微震与电磁耦合技术在突水监测中的应用

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　　摘  要：从矿井水运移的时、空特点着手，运用微震与电磁法监测技术对工作面底板隔水层薄弱带、含水层富水区、水文地质异常区、采掘破坏影响范围、物探异常区等进行监测，实现对矿井水动态变化时、空特征的描述，监测突水通道的“形成、发育、贯通”过程，实现对矿井突水的预警采掘工作面的同时监测。
　　关键词：微震;电磁;监测;突水
　　中图分类号：TE37 文献标志码：A 文章编号：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工作面位于恒源矿Ⅱ63采区中上部，为Ⅱ63采区准备的第二个工作面。工作面东部（收作线外侧）为Ⅱ63采区的三条主要下山（轨道、运输、回风），其外侧靠近采区边界断层——孟口逆断层（∠28°～35°H=0～75m），工作面整体处在孟口逆断层的下盘;南部为Ⅱ632工作面采空区;西部切眼外侧为恒源煤矿和河南新庄煤矿的矿井边界线;北部为尚未布置采掘工程的Ⅱ634工作面。Ⅱ633工作面设计为综采工作面，总体上属近走向长壁式布置，工作面走向长2015m（至收作线），倾斜宽182m。
　　2 影响工作面回采的水文地质因素
　　工作面上覆含水层为6煤顶底板砂岩裂隙水（8含），该含水层是工作面回采的主要充水水源，以静储量为主。因Ⅱ633工作面为温庄向斜轴部区域，结合目前Ⅱ632工作面老塘出水情况，8含含水量丰富，短期内不易疏干。工作面下伏含水层为6煤底板太灰含水层，在未实施地面顺三灰层位底板注浆加固前，工作面里段底板承受灰岩水压为4.03～4.42MPa（计算至一灰顶，47.8m），突水系数为0.084MPa/m～0.092MPa/m。根据上述水文地质情况，Ⅱ633工作面里段已实施了地面顺三灰层位注浆加固、物探工程、井下验证孔、顶板砂岩疏放孔。考虑到砂岩水和底板灰岩水不会对工作面回采构成威胁， 本技术主要应用在注浆扰动监测和采掘扰动微震监测。
　　3 工作面防突水微震与电磁耦合监测方案设计
　　3.1 监测区域的确定
　　建立恒源煤矿Ⅱ633工作面里段开采微震电磁监测系统。该系统由主控系统接收从与其相连的地震传感器传输来的地震模拟信号并将其转换成数字信号，然后将数字信号传输给监测记录控制中心。根据结合该矿的地下工程条件，拟定采用9个地震传感器和3个电磁传感器的系统硬件配置方案，并对此在不同空间坐标上设计了9种地震传感器和3种电磁传感器空间布置方案，供计算分析。
　　3.2 传感器位置布置方案拟定
　　（1）方案拟定原则。由于矿体是缓倾斜矿体，监测区内的矿体埋深变化不大，为使测点形成较好的空间分布，在这些巷道内拟开采的煤层内布置钻孔用于安装电磁传感器，传感器安装深度为1m;在该水平巷道内向下或向上钻孔用于安装地震传感器，从降低噪声干扰和施工要求考虑，其深度达0.5m，地震传感器的布置要求必须形成较好的空间关系。（2）监测设备的安装。a.一个监测站布置三组监测系统，每组监测系统选择在煤帮锚杆托盘上安装3个微震传感器，该传感器的安装通过磁铁直接吸附在托盘上，不破坏巷道锚杆;每组监测系统选择在煤帮下部钻孔中安装1个电磁传感器，钻孔要求向下倾斜45度，深度1m，直径50mm以上，无需封孔。微震传感器与电磁传感器安装示意图见图1，在传感器安装完，要求测量每个传感器的三维坐标。三组监测系统通过电缆与主机相连，要求24h不间断供电（电压127伏）。b.监测站的布置。第一个监测站点选择在Ⅱ633工作面机巷900m处，工作面推到距离测点60m时移动设备至下一监测站点。第二个监测站点选择在Ⅱ633工作面风巷1250m处，当工作面推到距离观测点60m时移动观测设备至下一监测站点。第三个监测站点选择在Ⅱ633工作面风巷1500m处，当工作面推到距离观测点60m时移动观测设备至下一监测站点。第四个监测站点选择在Ⅱ633工作面风巷1750m处，当工作面推到距离观测点60m时移动观测设备至下一监测站点。第五个监测站点选择在Ⅱ633工作面风巷2000m处，当工作面推到距离观测点60m时移动观测设备至下一监测站点。 　　4 人工扰动微震电磁监测技术
　　4.1 注浆扰动微震监测及效果分析
　　（1）注浆扰动范围。奥陶系灰岩水害是我国最主要的煤矿水害类型，煤层底板与含水层之间起到阻水重要作用的岩层为隔水层。隔水层起到阻止突水的作用，其阻水能力取决于隔水层的强度、厚度和裂隙发育程度以及隔水层的均一程度。隔水层均一性差异大时，会存在隔水层薄弱带，当采煤扰动到此时，煤层底板突水往往发生在隔水层薄弱带。Ⅱ633工作面里段已实施了地面顺三灰层位注浆加固、物探工程、井下验证孔、顶板砂岩疏放孔，对里段岩层位出水不会对工作面回采构成威胁已基本控制，底板注浆改造也往往是改造隔水层薄弱带的稳定性。但确定隔水层薄弱带的具体位置是非常困难的。因此，本研究利用与Ⅱ633工作面相邻的Ⅱ634工作面正在进行注浆加固的机会进行人工注浆扰动诱发微震对隔水层薄弱带进行有效性探查。煤层底板隔水层、含水层注浆加固改造工程中，借助高压注浆泵所形成的压力和浆柱本身的压力，把浆液注入岩层原生裂隙中，并利用高压液体对岩体的劈裂作用，使岩层产生次生裂隙，在扩大浆液扩散范围的同时，激发地震波，利用微震监测技术，对隔水层薄弱带、注浆浆液扩散范围及区域注浆进行评价。（2）有统计数据分析可知。a.随着注浆压力的增加，浆液扩散半径增加趋势呈变快状态，二者呈非线性关系。b.随裂缝开度增长，注浆压力相同时，裂隙宽度愈大，浆液扩散半径增量愈大。
　　通过钻孔注浆（纯水泥浆和加入速凝剂的水泥浆），高压浆液在含水层原有裂隙内产生冲扩、劈裂、破岩等作用，人工诱发一系列微震事件发生，监测、分析这些微震事件的时空变化规律，可以确定注浆浆液扩散范围、路径及含水层储水结构形态、地下水强径流带位置、导水通道、突水口位置等，为预防和避免煤矿突水事故发生及突水事故的快速治理、注浆工程效果评价、水资源保护提供技术依据。Ⅱ634工作面煤层顶底板注浆监测微震事件图2所示。顶底板注浆是岩层开裂所引起的。
　　4.2 采掘扰动微震监测及效果分析
　　（1）采掘扰动范围。在煤矿井下复杂的岩体环境及水文地质环境中，任何人为的采动或掘进都会对周围的岩体原岩产生应力扰动，引起围岩塑性变形、垮落、沉降等。在防治水的关键区域或岩层节理构造发育的地方，这些对岩体的扰动破坏可能会引起周围水文地质条件的变化。因此，在充分认识采动过程的应力特征和变化规律的基础上，对关键区域进行采动掘进等人工扰动，通过微震监测技术对其扰动产生的微震事件进行监测解释，分析关键区域应力再造过程中产生围岩塑性变形、垮落、沉降，对比常规区域采掘松动圈以外的异常情况，也同时监测关键区域范围内可能会引起的水文地质条件变化。（2）采掘扰动微震效果分析。Ⅱ633工作面回采期间顶底板破坏情况。在深部大采深高承压水上煤层开采，为保证煤层带压开采防治水工作安全，煤层底板破坏深度的预计及确定是非常关键的。煤层底板奥陶系灰岩裂隙普遍发育且富水性强，若煤层回采过程中，煤层底板破坏深度过大，导通裂隙含水层，则极易发生突水事故。Ⅱ633工作面回采期间煤层顶底板附近微震事件剖面图2所示。监测事件绝大部分是顶板产生，这可能是顶板岩层塌陷所致。
　　5 结束语
　　微震电磁监测技术在传统的应用中是对被动震源进行监测，在研究防治水过程中，需要在矿井突水前就探查到导水通道，而水在动平衡状态时往往激发不了微震事件，在被动等震的过程中，就很难監测到隐伏的导水构造。因此，利用Ⅱ634注浆主动扰动手段，使得岩体和地下水流场的耦合系统发生扰动，诱发微震事件，由常规方法的“被动等震”监测转变为“主动诱震”监测，在一定程度上可用于探测隐伏导含水构造。从监测的数据进行分析，注浆引起的微震事件较明显，分散较均匀，但微震事件能量都比较小;采掘引起的采空区顶板塌陷微震事件较多，事件的能量明显比注浆引起的微震事件能量大。在整个监测过程中，没有监测到明显底板产生的微震事件，这说明Ⅱ633工作面通过实施了地面顺三灰层位注浆加固后，底板岩层比较稳定。通过对皖北煤电恒源煤矿Ⅱ633工作面里段防突水微震与电磁耦合监测试验，采用高精度、宽频带、高灵敏的震动和电磁传感器而形成的微震和电磁一体化监测系统进行冲击地压（或突水）监测是可行的，它覆盖了声发射、微震、矿震及地音各阶段的振动和电磁辐射信号，可以完全替代声发射监测、冲击地压监测、地音监测和电磁辐射监测，是一种多参数综合监测评价分析的监测预警预报系统。
　　参考文献：
　　[1]段建华，汤红伟，王云宏.基于微震与瞬变电磁法的煤层气井水力压裂监测技术[J].煤炭科学技术，2018，46（6）：160-166.
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