微震與電磁耦合技術在突水監測中的應用

王坤

摘? 要：從礦井水運移的時、空特點著手，運用微震與電磁法監測技術對工作面底板隔水層薄弱帶、含水層富水區、水文地質異常區、采掘破壞影響范圍、物探異常區等進行監測，實現對礦井水動態變化時、空特征的描述，監測突水通道的“形成、發育、貫通”過程，實現對礦井突水的預警采掘工作面的同時監測。

關鍵詞：微震;電磁;監測;突水

中圖分類號：TE37 文獻標志碼：A 文章編號：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采區中上部，為Ⅱ63采區準備的第二個工作面。工作面東部（收作線外側）為Ⅱ63采區的三條主要下山（軌道、運輸、回風），其外側靠近采區邊界斷層——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;西部切眼外側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工作面設計為綜采工作面，總體上屬近走向長壁式布置，工作面走向長2015m（至收作線），傾斜寬182m。

2 影響工作面回采的水文地質因素

工作面上覆含水層為6煤頂底板砂巖裂隙水（8含），該含水層是工作面回采的主要充水水源，以靜儲量為主。因Ⅱ633工作面為溫莊向斜軸部區域，結合目前Ⅱ632工作面老塘出水情況，8含含水量豐富，短期內不易疏干。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巖水壓為4.03～4.42MPa（計算至一灰頂，47.8m），突水系數為0.084MPa/m～0.092MPa/m。根據上述水文地質情況，Ⅱ633工作面里段已實施了地面順三灰層位注漿加固、物探工程、井下驗證孔、頂板砂巖疏放孔?？紤]到砂巖水和底板灰巖水不會對工作面回采構成威脅， 本技術主要應用在注漿擾動監測和采掘擾動微震監測。

3 工作面防突水微震與電磁耦合監測方案設計

3.1 監測區域的確定

建立恒源煤礦Ⅱ633工作面里段開采微震電磁監測系統。該系統由主控系統接收從與其相連的地震傳感器傳輸來的地震模擬信號并將其轉換成數字信號，然后將數字信號傳輸給監測記錄控制中心。根據結合該礦的地下工程條件，擬定采用9個地震傳感器和3個電磁傳感器的系統硬件配置方案，并對此在不同空間坐標上設計了9種地震傳感器和3種電磁傳感器空間布置方案，供計算分析。

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，監測區內的礦體埋深變化不大，為使測點形成較好的空間分布，在這些巷道內擬開采的煤層內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0.5m，地震傳感器的布置要求必須形成較好的空間關系。（2）監測設備的安裝。a.一個監測站布置三組監測系統，每組監測系統選擇在煤幫錨桿托盤上安裝3個微震傳感器，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;每組監測系統選擇在煤幫下部鉆孔中安裝1個電磁傳感器，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，要求測量每個傳感器的三維坐標。三組監測系統通過電纜與主機相連，要求24h不間斷供電（電壓127伏）。b.監測站的布置。第一個監測站點選擇在Ⅱ633工作面機巷900m處，工作面推到距離測點60m時移動設備至下一監測站點。第二個監測站點選擇在Ⅱ633工作面風巷1250m處，當工作面推到距離觀測點60m時移動觀測設備至下一監測站點。第三個監測站點選擇在Ⅱ633工作面風巷1500m處，當工作面推到距離觀測點60m時移動觀測設備至下一監測站點。第四個監測站點選擇在Ⅱ633工作面風巷1750m處，當工作面推到距離觀測點60m時移動觀測設備至下一監測站點。第五個監測站點選擇在Ⅱ633工作面風巷2000m處，當工作面推到距離觀測點60m時移動觀測設備至下一監測站點。

4 人工擾動微震電磁監測技術

4.1 注漿擾動微震監測及效果分析

（1）注漿擾動范圍。奧陶系灰巖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度、厚度和裂隙發育程度以及隔水層的均一程度。隔水層均一性差異大時，會存在隔水層薄弱帶，當采煤擾動到此時，煤層底板突水往往發生在隔水層薄弱帶。Ⅱ633工作面里段已實施了地面順三灰層位注漿加固、物探工程、井下驗證孔、頂板砂巖疏放孔，對里段巖層位出水不會對工作面回采構成威脅已基本控制，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工作面正在進行注漿加固的機會進行人工注漿擾動誘發微震對隔水層薄弱帶進行有效性探查。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，并利用高壓液體對巖體的劈裂作用，使巖層產生次生裂隙，在擴大漿液擴散范圍的同時，激發地震波，利用微震監測技術，對隔水層薄弱帶、注漿漿液擴散范圍及區域注漿進行評價。（2）有統計數據分析可知。a.隨著注漿壓力的增加，漿液擴散半徑增加趨勢呈變快狀態，二者呈非線性關系。b.隨裂縫開度增長，注漿壓力相同時，裂隙寬度愈大，漿液擴散半徑增量愈大。

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產生沖擴、劈裂、破巖等作用，人工誘發一系列微震事件發生，監測、分析這些微震事件的時空變化規律，可以確定注漿漿液擴散范圍、路徑及含水層儲水結構形態、地下水強徑流帶位置、導水通道、突水口位置等，為預防和避免煤礦突水事故發生及突水事故的快速治理、注漿工程效果評價、水資源保護提供技術依據。Ⅱ634工作面煤層頂底板注漿監測微震事件圖2所示。頂底板注漿是巖層開裂所引起的。

4.2 采掘擾動微震監測及效果分析

（1）采掘擾動范圍。在煤礦井下復雜的巖體環境及水文地質環境中，任何人為的采動或掘進都會對周圍的巖體原巖產生應力擾動，引起圍巖塑性變形、垮落、沉降等。在防治水的關鍵區域或巖層節理構造發育的地方，這些對巖體的擾動破壞可能會引起周圍水文地質條件的變化。因此，在充分認識采動過程的應力特征和變化規律的基礎上，對關鍵區域進行采動掘進等人工擾動，通過微震監測技術對其擾動產生的微震事件進行監測解釋，分析關鍵區域應力再造過程中產生圍巖塑性變形、垮落、沉降，對比常規區域采掘松動圈以外的異常情況，也同時監測關鍵區域范圍內可能會引起的水文地質條件變化。（2）采掘擾動微震效果分析。Ⅱ633工作面回采期間頂底板破壞情況。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計及確定是非常關鍵的。煤層底板奧陶系灰巖裂隙普遍發育且富水性強，若煤層回采過程中，煤層底板破壞深度過大，導通裂隙含水層，則極易發生突水事故。Ⅱ633工作面回采期間煤層頂底板附近微震事件剖面圖2所示。監測事件絕大部分是頂板產生，這可能是頂板巖層塌陷所致。

5 結束語

微震電磁監測技術在傳統的應用中是對被動震源進行監測，在研究防治水過程中，需要在礦井突水前就探查到導水通道，而水在動平衡狀態時往往激發不了微震事件，在被動等震的過程中，就很難監測到隱伏的導水構造。因此，利用Ⅱ634注漿主動擾動手段，使得巖體和地下水流場的耦合系統發生擾動，誘發微震事件，由常規方法的“被動等震”監測轉變為“主動誘震”監測，在一定程度上可用于探測隱伏導含水構造。從監測的數據進行分析，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。在整個監測過程中，沒有監測到明顯底板產生的微震事件，這說明Ⅱ633工作面通過實施了地面順三灰層位注漿加固后，底板巖層比較穩定。通過對皖北煤電恒源煤礦Ⅱ633工作面里段防突水微震與電磁耦合監測試驗，采用高精度、寬頻帶、高靈敏的震動和電磁傳感器而形成的微震和電磁一體化監測系統進行沖擊地壓（或突水）監測是可行的，它覆蓋了聲發射、微震、礦震及地音各階段的振動和電磁輻射信號，可以完全替代聲發射監測、沖擊地壓監測、地音監測和電磁輻射監測，是一種多參數綜合監測評價分析的監測預警預報系統。

參考文獻：

[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測技術[J].煤炭科學技術，2018，46（6）：160-166.