新义矿业高承压含水层微震与电法耦合远程监测预警技术研究与应用

新义矿业高承压含水层微震与电法耦合远程监测预警技术研究与应用

于文博

新义煤业有限公司河南洛阳471000

摘 要：根据新义矿业12060工作面水文地质资料，工作面不受地表水、老窑水的威胁。但奥陶系灰岩岩溶裂隙承压含水层距二1煤层底界 44.30～79.68 m，平均约58m，其间有两层主要隔水层阻止该含水层水进入矿井，一般情况下对开采二1煤层影响不大，但在隔水层较薄地段及断层发育处，其会突入矿井引起突水灾害，属具有突水威胁的间接充水含水层。

开展此项目，目的在于针对回采过程中的底板破坏深度、裂隙发育情况及水的渗流情况，采用微震与电法耦合系统对监测区域内的岩体破裂及水的渗流情况进行综合实时监测预警，其中微震监测方法通过微震事件发生频率实时判断裂隙发育程度，进而进行定位分析可准确判断裂隙发育位置，预测底板破坏深度；根据工作面回采进度分析煤层底板岩层裂隙动态发育规律，查找与含水层间的水力联系和导水通道，遇工作面出水，必须准确分析出水原因，快速判定出水水源及通道，综合监测电流、电位分布变化特征、视电阻率分布变化特征及微震事件分布规律，从而达到对于区域内导含水构造活动的预警，分析总结底板破坏规律。

关键词：煤矿；微震；直流电法；煤矿突水机理；煤矿水害防治；

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齐庆新等：煤矿冲击地压应力控制理论与实践 ****年第**期

0引 言

微震与电法耦合并行监测系统直接在工作面巷道及底板岩层施工的钻孔中布设电法及地震传感器，采集电法和微震数据并进行处理与分析，所获得的结果通过多次对比来完成，对煤矿安全高效生产具有重要的指导价值。可通过微震与电法多场耦合监测，获得多种地球物理参数的变化特征，实时掌握煤层底板岩层破坏带发育深度及其发育规律，对重新计算奥灰水突水系数及矿井水害的防治均具有重要意义。可形成一套适用于新义煤矿底板高承压含水层条件下工作面安全回采的重要保障技术，该技术可对本企业及本行业领域同样存在此问题的相同或相似地质条件下的回采工作面，具有普适性，能够大大提高工作面安全回采效率，降低生产成本，具有很好的经济和社会效益，推广应用价值较大。

1微震监测技术研究现状

我国微震监测技术发展相对较晚。1959年，北京门头沟矿首次安装中科院地球物理所研制的581微震仪监测冲击地压活动。1984年开始，国外微震监测设备被进入国内，门头沟、房山等矿山陆续安装了波兰SAK-SYLOK地音-微震监测系统，该系统也是我国第一次安装矿山多通道微震监测系统，但由于操作条件困难，均没有坚持连续监测。2000年山东煤田地调局在兴隆庄煤矿搭建一套微震监测系统进行微震监测技术的研究。同年汕头市液化气库搭建了我国首套应用于非矿震监测行业的多通道微震监测系统。2003年，山东科技大学的姜福兴教授团队与澳大利亚联邦科学院合作开发了一套井下微震定位监测系统，用于实时监测矿山岩体破裂及灾变过程，并在兖州、双鸭山等矿区安装使用。2014年河北煤炭科学研究院有限公司引进加拿大ESG微震监测系统，进行了产学研国产化研究，2016年微震系统进行国产化，成为国内第一家将微震监测应用于煤矿水害的科研机构，2018年该项技术写入了《煤矿防治水细则》。此外，国内外其他深部煤矿或非煤矿山都相继建立了微震监测系统。

2电法监测技术研究现状

我国早在20世纪60年代就开始开展井下直流电法勘探的试验与研究。进入21世纪以来，矿井直流电法勘探仪器日趋小型和轻便，各个科研院所和企业相继研发了众多直流电法仪器，这些仪器普遍都轻便携带，不能长时间在井下使用，并且接入的电极数很少，一般也没有自动测量的功能，所以现有的矿用直流电法仪不适用于电阻率动态监测。2008年，中国矿业大学刘盛东教授提出基于网络并行电法技术的矿井水害动态监测系统，其技术基于高密度电阻率法，并扩展了它的应用范围。

3研究内容

在采掘扰动影响条件下，围岩的破坏必将引起地电场和地震波的响应变化，通过对采掘条件下的电法信号（包括电流、电位、电阻率等）和地震信号（包括微震事件的大小、能量、频率等）进行分析研究从而获得地电场和地震波场的响应特征和变化规律，以此获得工作面底板破坏带深度及分布特征。

通过对电法信号各参数的响应特征和微震信号的定位分析等方法的研究，达到对隐伏地质构造异常体的实时探查判断与动态监测分析，从而实现高承压含水层条件下工作面安全回采的连续监测和预警。

通过开展现场实践应用研究，完善项目研究成果，形成一套高承压含水层条件下微震与电法耦合远程监测预警技术与系统。

4技术路线

5主要成果与创新点

在12060工作面回采期间采用微震电法耦合的方法方法，对工作面回采期间顶、底板破坏深度及充水情况进行实时监测、综合分析、预警，防止裂隙导通四含水和隐伏构造导通底板含水层出水，确保工作面安全回采。

采用震电融合方法对工作面开采影响范围内底板110m出水情况超前进行预警、预报。根据工作面回采进度分析煤层顶板岩层裂隙动态发育规律，查找与含水层间的水力联系和导水通道，遇工作面出水，必须准确分析出水原因，快速判定出水水源及通道；综合监测电流、电位分布变化特征、视电阻率分布变化特征及微震事件分布规律，分析总结顶、底板破坏规律，提交成果报告。

形成一套适合新义煤矿试验工作面回采的底板破坏动态发育规律探查，以及对于底板破坏活化陷落柱、断层等导水通道的连续监测，实现“智能感知、自动处理，实时分析”的高承压含水层条件下回采工作面底板动力现象的微震与电法耦合监测预警系统与技术。改善目前的矿井地质探测与动力灾害预测预警方法，为矿区奥灰岩溶含水层高承压条件下的工作面安全回采提供技术支撑。

6监测成果分析

工作面回采期间，新义煤矿12060工作面底板微震电法耦合监测系统24小时实时监测，对微震震动场信息进行全天候连续覆盖式采集，获得底板岩层破坏及裂隙发育的动态变化规律，为工作面安全回采提供技术保障。监测系统正式启用时间为2023年5月19日，截止2023年11月26日，微震并行电法监测系统已正式运行191天， 监测系统运行期间12060工作面已安全回采约207m。

5.19-11.26监测时间段内，微震事件平面图如下图所示，工作面回采过程中，微震事件主要集中在每天回采位置前方，微震事件在面内分布居多，部分事件在工作面外侧零星发育，监测过程中，事件最大能量306.73J，未出现震级＞0.5的事件，无微震事件激增或能量激增情况，未发现明显异常。5.19-11.26监测时间段内，微震事件剖面图如下图所示，工作面回采过程中，底板微震事件主要集中在底板0~20m深度范围内，顶板微震事件主要在顶板0~15m范围内，部分事件发育深度在底板20~40m，关键层（奥灰岩层）及以下0次事件，未发现明显异常。系统监测过程中，自然电位变化幅值在18~151mV，未超过预警值400mV，未见异常渗流电场。

7效益分析

（1）根据微震事件空间分布和时间分布结果分析，工作面回采过程中，底板微震事件主要集中在底板0~20m深度范围内，顶板微震事件主要在顶板0~15m范围内，部分事件发育深度在底板20~40m，关键层（奥灰岩层）及以下0次事件，通过工作面开采全过程震法监测资料分析底板最大破坏带发育深度在35m左右。

（2）自然电位从变化云图可直观的观察到，自然电位里外段的整体变化较小，无渗流导通的情况发生，通过工作面开采全过程电法监测资料分析未见出水特征，实际开采也得到了验证。

作者简介：

于文博（1990-），男，河南义马人，工程师，现任义煤集团新义矿业有限公司地测副科长，本科。

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