基于微震監(jiān)測(cè)的中深埋煤層導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育規(guī)律研究

劉 超，夏冰冰，白 坤，張慧峰，樊江偉，馬 越，劉 鵬，侯恩科

(1.陜西小保當(dāng)?shù)V業(yè)有限公司，陜西省榆林市，719302；2.西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西省西安市，710054)

0 引言

榆神礦區(qū)位于陜北侏羅紀(jì)煤田腹部地帶，是首批國(guó)家規(guī)劃礦區(qū)，煤層賦存條件好、儲(chǔ)量大。礦區(qū)地處毛烏素沙漠地帶，生態(tài)環(huán)境脆弱，水資源短缺。隨著煤炭資源的規(guī)?；_(kāi)采，必然會(huì)造成煤層上覆巖層的破壞，使地下水資源遭到破壞[1-3]，同時(shí)對(duì)礦井安全生產(chǎn)造成威脅[4-6]。因此，查明煤層導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育規(guī)律具有重要意義。

煤層埋深小于150 m為淺埋煤層，大于150 m小于600 m為中深埋煤層，大于600 m為深埋煤層[7]。目前，陜北侏羅系煤田主要開(kāi)采淺埋煤層，針對(duì)淺埋煤層開(kāi)采覆巖破壞和導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育規(guī)律，眾多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究。許家林等[8]通過(guò)對(duì)淺埋煤層覆巖關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)的類(lèi)型及其破斷失穩(wěn)特征進(jìn)行研究得出神東礦區(qū)淺埋煤層覆巖關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)類(lèi)型的判別方法；黃慶享等[9]通過(guò)物理模擬實(shí)驗(yàn)揭示了厚砂土層貫通地表裂縫的形成和發(fā)展規(guī)律，發(fā)現(xiàn)地表厚砂土層初次垮落的“拱梁”和周期垮落的“弧形巖柱”結(jié)構(gòu)；楊達(dá)明等[10]通過(guò)改善鉆孔漏失量觀測(cè)方法及儀器提高了觀測(cè)精度并得出導(dǎo)水裂縫帶高度；尋博輝等[11]、徐樹(shù)媛等[12]分別基于最小二乘支持向量機(jī)模型和RBF核ε-SVR預(yù)測(cè)模型對(duì)導(dǎo)水裂縫帶高度進(jìn)行了預(yù)測(cè)；侯恩科等[13-14]對(duì)淺埋煤層過(guò)溝開(kāi)采上覆巖層的擾動(dòng)破壞規(guī)律與裂隙發(fā)育特征進(jìn)行了研究，并對(duì)溝道裂縫治理提出了相應(yīng)方案；來(lái)興平等[15]采用物理相似材料模擬，綜合運(yùn)用鉆孔監(jiān)測(cè)、數(shù)值模擬以及SPSS軟件相結(jié)合的方法得出導(dǎo)水裂縫帶高度與松散層厚度呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，并擬合出導(dǎo)水裂縫帶高度預(yù)測(cè)經(jīng)驗(yàn)公式；孫慶先等[16]運(yùn)用鉆孔沖洗液漏失量、鉆孔彩色電視和井下瞬變電磁法3種技術(shù)手段對(duì)煤層綜放開(kāi)采上覆巖層“兩帶”高度進(jìn)行了探測(cè)，分析了各探測(cè)方法優(yōu)缺點(diǎn)；譚毅等[15]通過(guò)研究非充分采動(dòng)下淺埋堅(jiān)硬頂板“兩帶”高度，得出導(dǎo)水裂縫帶的高度整體呈階梯型突跳變化的結(jié)論。

目前，學(xué)者們針對(duì)淺埋煤層導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育規(guī)律做了大量研究，但隨著榆神礦區(qū)眾多中深埋煤層區(qū)域井田逐步投入生產(chǎn)，該礦區(qū)中深埋煤層開(kāi)采勢(shì)必與淺埋煤層開(kāi)采覆巖導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育規(guī)律有所不同。因此，筆者以中深埋煤層井田小保當(dāng)一號(hào)煤礦112201工作面為研究對(duì)象，采用井-地聯(lián)合微震監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)其頂板導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育規(guī)律進(jìn)行研究，對(duì)研究相似地質(zhì)條件下煤層開(kāi)采覆巖導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育規(guī)律提供借鑒。

1 研究區(qū)概況

小保當(dāng)煤礦位于陜北黃土高原北端，毛烏素沙漠東南緣。礦井大部分地域被第四系風(fēng)積半固定沙丘和固定沙丘所覆蓋，以風(fēng)蝕風(fēng)積沙漠丘陵地貌為主。地形總趨勢(shì)為西南部高東北部低，可采煤層為中深埋煤層。

小保當(dāng)一號(hào)煤礦112201工作面主采2-2號(hào)煤層，平均埋深302 m，工作面走向長(zhǎng)度4 560 m，寬度350 m，采用大采高綜采一次采全高開(kāi)采工藝，采高約為5.8 m，推采平均日進(jìn)尺12.5 m。根據(jù)該工作面地層與煤層鉆孔揭露情況，揭露的地層由老至新依次為侏羅系下統(tǒng)富縣組(J1f)，侏羅系中統(tǒng)延安組(J2y)、直羅組(J2z)、安定組(J2a)，新近系上新統(tǒng)保德組(N2b)、第四系上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組(Q3s)和第四系全新統(tǒng)風(fēng)積沙(Q4eol)，其中延安組為唯一含煤地層。

2 微震原理及監(jiān)測(cè)方案

2.1 微震監(jiān)測(cè)技術(shù)原理

井-地聯(lián)合微震監(jiān)測(cè)技術(shù)是通過(guò)在地面不同高程、井下巷道同時(shí)布置多個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，所布置的觀測(cè)點(diǎn)包圍監(jiān)測(cè)區(qū)域，利用多道檢波器分別接收各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)地震波的時(shí)間和波速，然后通過(guò)計(jì)算各監(jiān)測(cè)點(diǎn)接受信號(hào)的地震波時(shí)間差來(lái)提高定位精度，組成方程組，得出震源位置。本次采用井-地聯(lián)合微震監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)小保當(dāng)一號(hào)煤礦112201工作面頂板覆巖破壞所產(chǎn)生的微震事件進(jìn)行長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)工作面實(shí)際推采進(jìn)度對(duì)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整。

微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成包括傳感器、采集儀和主機(jī)三大部分。傳感器可識(shí)別并捕獲煤巖體破裂產(chǎn)生的彈性波；采集儀可對(duì)捕獲到的微震信號(hào)進(jìn)行采集和記錄；主機(jī)可對(duì)采集到的微震信號(hào)進(jìn)行查看、分析和處理。微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.2 微震監(jiān)測(cè)方案

受實(shí)際情況影響，本次監(jiān)測(cè)共分為2個(gè)階段，從112201工作面距開(kāi)切眼3 600 m處開(kāi)始監(jiān)測(cè)，一階段監(jiān)測(cè)范圍500 m，監(jiān)測(cè)時(shí)間為2019年8月23日至10月7日；二階段監(jiān)測(cè)終采線到前方120 m 區(qū)域，監(jiān)測(cè)時(shí)間為2019年11月17日至12月11日。

根據(jù)高低相間、均勻分布的測(cè)點(diǎn)布置原則，結(jié)合監(jiān)測(cè)區(qū)實(shí)際地質(zhì)條件，在一階段監(jiān)測(cè)區(qū)域地表設(shè)計(jì)7個(gè)微震監(jiān)測(cè)點(diǎn)、井下工作面兩側(cè)巷道分別各布置3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，二階段監(jiān)測(cè)區(qū)域地表設(shè)計(jì)7個(gè)微震監(jiān)測(cè)點(diǎn)，井下工作面西南側(cè)巷道布置2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)、東北側(cè)巷道布置3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

通過(guò)加強(qiáng)混凝土養(yǎng)生，可防止混凝土因內(nèi)外溫差而出現(xiàn)開(kāi)裂情況。在完成混凝土澆筑施工后，須及時(shí)修整緩凝土裸露面，并對(duì)承臺(tái)頂面的高程進(jìn)行復(fù)核。待混凝土初凝后可采用雙層土工布進(jìn)行覆蓋、灑水，時(shí)間至少14d，并安排專(zhuān)人負(fù)責(zé)，灑水的頻率需結(jié)合每天的天氣情況而定，但需確保土工布具有較大的濕度。

地面部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)及井下監(jiān)測(cè)點(diǎn)會(huì)隨工作面回采進(jìn)度調(diào)整位置以保證監(jiān)測(cè)信號(hào)穩(wěn)定，一階段井下監(jiān)測(cè)點(diǎn)(包括移動(dòng)測(cè)點(diǎn))共計(jì)12個(gè)。研究區(qū)地面和井下所有微震測(cè)點(diǎn)位置如圖2所示。

圖2 研究區(qū)微震測(cè)點(diǎn)位置

檢波器安裝如圖3所示。在地面檢波器的安裝過(guò)程中，為克服地震波在地表沙層中的衰減作用，將地表沙層清理一定深度后將檢波器接入2 m的鋼筋插入到紅土層，使地表檢波器可以接受質(zhì)量較好的微震信號(hào)，如圖3(a)所示。112201工作面兩側(cè)巷道以交錯(cuò)方式分別布置3個(gè)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，相鄰測(cè)點(diǎn)間距100 m。當(dāng)工作面向前回采100 m，將工作面后方的檢波器向前移動(dòng)，相鄰距離仍為100 m。井下每個(gè)測(cè)點(diǎn)安裝1個(gè)檢波器，3個(gè)檢波器連接1臺(tái)數(shù)據(jù)采集儀。檢波器采用錨桿安裝法，即檢波器轉(zhuǎn)接頭與頂板錨桿連接，通過(guò)錨桿接受微震信號(hào)，如圖3(b)所示。

圖3 檢波器安裝

系統(tǒng)標(biāo)定是指標(biāo)定微震系統(tǒng)的定位精度及反演地層速度，通常做法是選擇3個(gè)已知坐標(biāo)的位置作為炮點(diǎn)放標(biāo)定炮，即把起爆位置當(dāng)成一個(gè)已知的點(diǎn)震源，然后對(duì)點(diǎn)震源起爆發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行反演計(jì)算得出炮點(diǎn)坐標(biāo)，從而達(dá)到定位的目的。

通過(guò)對(duì)比炮點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)和計(jì)算坐標(biāo)的差異進(jìn)行地層速度反演。本次監(jiān)測(cè)定位信息見(jiàn)表1。

根據(jù)表1定位誤差值，3個(gè)炮點(diǎn)反演的精度較高，誤差最大為3號(hào)炮點(diǎn)ΔX(X方向誤差)的3.2 m，誤差最小為1號(hào)炮點(diǎn)ΔY(Y方向誤差)的0，高程最大誤差為3號(hào)炮點(diǎn)ΔZ(Z方向誤差)的0.70 m，誤差均較小，滿(mǎn)足精度要求。

表1 標(biāo)定炮定位信息

3 微震事件分布特征及覆巖破壞規(guī)律

3.1 工作面微震事件分析

將微震事件標(biāo)高按每10 m間隔區(qū)間劃分，進(jìn)行微震事件個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)，如圖4(a)所示。由圖4(a)可以看出，隨著標(biāo)高上升，微震事件也逐步上升，在+1 010～+1 020 m區(qū)間內(nèi)微震事件數(shù)量達(dá)到頂峰，之后隨著標(biāo)高的上升，微震事件數(shù)量逐步下降，總體來(lái)看，微震事件主要發(fā)生在標(biāo)高+950～+1 110 m區(qū)間內(nèi)，說(shuō)明頂板破裂主要集中在該范圍內(nèi)。在+1 110 m之上依然有微震事件產(chǎn)生，但數(shù)量較少。

圖4 微震事件統(tǒng)計(jì)

將微震數(shù)據(jù)從開(kāi)始監(jiān)測(cè)日期(2019年8月25日)到監(jiān)測(cè)結(jié)束日期(2019年12月11日)按7 d劃分，分別為8月25-31日、9月1-8日、9月9-19日、9月20-27日、9月28日-10月7日、11月17-25日、11月26日-12月2日、12月3-11日，做微震事件在不同時(shí)間間隔微震事件數(shù)量折線，如圖4(b)所示。由圖4(b)可以看出，在第一階段和第二階段監(jiān)測(cè)初期(2019年8月25-31日、11月17-25日、11月26日-12月2日)，微震事件在各標(biāo)高區(qū)段數(shù)量相對(duì)于監(jiān)測(cè)中后期較少，原因是由于在工作面回采過(guò)程中，工作面前方覆巖應(yīng)力平衡被破壞，覆巖所受應(yīng)力增大，覆巖破裂超前工作面發(fā)育，故而導(dǎo)致在監(jiān)測(cè)初期微震事件數(shù)量較少；在2019年9月1-8日、9月9-19日、9月20-27日、9月28日-10月7日、11月17-25日、11月26日-12月2日、12月3-11日，微震事件主要集中在+940～+1 110 m之間。

3.2 工作面覆巖破壞規(guī)律

監(jiān)測(cè)期間微震事件定位分布結(jié)果如圖5所示，工作面走向微震事件分布如圖6所示。

圖5 微震事件定位分布結(jié)果

圖6 微震事件沿工作面走向分布

破裂點(diǎn)主要集中在112201工作面監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，整體走向與工作面走向垂直，除112201工作面內(nèi)的破裂信號(hào)，工作面兩側(cè)同樣分布部分破裂信號(hào)。從圖6來(lái)看，破裂點(diǎn)基本分布在標(biāo)高+940～+1 200 m范圍內(nèi)。

3.2.2 微震事件密度分析

根據(jù)前文數(shù)據(jù)劃分時(shí)間繪制各個(gè)時(shí)間段工作面走向微震事件密度，密度半徑參數(shù)取50，利用距離平方加權(quán)的數(shù)學(xué)方法生產(chǎn)密度，結(jié)果如圖7所示。

圖7 工作面走向微震事件密度

圖7(a)～7(e)為第一次監(jiān)測(cè)微震事件密度分布，圖7(f)～7(h)為第二次監(jiān)測(cè)微震事件密度分布，微震事件總體上隨著工作面的推進(jìn)向前均勻發(fā)育，第一次監(jiān)測(cè)微震事件的投影密度比第二次監(jiān)測(cè)的微震事件密度大。分析認(rèn)為112201工作面在末端回采過(guò)程中開(kāi)采強(qiáng)度低，同時(shí)回采過(guò)程中頂板的漏矸問(wèn)題對(duì)112201工作面末端進(jìn)行了人為加固；在第二次進(jìn)行監(jiān)測(cè)之前，112201工作面末端煤層頂板之上覆巖已經(jīng)發(fā)生破裂，故而出現(xiàn)第二次監(jiān)測(cè)微震事件密度小的情況。

一階段檢測(cè)期間，以微震事件密度值600作為微震事件高密度區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)作為導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高程，從開(kāi)始監(jiān)測(cè)到監(jiān)測(cè)結(jié)束，微震事件高密度區(qū)域頂界面高程見(jiàn)表2，在一階段監(jiān)測(cè)期間，112201工作面內(nèi)上方微震事件高密度區(qū)域頂界面高程達(dá)到+1 115 m；二階段檢測(cè)期間，工作面回采至終采線時(shí)，同理可得112201工作面內(nèi)上方微震事件高密度區(qū)域頂界面高程達(dá)到+1 123 m，終采線附近頂界面導(dǎo)水裂縫帶高程略大于工作面內(nèi)導(dǎo)水裂縫帶高程。

表2 微震事件高密度區(qū)域頂界面高程(2019年)

4 微震導(dǎo)水裂縫帶高度結(jié)果分析及驗(yàn)證

4.1 導(dǎo)水裂縫帶高度結(jié)果分析

本次微震監(jiān)測(cè)采用微震事件空間密度分布和各時(shí)段垂向分布特征綜合分析確定導(dǎo)水裂縫帶高度。從表2和圖7可以看出，在監(jiān)測(cè)初期，微震事件高密度區(qū)域頂界面高程都較低，這是因?yàn)轫敯甯矌r破裂存在超前發(fā)育的情況，在監(jiān)測(cè)之前，監(jiān)測(cè)區(qū)域頂板破裂已經(jīng)產(chǎn)生，但是這些破裂的微震信號(hào)并沒(méi)有被接受，故而出現(xiàn)監(jiān)測(cè)初期微震事件較少的情況。

綜上，微震事件主要集中于標(biāo)高+940～+1 160 m 范圍內(nèi)，在標(biāo)高+1 087～+1 115 m階段微震密度達(dá)到最大值，根據(jù)煤層埋深與微震事件高程差，綜合判定導(dǎo)水裂縫帶最終為154～163 m，裂采比為26.55～28.10。2019年12月3-11日時(shí)間段工作面回采至終采線時(shí)，終采線附近微震事件相對(duì)工作面其他區(qū)域微震事件的高度相對(duì)突出，導(dǎo)水裂縫帶高度為168 m，裂采比為28.97。

4.2 微震監(jiān)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證

為驗(yàn)證微震監(jiān)測(cè)導(dǎo)水裂縫帶結(jié)果的準(zhǔn)確性，選取112201工作面附近“三帶”鉆孔XSD4進(jìn)行驗(yàn)證，鉆孔位置如圖8所示。XSD4鉆孔漏失量變化曲線如圖9所示。

圖9 XSD4鉆孔沖洗液漏失量變化曲線

根據(jù)鉆孔沖洗液漏失量變化曲線，鉆孔鉆至124.80 m時(shí)，距離2-2號(hào)煤層頂板175.57 m，鉆液漏失量從0.45 L/s突增至3.15 L/s，且循環(huán)液中斷，鉆液無(wú)法返回地面，因此可以得出導(dǎo)水裂縫帶頂界位置為124.80 m，即導(dǎo)水裂縫帶高度為175.57 m，2-2號(hào)煤層采高5.80 m，裂采比為30.27。鉆孔實(shí)測(cè)裂采比與本次結(jié)論所得裂采比誤差較小，表明該方法的探查結(jié)果相對(duì)可靠，能夠?yàn)樵摰V區(qū)相似地質(zhì)條件煤層開(kāi)采提供參考依據(jù)。

5 結(jié)論

(1)微震事件主要集中于標(biāo)高940～1 160 m范圍內(nèi)，在標(biāo)高1 087～1 115 m階段微震密度達(dá)到最大值，根據(jù)煤層埋深與微震事件高程差，綜合判定導(dǎo)水裂縫帶最終為154～163 m，裂采比為26.55～28.10。

(2)終采線附近微震事件相對(duì)工作面其他區(qū)域微震事件的高度相對(duì)突出，該區(qū)域?qū)芽p帶高度為168 m，裂采比為28.97，導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度略大工作面內(nèi)部。

(3)利用井-地聯(lián)合微震監(jiān)測(cè)技術(shù)所得結(jié)論與鉆孔實(shí)測(cè)結(jié)果誤差較小，表明該方法所得結(jié)論相對(duì)可靠，可為相似地質(zhì)條件中埋深煤層開(kāi)采覆巖導(dǎo)水裂縫帶判斷提供重要依據(jù)。