(dá)0.5m，地震傳感器的布置要求必須形成較好的空間關(guān)系。（2）監(jiān)測(cè)設(shè)備的安裝。a.一個(gè)監(jiān)測(cè)站布置三組監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，每組監(jiān)測(cè)系統(tǒng)選擇在煤幫錨桿托盤上安裝3個(gè)微震傳感器，該傳感器的安裝通過磁鐵直接吸附在托盤上，不破壞巷道錨桿;每組監(jiān)測(cè)系統(tǒng)選擇在煤幫下部鉆孔中安裝1個(gè)電磁傳感器，鉆孔要求向下傾斜45度，深度1m，直徑50mm以上，無需封孔。微震傳感器與電磁傳感器安裝示意圖見圖1，在傳感器安裝完，要求測(cè)量每個(gè)傳感器的三維坐標(biāo)。三組監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過電纜與主機(jī)相連，要求24h不間斷供電（電壓127伏）。b.監(jiān)測(cè)站的布置。第一個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)選擇在Ⅱ633工作面機(jī)巷900m處，工作面推到距離測(cè)點(diǎn)60m時(shí)移動(dòng)設(shè)備至下一監(jiān)測(cè)站點(diǎn)。第二個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)選擇在Ⅱ633工作面風(fēng)巷1250m處，當(dāng)工作面推到距離觀測(cè)點(diǎn)60m時(shí)移動(dòng)觀測(cè)設(shè)備至下一監(jiān)測(cè)站點(diǎn)。第三個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)選擇在Ⅱ633工作面風(fēng)巷1500m處，當(dāng)工作面推到距離觀測(cè)點(diǎn)60m時(shí)移動(dòng)觀測(cè)設(shè)備至下一監(jiān)測(cè)站點(diǎn)。第四個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)選擇在Ⅱ633工作面風(fēng)巷1750m處，當(dāng)工作面推到距離觀測(cè)點(diǎn)60m時(shí)移動(dòng)觀測(cè)設(shè)備至下一監(jiān)測(cè)站點(diǎn)。第五個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)選擇在Ⅱ633工作面風(fēng)巷2000m處，當(dāng)工作面推到距離觀測(cè)點(diǎn)60m時(shí)移動(dòng)觀測(cè)設(shè)備至下一監(jiān)測(cè)站點(diǎn)。

4 人工擾動(dòng)微震電磁監(jiān)測(cè)技術(shù)

4.1 注漿擾動(dòng)微震監(jiān)測(cè)及效果分析

（1）注漿擾動(dòng)范圍。奧陶系灰?guī)r水害是我國最主要的煤礦水害類型，煤層底板與含水層之間起到阻水重要作用的巖層為隔水層。隔水層起到阻止突水的作用，其阻水能力取決于隔水層的強(qiáng)度、厚度和裂隙發(fā)育程度以及隔水層的均一程度。隔水層均一性差異大時(shí)，會(huì)存在隔水層薄弱帶，當(dāng)采煤擾動(dòng)到此時(shí)，煤層底板突水往往發(fā)生在隔水層薄弱帶。Ⅱ633工作面里段已實(shí)施了地面順三灰層位注漿加固、物探工程、井下驗(yàn)證孔、頂板砂巖疏放孔，對(duì)里段巖層位出水不會(huì)對(duì)工作面回采構(gòu)成威脅已基本控制，底板注漿改造也往往是改造隔水層薄弱帶的穩(wěn)定性。但確定隔水層薄弱帶的具體位置是非常困難的。因此，本研究利用與Ⅱ633工作面相鄰的Ⅱ634工作面正在進(jìn)行注漿加固的機(jī)會(huì)進(jìn)行人工注漿擾動(dòng)誘發(fā)微震對(duì)隔水層薄弱帶進(jìn)行有效性探查。煤層底板隔水層、含水層注漿加固改造工程中，借助高壓注漿泵所形成的壓力和漿柱本身的壓力，把漿液注入巖層原生裂隙中，并利用高壓液體對(duì)巖體的劈裂作用，使巖層產(chǎn)生次生裂隙，在擴(kuò)大漿液擴(kuò)散范圍的同時(shí)，激發(fā)地震波，利用微震監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)隔水層薄弱帶、注漿漿液擴(kuò)散范圍及區(qū)域注漿進(jìn)行評(píng)價(jià)。（2）有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析可知。a.隨著注漿壓力的增加，漿液擴(kuò)散半徑增加趨勢(shì)呈變快狀態(tài)，二者呈非線性關(guān)系。b.隨裂縫開度增長(zhǎng)，注漿壓力相同時(shí)，裂隙寬度愈大，漿液擴(kuò)散半徑增量愈大。

通過鉆孔注漿（純水泥漿和加入速凝劑的水泥漿），高壓漿液在含水層原有裂隙內(nèi)產(chǎn)生沖擴(kuò)、劈裂、破巖等作用，人工誘發(fā)一系列微震事件發(fā)生，監(jiān)測(cè)、分析這些微震事件的時(shí)空變化規(guī)律，可以確定注漿漿液擴(kuò)散范圍、路徑及含水層儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)形態(tài)、地下水強(qiáng)徑流帶位置、導(dǎo)水通道、突水口位置等，為預(yù)防和避免煤礦突水事故發(fā)生及突水事故的快速治理、注漿工程效果評(píng)價(jià)、水資源保護(hù)提供技術(shù)依據(jù)。Ⅱ634工作面煤層頂?shù)装遄{監(jiān)測(cè)微震事件圖2所示。頂?shù)装遄{是巖層開裂所引起的。

4.2 采掘擾動(dòng)微震監(jiān)測(cè)及效果分析

（1）采掘擾動(dòng)范圍。在煤礦井下復(fù)雜的巖體環(huán)境及水文地質(zhì)環(huán)境中，任何人為的采動(dòng)或掘進(jìn)都會(huì)對(duì)周圍的巖體原巖產(chǎn)生應(yīng)力擾動(dòng)，引起圍巖塑性變形、垮落、沉降等。在防治水的關(guān)鍵區(qū)域或巖層節(jié)理構(gòu)造發(fā)育的地方，這些對(duì)巖體的擾動(dòng)破壞可能會(huì)引起周圍水文地質(zhì)條件的變化。因此，在充分認(rèn)識(shí)采動(dòng)過程的應(yīng)力特征和變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，對(duì)關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行采動(dòng)掘進(jìn)等人工擾動(dòng)，通過微震監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)其擾動(dòng)產(chǎn)生的微震事件進(jìn)行監(jiān)測(cè)解釋，分析關(guān)鍵區(qū)域應(yīng)力再造過程中產(chǎn)生圍巖塑性變形、垮落、沉降，對(duì)比常規(guī)區(qū)域采掘松動(dòng)圈以外的異常情況，也同時(shí)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵區(qū)域范圍內(nèi)可能會(huì)引起的水文地質(zhì)條件變化。（2）采掘擾動(dòng)微震效果分析。Ⅱ633工作面回采期間頂?shù)装迤茐那闆r。在深部大采深高承壓水上煤層開采，為保證煤層帶壓開采防治水工作安全，煤層底板破壞深度的預(yù)計(jì)及確定是非常關(guān)鍵的。煤層底板奧陶系灰?guī)r裂隙普遍發(fā)育且富水性強(qiáng)，若煤層回采過程中，煤層底板破壞深度過大，導(dǎo)通裂隙含水層，則極易發(fā)生突水事故。Ⅱ633工作面回采期間煤層頂?shù)装甯浇⒄鹗录拭鎴D2所示。監(jiān)測(cè)事件絕大部分是頂板產(chǎn)生，這可能是頂板巖層塌陷所致。

5 結(jié)束語

微震電磁監(jiān)測(cè)技術(shù)在傳統(tǒng)的應(yīng)用中是對(duì)被動(dòng)震源進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在研究防治水過程中，需要在礦井突水前就探查到導(dǎo)水通道，而水在動(dòng)平衡狀態(tài)時(shí)往往激發(fā)不了微震事件，在被動(dòng)等震的過程中，就很難監(jiān)測(cè)到隱伏的導(dǎo)水構(gòu)造。因此，利用Ⅱ634注漿主動(dòng)擾動(dòng)手段，使得巖體和地下水流場(chǎng)的耦合系統(tǒng)發(fā)生擾動(dòng)，誘發(fā)微震事件，由常規(guī)方法的“被動(dòng)等震”監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸鲃?dòng)誘震”監(jiān)測(cè)，在一定程度上可用于探測(cè)隱伏導(dǎo)含水構(gòu)造。從監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，注漿引起的微震事件較明顯，分散較均勻，但微震事件能量都比較小;采掘引起的采空區(qū)頂板塌陷微震事件較多，事件的能量明顯比注漿引起的微震事件能量大。在整個(gè)監(jiān)測(cè)過程中，沒有監(jiān)測(cè)到明顯底板產(chǎn)生的微震事件，這說明Ⅱ633工作面通過實(shí)施了地面順三灰層位注漿加固后，底板巖層比較穩(wěn)定。通過對(duì)皖北煤電恒源煤礦Ⅱ633工作面里段防突水微震與電磁耦合監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，采用高精度、寬頻帶、高靈敏的震動(dòng)和電磁傳感器而形成的微震和電磁一體化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行沖擊地壓（或突水）監(jiān)測(cè)是可行的，它覆蓋了聲發(fā)射、微震、礦震及地音各階段的振動(dòng)和電磁輻射信號(hào)，可以完全替代聲發(fā)射監(jiān)測(cè)、沖擊地壓監(jiān)測(cè)、地音監(jiān)測(cè)和電磁輻射監(jiān)測(cè)，是一種多參數(shù)綜合監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)分析的監(jiān)測(cè)預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]段建華，湯紅偉，王云宏.基于微震與瞬變電磁法的煤層氣井水力壓裂監(jiān)測(cè)技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2018，46（6）：160-166.