第２９卷第４期 、，０１．２９ Ｎｏ．４ 辽宁工程技术大学学报（自然科学版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉａｏｎｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ） ２０１０年８月 Ａｕｇ．２０１０ 文章编号：１００８－０５６２（２０１０）０４—０５４９－０４ 微震监测技术在煤矿突水监测中的应用 白摘越，王经明 １０１６０１） （华北科技学院土木系，北京要：为了解决每层地板破裂产生微震，而监测震源是确定突水部位这一关键问题，采用微震监测技术在峰峰 矿区梧桐庄煤矿进行了底板突水预测试验研究，发现微震规律符合煤层底板“递进导升”的突水机理。根据监测结 果，反求力学参数，模拟开采，就可以预测下一步可能破裂或微震的发生部位，进而实现突水的预测预报。该技 术对煤矿安全高效生产有重要的意义和良好的应用前景。 关键词：微震监测；煤层；突水预测 中图分类号：ＴＤ ７４ 文献标识码：Ａ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｏｆ ｍｉｃｒｏ—ｓｅｉｓｍｉｃ ｔｏ ｗａｔｅｒ ｉｎｒｕｓｈ ｆｏｒｅｃａｓｔ ｉｎ ｃｏａｌ ｎ１ｉＩｌｅｓ ＢＡｌＹｕｅ，ＷＡＮＧＪｉｎｇｍｉｎ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０１６０１， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗａｔｅｒ ｉｎｒｕｓｈ ｆｒｏｍ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ｆｌｏｏｒ ｎｏｒｍａｌｌｙ ｏｃｃｕｒｓ ｗｈｅｎ ｌｉｍｅｓｔｏｎｅ ｗａｔｅｒ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ｅｒｕｐｔｓ ｏｕｔ ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ａｑｕｉｆｅｒ ｓｔｒａｔａ ｉｓ ｄａｍａｇｅｄ ｂｙ ｍｉｎｉｎｇ ａｃｔｉｖｉｔｉｅｓ．Ｔｈｉｓ ｍｅａｎｓ ｔｈａｔ ｍｉｃｒｏ－ｓｅｉｓｍｉｃ ａｃｔｉｖｉｔｉｅｓ ｗｉｌｌ ｂｅ ｔａｋｅｎ ｐｌａｃｅ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｃｒａｃｋｉｎｇ ａｔ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ｆｌｏｏｒ ｓｔｒａｔａ ＯＣＣｕｒＳ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｔｈｅ ．ｍｉｃｒｏ—ｓｅｉｓｍｉｃ ａｃｔｉｖｉｔｉｅｓ ａｎｄ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｆｏｃａｌ ａｒｅａｓ ｂｅｃｏｍｅ ａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｐｒｅｄｉｃｔ ｔｈｅ ｐｏｓｓｉｂｌｅ ｉｎｒｕｓｈ ｒｅａｓ．Ｔｈｅ ａｕｔａｈｏｒｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｈｅ ｔｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｉｎ ｗｅｅｋｌｙ ｓｅｉｓｍｉｃ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｔｏ ｆｏｒｅｃａｓｔ ｗａｔｅｒ ｉｎｒｕｓｈ ｆｒｏｍ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ｌｆｏｏｒ ｉｎ Ｗｕｔｏｎｇｚｈｕａｎｇ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ ｏｆ Ｆｅｎｇｆｅｎｇ ｃｏａｌ ｆｉｅｌｄ ａｎｄ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｔｈｅｓｅ ｍｉｃｒｏ—ｓｅｉｓｍｉｃ ａｃｔｉｖｉｔｉｅｓ ａｒｅ ｃｏｍｐｌｉｅｄ ｗｉｈ ｔｔｈｅ ｉｎｒｕｓｈ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ‘＇ｐｒｅｓｓｕｒｅｄ ｗａｔｅｒ ｐｒｏｇｒｅｓｓｉｖｅｌｙ ｉｎｔｒｕｄｉｎｇ ｕｐ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｆｌｏｏｒ ａｑｕｉｆｅｒ”．Ｔｈｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ ｏｒ ｍｉｃｒｏ－ｓｅｉｓｍｉｃ ａｒｅａｓ ａｎｄ ｗａｔｅｒ ｉｎｒｕｓｈ ｃａｎ ｂｅ ｆｏｒｅｃａｓｔｅｄ ｂｙ ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｉｎｖｅｒｓｅｌｙ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｎｇ ｍｉｉｎｉｎｇ ａｃｔｉｖｉｔｉｅｓ．Ｔ｝１ｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｉｓ ｏｆ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ ｔｏ ｍｉｎｅ ｓａｆｅｔｙ ａｎｄ ｅｆｉｃｉｆｅｎｔ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｉｎ ｍｉｎｉｎｇ．Ｔｈｅｒｅ ｉｓ ｎｏ ｄｏｕｂｔ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｈａｓ ａ ｇｒｅａｔ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｉｎ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｉｃｒｏ—ｓｅｉｓｍｉｃ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ：ｃｏａｌ ｓｅａｍ；ｗａｔｅｒ ｉｎｒｕｓｈ ｆｏｒｅｃａｓｔ 引 言 煤层底板突水是华北型煤矿的主要灾害形式 的水文地质在华北地区具有一定的典型性，因此本 矿井的防治水技术在全国也具有一定的推广价值。 之一，据统计Ｉｌ Ｊ，自１９５５年以来，华北型煤矿煤层 底板与陷落柱突水１ ２８２次，淹井约２２０起，经济 损失超过３００亿元。峰峰矿区是我国典型的大水矿 区之一，煤层底板突水数百次，淹井或工作面６次， １梧桐庄煤矿的水文地质条件 梧桐庄煤矿主采的二煤赋存于下二叠系山西 组底部，距离下伏野青灰岩３５～５３ ｍ，距离奥陶系 灰岩强含水层约１４０ ｍ。峰峰矿区的其他煤矿在回 梧桐庄煤矿是该矿区的大水矿井。该矿井水文地质 条件复杂，建井以来共发生底板或陷落柱突水６次， 采该煤层时都没有发生过水害，因此认为该矿的水 文地质条件是简单的。然而在建井期间，主副井贯 通施工中发生了断层突水，造成了１７人死亡；３个 死亡ｌ７人，淹井和工作面各１次。因此开展水害 防治方法的研究具有很大的实际意义，梧桐庄煤矿 最早回采的工作面都发生了底板突水灾害，造成了 收稿日期：２００９．０３－１２ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（４０７７２１５２） 作者简介：白越（１９５６．），男，辽宁义县人，副教授。主要从事矿建工程与土木工程设计施工方面的研究。本文编校：于永江 ５５０ 辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 第２９卷 停产：北翼总回风巷在接近导水陷落柱时发生了 １３０ ｍ３／ｈ的突水事故。在以后的生产补充勘探中查 系统标定与监测方法 为了确保监测网参数的合理性，通过试验得到了 弹性波在介质中的传播速率、平均传播速率、能量衰 减规律等参数；检波器安装后，又用标定炮进行了达 处了２４个陷落柱，其中已揭露的３个中有两个是 导水的。因此底板水和陷落柱水对安全高效生产构 成了严重威胁，并成为制约生产发展的主要因素之 一。为了预测预报水害，确保安全生产，我们在梧 时的一致性检验，找出了各检波器的补偿误差。 １８２１０６面标定炮的位置选在测区内的顶板里， 桐庄煤矿１８２１０６工作面应用微震监测技术进行了 底板和陷落柱突水预测预报试验研究。 １８２１０６工作面埋深５０５￣７０７ ｍ，上下巷标高 ．爆破参数见表１。由于定位过程中要使用Ｐ波（纵波） 的初始到时，在此只对Ｐ波的速度结构进行研究。 工作面共布置５个底板监测钻孔，２个校正放 炮钻孔。钻孔编号分别为１至５，炮孔编号分别为 炮１、炮２。每个钻孔安装一个三分量检波器，共 有５个三分量检波器，编号Ｓ１～Ｓ５，其中４ 和５ 检波器靠近断层，以监测断层的活动。由于４、５ ５０６～．３２７ ｍ，倾斜长６５～１６５ ｍ，采高３．４ ｍ；其 东西两侧的１８２１０５、１８２３０１工作面均未采掘。工 作面机巷在掘进期间揭露了直径约３０ ｍ的 陷落 柱；在工作面的内部发育了２条落差小于２ ｍ的小 断层，工作面的上方发育Ｆ２断层，最大落差Ｈ＝２４．０ ／ｌｑ，在工作面内部落差渐缩小直至尖灭，如图１。 本次工作的重点是监测陷落柱和 活动情况。 钻孔之间和上巷ｌ、３ 钻孔之问是电法测得的异常 区，在这一区域增设了８个单分量检波器，编号为 Ｄ１～Ｄ８。在陷落柱的边缘也安设了２个单分量检 断层尖灭端的 波器，编号为Ｄ９＂￣Ｄ１０，以监测底板在采动国产中 的破坏。检波器的布置见图１，钻孔的参数见表２。 表１标定炮爆破参数 Ｔａｂ．１ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ Ｃａｌｉｂｒａｔｉｎｇ Ｂｌａｓｔ 表２钻孔及检波器布置参数 Ｔａｂ．２ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ａｎｄ ｓｅｎｓｏｒｓ ３监测结果与验证 ３。１监测结果 根据频繁程度和强度，微震的发生可以分为３ 个阶段。能量积蓄期、微震频发期和余震期。 能量积蓄期这一阶段从切眼到１ １５ ｍ的范围内。 微震频发期２００６年ｌ２月２５日￣２００６年１２ 月２８日，工作面推进距离为１１５～１２８ ｍ，８次能 量较大的微震有５次发生在这一阶段。 余震期１月８日以后，这一阶段能量较大的微 震仅有３次，主要发生在工作面下半区。 工作面底板微震在平面和剖面上分布如图１和图２。 第４期 ３．２结果分析 白 越，等：微震监测技术在煤矿突水监测中的应用 ５５１ 开采中的微震带来了不良的水文地质效应。在 从图１和图２可知，１８２１０６工作面底板微震 检波器接受到微震的同时，煤层底板发生了巨响， 主要发生在工作面下半部的４ 、５ 监测孔之间。 图Ｉ １８２１０６工作面底板微震监测工程布置和微震平面分布 Ｆｉｇ．１ ｃｈａｒｔ ｏｆｔｈｅ ｓｅｎｓｏｒｓ ｌａｙｏｕｔ ａｎｄ ｍｉｃｒｏ－ｓｅｉｓｍｉｃ ｐｌｎａｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｉｎ ｃｏａｌ ｆｌｏｏｒ ｓｔｒａ＿诅 ４．５ ｍ ８．７ｍ ｌ５．４ｍ ９，７ｍ ３＿３ ｍ ５．６ｍ ７．７ｍ ４．９ｍ 图２ １８２１０６工作面底板微震在Ａ— 剖面上投影 Ｆｉｇ．２ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎｏｆｓｅｃｔｉｏｎＡ－Ａ ｆｏｒｍｉｃｒｏ—ｓｅｉｓｍｉｃ ｏｎｆｌｏｏｒｏｆｗｏｒｋｆａｃｅ １８２１０６ 并出现裂缝，进而发生６０ ｍ ／ｈ的突水，水质为下 在底板内施工了２个穿过断层的钻孔，都没有涌水， 伏奥陶系灰岩水，这和上世纪８０年代峰峰矿区二 证明自然条件下断层是不导水的。在回采过程中断 矿某工作面伴随巨响的底板断裂突水事件极为相 层突水以后，对其中的一个钻孔进行了透孔，穿过 似。这说明微震监测可以作为煤层底板预测有效方 断层时钻孔涌水约３０ ｒｔｌ ／ｈ。这说明在采矿过程中， 法使用。 断层发生了“活化”，其导水性也发生了变化。 可以认为Ｆ１ｏ６＿ｌ断层的尖灭端实际上是隐伏于 煤层以下的断层，即断层的落差下大上小延伸至奥 ４ 结论 陶系灰岩内，如图２。两次微震反应了断层的向上 扩展，符合递进导升的突水机理［８ｌ。 通过对水文地质条件复杂的梧桐庄矿１８２１０６ 工作面底板微震的全程监测，得到如下结论： ３．３工程验证 （１）在开采过程中，工作面底板发生了２５次 在开采以前，为了了解断层Ｆ１０６—１的导水性， 微震，其中８次微震能量较大。微震主要发生在工 作面下方的底板薄弱区。 ５５２ 辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 第２９卷 （２）在开采过程中，工作面底板断层尖灭端 ［５］５杨天鸿、唐春安、谭志宏，岩体破坏突水模型研究现状及突水预测 发生了３次较大的微震，微震的发生间隔和顶板的 预报研究发展趋势［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００７，２（２）：２６８．２７７． 周期来压一致。根据微震发生点计算，断层扩展了 【６】姜福兴，冲击地压及煤与瓦斯突出和透水的微震监测技术叨．煤炭科 １２ｍ。断层的活动造成底板突水，其突水过程符合 学技术，２００７：３５（１）：；２６—２８． 递进导升的突水机理。微震具有显著的超前性，可 【７】崔三元，煤矿水害多源信息预测方法研究【Ｊ】．物探与化探， 作为突水预警的重要依据。 ２００５，２９（６），５５７・５６０． （３）在回采过程中，陷落柱没有发生微震， ［８】Ｗａｎｇ Ｊｉｎｇｍｉｎｇ，Ｇｅ Ｊｉａｄｅ，Ｄａｎｇ Ｘｉｑｉｎｇ，Ｗｕ Ｙｕｈｕａ，‘＇Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ Ｏｎ 其导水性也没有明显变化。 Ｐｒｏｇｒｅｓｓｉｖｅ Ｉｎｔｒｕｓｉｏｎ ｏｆ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｗａｔｅｒ ｕｐ ｉｎｔｏ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ Ａｑｕｃｌｕｄｅ 参考文献： Ａｎｄ Ｉｔｓ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｔｏ Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｉｎｒｕｓｈ Ｉｎ ｃｏａｌ Ｍｉｎｅ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＣｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９９６，，２（２）：９－１６． ［１】王经明．承压水沿煤层底板递进导升的突水机理及其应用［Ｄ】．西安： 【９】琚宜文，刘宏伟，王桂梁，等．卸压套壁法加固井壁的力学机理与工程 西安煤炭科学研究院，２００４． 应用［Ｊ】＿岩石力学与工程学报，２００３（５）：２７３—２７７． 【２】王经明．煤层底板突水自动化监测技术及其应用［Ｊ］．煤矿设计， 【ｌＯ】宫凤强，李夕兵．矿区立井井筒非采动破裂的距离判别分析预测法 １ ９９８（１ ０１：３２—３４． ｆＪ】．煤炭学报，２００７，３２（７）：７００—７０４． 【３】王作宇，刘鸿泉．承压水上采煤［Ｍ】．北京：煤炭工业出版社，１９９２． ［４】陈枫，孙宗颀，徐纪成．岩石压剪断裂过程中的超声波波谱特性 研究【Ｊ】．工程地质学报，２０００，８（２）：１６４．１６８． ≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈ ※※※※※※※※ ※待发表文章※ ※摘要预报※ ※※※※※※※※ 相似模拟实验材料的流固耦合参数测试 张杰 （１．西安科技大学能源学院陕西西安７１００５４ ２． 教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室陕西西安７１００５４） 摘要：根据连续介质的流固耦合数学模型，推导了岩体介质的弹性力学相似条件和水的流体力学 相似条件，确定了流固耦合相似模拟的准则。研制的以石蜡为胶凝剂的流固相似模拟实验材料， 其耦合参数与原型相似，性质满足流固耦合相似模拟实验要求。通过神府矿区某矿１五煤层开采的 流固耦合相似模拟实验表明，模拟所得出的采煤工作面上覆岩层的运动破坏及裂隙演化规律与现场 一致，潜水渗流规律和其它参数也与原型相似，进一步证明了实验材料的选取正确和耦合参数的确 定合理。