劉曉國 ，魏廷雙 ，余國鋒 ，王四戌 ，韓云春 ，牟文強 ，李連崇

（1.淮南礦業(yè)煤業(yè)分公司 張集煤礦，安徽 淮南 232001；2.深部煤炭開采與環(huán)境保護國家重點實驗室，安徽 淮南 232000；3.平安煤炭開采工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，安徽 淮南 232000；4.東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819）

微震監(jiān)測技術(shù)作為一種巖體微破裂三維空間監(jiān)測技術(shù)，在礦井安全開采方面得到了廣泛應(yīng)用，如沖擊地壓、礦井突水災(zāi)害預(yù)警，在重大地質(zhì)災(zāi)害防治方面得到了迅速發(fā)展[1-4]。微震監(jiān)測技術(shù)主要采集巖體等脆性材料在外力等荷載作用下，發(fā)生微破裂時釋放彈性波的時間、空間、強度來推演微破裂的發(fā)生位置，國內(nèi)外很多學(xué)者針對微震監(jiān)測與突水災(zāi)害預(yù)警進行了深入研究[5-7]。導(dǎo)水裂隙通道是煤層頂?shù)装逶陂_挖作用、承壓水共同作用下導(dǎo)致巖體破裂失穩(wěn)而形成的，根據(jù)國內(nèi)外的研究成果，微破裂是導(dǎo)水裂隙形成的前兆信息，因此采用微震監(jiān)測手段監(jiān)測導(dǎo)水通道的形成、發(fā)展、孕育、演變過程是可行的[8-10]。張鵬海等人研究了采用微震監(jiān)測結(jié)果以及數(shù)值模擬等手段研究了導(dǎo)水通道的形成過程[11-13]；程關(guān)文在煤礦突水方面研究了微震監(jiān)測技術(shù)及其定位效果可以得到很好應(yīng)用，為微震監(jiān)測突水災(zāi)害預(yù)測預(yù)警提供了理論基礎(chǔ)[14-15]。微震預(yù)測系統(tǒng)的監(jiān)測精度、準(zhǔn)確性與礦井監(jiān)測工作面的物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)-傳感器的布置方式具有重要關(guān)系，合理的設(shè)計應(yīng)當(dāng)根據(jù)各個煤礦的特殊地質(zhì)條件、采準(zhǔn)巷道布置、生產(chǎn)成本等而進行優(yōu)化確定。

1 工程概述

1）地質(zhì)概況。張集煤礦1612A工作面位于礦井西風(fēng)井工業(yè)廣場西側(cè)，地面對應(yīng)物有村莊、堤壩、公路、農(nóng)田和灌溉溝渠、地表水系以及上工作面回采后形成的沉陷區(qū)等。根據(jù)三維地震、地面鉆探及巷道實際揭露資料顯示，1612 A工作面回采范圍內(nèi)煤巖層總體近似為一單斜構(gòu)造，局部地段存在波狀起伏，地層走向 70°～130°，傾向 160°～220°，傾角 8°～14°，平均9.5°，在構(gòu)造發(fā)育附近煤巖層產(chǎn)狀可能有一定變化。在回采范圍內(nèi)，該面地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜，軌道巷道揭露斷層 9條；切眼揭露 3條；運輸巷道揭露斷層 7條；疏水巷 2條斷層，總計 21條。對回采有影響的斷層有 4條，分別為：F1611A76(高0.8～3.0 m），貫穿工作面；F1612A77（高 0.3～1.6 m），面內(nèi)延伸約 166 m；F1611A78（高 1.2～1.5 m），面內(nèi)延伸約 140 m；F1611A80（高 0.5～2.5 m），面內(nèi)延伸約 90 m。該工作面開采煤層為1煤，厚度2.1～9.1 m，平均6.3 m。

煤層底板隔水層厚度平均約17 m，灰?guī)r承壓含水層是工作面回采的重要充水水源。根據(jù)掘進期間1612A軌道巷及運輸巷所揭露的多條斷層均出現(xiàn)滴、淋水，預(yù)計回采期間工作面回采至斷層附近可能有淋、滴水現(xiàn)象；工作面掘進過斷層期間均無灰?guī)r水出水現(xiàn)象，工作面穿層鉆孔、定向長鉆孔等底板鉆孔均無較大出水現(xiàn)象，但回采期間受回采擾動明顯后仍需采取針對性的防治灰?guī)r水措施，突水危險域分布如圖1。

2）巷道布置與開采情況。1612A工作面采用的是走向長壁、綜合機械化采煤方法、分層開采，煤層自頂板進行回采。工作面凈寬199.6 m，工作面可推進長度1569 m。該工作面為本采區(qū)第2個回采工作面，工作面進、回風(fēng)巷布置與煤層走向基本一致。運輸巷通過工作面溜煤眼與采區(qū)運輸下山連接，在生產(chǎn)期間運輸煤炭；軌道巷直接和回風(fēng)下山相連實施回風(fēng)。在軌道巷道、運輸巷與煤底板軌道下山之間均布置有進料聯(lián)巷，在回采期間進料、回風(fēng)和進風(fēng)。1612A軌道巷與運輸巷均沿煤層跟頂布置，梯形斷面凈規(guī)格為5.2 m×3.5 m（寬×高）。1613A底抽巷為煤層下布置，直墻半圓拱斷面，斷面凈規(guī)格為：4.4 m× 3.5 m（寬×高）。

圖1 突水危險域分布Fig.1 Distribution of water inrush areas

2 微震系統(tǒng)傳感器安裝優(yōu)化設(shè)計

微震傳感器布置設(shè)計考慮到F1611A76斷層、F1611A77斷層、F1611A78斷層、F1611A80斷層對工作面回采造成的影響，為了有效監(jiān)測斷層的實際微震情況，微震傳感器盡可能分布于斷層附近?；诠ぷ髅婊夭蛇M度以及傳感器安裝的便捷性和可行性，同時充分利用1612A工作面附近的所有巷道，可采用 2種巷道搭配方法，即選擇1612A工作面軌道巷和運輸巷、1612A工作面軌道巷和1613A底抽巷。傳感器的布置方式一般選擇采用打鉆孔安置于鉆孔底部的方式進行，但是考慮到張集煤礦為高瓦斯礦井、弱電傳感器遺留采空區(qū)所帶來的安全隱患，不能采用直接埋設(shè)的方式進行；同時基于減少設(shè)備浪費、提高設(shè)備利用率考慮，針對1612A工作面的微震監(jiān)測系統(tǒng)采用循環(huán)式布置方式進行。微震信號接收原理如圖2。

根據(jù)微震傳感器信號接收原理，受采動影響的頂?shù)匕鍘r層發(fā)生破裂、裂紋擴展，巖體的破裂信號通過巖體介質(zhì)傳導(dǎo)至傳感器，傳感器將信號轉(zhuǎn)換為電信號形成波形數(shù)據(jù)?；趯鞲衅鹘邮招盘栐淼恼J(rèn)識，通過錨桿與傳感器相互連接仍然可以實現(xiàn)接收信號，錨桿深入煤層底板巖體中。但是要求錨桿采用鋼制實體結(jié)構(gòu)，其目的是能夠傳到微震動信號。傳感器的螺栓通過焊接、錨固等手段實現(xiàn)與錨桿連接。工作面微震傳感器布設(shè)如圖3，傳感器布置在軌道巷和運輸巷內(nèi)，錨桿選擇在巷道內(nèi)的幫部實施鉆打，距離底板 50 mm，呈 45°～70°傾角斜向下鉆打，單條巷道內(nèi)相互間隔100 m均勻布置12根錨桿?？紤]如圖1的1612A工作面突水危險域，其軌道巷道內(nèi)第1個傳感器距離開切眼約240 m，為優(yōu)化傳感器的布置矩陣，1613A底抽巷內(nèi)第1個傳感器距離內(nèi)聯(lián)巷 210 m，保證兩巷道內(nèi)的傳感器稱交叉分布。

圖2 微震信號接收原理Fig.2 Receiving principle of microseismic signal

圖3 工作面微震傳感器布設(shè)Fig.3 Layout of microseismic sensors in the working face

根據(jù)地質(zhì)條件，運輸巷道內(nèi)需要鉆打長錨桿8.5 m，巷道斷面尺寸不能滿足施工要求；且該工作面為綜采工作面，基于實際帶式運輸機巷道出煤，為防止對采煤、運煤產(chǎn)生較大影響并考慮到后期對傳感器的維護，不選擇在運輸巷中安設(shè)傳感器。選擇軌道巷、1613A底抽巷作為主要監(jiān)測巷道。軌道巷鉆打12根錨桿長度4.5 m，1613A底抽巷利用原有錨桿錨固連接12根。其中底抽巷位于工作面下部，距離軌道巷約220 m，能夠滿足監(jiān)測要求。但是由于底抽巷為無人施工巷道，并不適合在巷道內(nèi)鉆打錨桿，基于底抽巷的圍巖均為巖巷，確定選擇底抽巷幫部現(xiàn)有錨桿作為傳輸介質(zhì)，利用錨固劑將螺栓錨固于錨桿端頭。

根據(jù)所優(yōu)化的設(shè)計方案，在張集煤礦1612A工作面軌道巷、1613A底抽巷布置了微震傳感器。其中軌道巷新鉆打錨桿12根，傾角70°左右，入巖深度＞40 cm；底抽巷在幫部利用錨固劑固定傳感器螺栓12個，入巖深度2.5 m左右。微震系統(tǒng)實時監(jiān)測1612A工作面微震事件微震波形及事件定位如圖4。

圖4 微震波形及事件定位Fig.4 Microseismic waveform and event location

3 信號強度與波形數(shù)據(jù)驗證分析

1）工作面推進與信號驗證。微震系統(tǒng)運行后，隨著工作面推進開采，巖體破壞波形數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)正常接收，有效微震事件在頂?shù)装鍘r層中均有發(fā)生，每天的微震事件維持在1 000個左右。以4月10號所監(jiān)測到的波形、微震能量事件為例，當(dāng)日1612A工作面推進進尺約420 m。通過微震事件定位，在該區(qū)域內(nèi)發(fā)生大量的微震事件，尤其是在工作面迎頭后方0～200 m的范圍內(nèi)，頂板的微震事件較多且能量較大，這與工作面的開采情況是相互吻合的，由于該區(qū)域內(nèi)斷層較多且頂板自然垮落會產(chǎn)生較大的能量釋放。同時在超前工作面100 m左右范圍內(nèi)也有較大能量的釋放，這是由于頂板巖層超前應(yīng)力作用所導(dǎo)致的。

2）巷內(nèi)大能量事件分析。如圖4，在1613A底抽巷底板表面產(chǎn)生大能量事件，即圖中的綠色能量球，該事件相比較其他的微震事件較為特殊，距離工作面推進迎頭約400 m。因此對底抽巷內(nèi)進行了實地考察，發(fā)現(xiàn)在此處安裝有大功率抽水泵，由于傳感器安裝在外部，而底抽巷傳感器并未用碎石等材料掩埋，因此接收了水泵所產(chǎn)生的振動信號而造成大能量事件，實現(xiàn)了很好的定位效果，也進一步驗證了利用設(shè)計方案方法實施微震系統(tǒng)的合理性。

4 結(jié)語

張集煤礦1612A工作面斷層較多、地質(zhì)條件復(fù)雜、受承壓含水層影響，存在突水安全隱患，利用1612A軌道巷、1613A底抽巷，結(jié)合焊接長錨桿4.5 m、焊接傳感器螺栓以及巷內(nèi)現(xiàn)有錨桿錨固劑錨固端頭的安裝傳感器方法，實現(xiàn)了對工作面底板的微震監(jiān)測。通過對監(jiān)測波形數(shù)據(jù)進行后期處理，定位了工作面開采過程中的有效微震事件，利用工作面推進速度與頂?shù)装逦⒄鹗录l(fā)生的位置驗證了設(shè)計方法的合理性，同時在底抽巷存在的異常微震點進一步驗證了該方法的合理性和定位準(zhǔn)確性。