煤炭资源在我国一次能源生产和消费结构中占的比重较高，是稳定经济发展的重要基础保障^[1-3]。由于我国煤炭资源需求量持续增大，进入深部开采的矿井逐渐增多，地下煤炭预测的总资源量中还有大量煤炭资源没有被开发和利用，深部煤炭资源开采将会成为未来的发展趋势。而随之带来的深部动力灾害问题也日趋严重，如煤与瓦斯突出、冲击地压、底板承压水害等^[4-5]。其中，淮南矿区目前已进入深部开采，承压灰岩水已成为影响安全开采的主要威胁。淮南矿区A组煤底板除了受采动应力扰动外，还承受来自奥陶系灰岩含水层的水压力，特别是在地质构造发育段，极易诱发深层位的岩体产生微破裂；一旦底板岩层出现微破裂汇集、上下连通，则可能形成自奥灰含水层的导水通道，易诱发突涌水事故。因此，对回采过程中的底板完整性和潜在导水通道进行超前识别与判断，具有重要意义。

微震监测技术作为1种实时获取岩体微破裂的方法已被广泛用于岩体稳定性评估。微震监测技术是将岩石的破裂信息通过传感器、采集仪等转化为波形数据，实现对岩体结构的实时、动态连续监测，从而根据数据信息完成对岩体破裂的表征、宏观裂隙反演、灾害预警^[6-8]。微震（声发射）能够很好地识别得到裂隙活化与扩展过程^[9-10]：首先，以微震监测数据为基础，可以揭示采动诱发的裂隙形成扩展过程，进而建立采动围岩损伤及裂隙通道演化的分析方法^[11-12]；其次，对于采场存在的地质构造或者隐伏构造，可以通过微震来反映其扰动的劣化程度，进而实现对构造区的活化识别^[13-14]；最后，可以将微震监测所得到的破裂信息实施精细解译，然后与其他物探方法融合建立底板水害综合监测与预警技术，实现对深部承压水害防控^[15-16]。

目前，微震监测技术逐渐应用于煤矿底板水害防控，但对于深部存在的典型构造注浆围岩破坏特征的微震研究和分析尚未开展。为此，以淮南矿区潘二矿12123工作面为背景，建立了微震监测系统，对采动诱发的陷落柱区域内注浆底板破坏与导通特征进行了分析研究。

1.   采动诱发岩体破坏导通微震判识

随着井下采掘工程的实施，地层的原始应力平衡状态将会被打破，进而诱发采场内岩体产生随时空变化的损伤破坏，通过获取识别可知，岩体微破裂可以对采场产生的宏观破坏、失稳灾变等机理与防控提供有力的支撑。而微震监测技术应用于煤矿安全监测，是将采掘诱发的岩体破裂信号，通过所布设的监测设备转化为数据信号进行处理，然后，根据波形数据识别获取震源信息，进而可以得到岩体的破裂信息。

根据微震识别得到的破裂源聚集特征、响应规律可以为冲击地压、瓦斯突出、底板水害煤矿灾害等提供预警信息。同时，岩体外载荷所诱发的岩体损伤积累产生微破裂，不同时空的微破裂积累会诱发裂隙萌生、扩展，为此，可以利用微震信号特征反演得到岩体内所产生的裂隙分布特性。

底板在采动地压与承压水的联合作用下，在煤层回采后受应力重载影响，存在弱体结构的岩体区域极易发生底板深层位承压水水力劈裂、底板浅层位破坏带加深等现象；在诱发的两带破坏过程中，若形成了纵向贯通型裂隙（导水通道），则会有水渗流、管流等的发生；而在循环破坏的过程中必然有岩层的破裂信号产生，通过微震监测技术捕捉、解译这些信号，可以得到岩体微破裂特征，从而能够进一步得到岩体存在的宏观破坏的趋势，以识别底板岩层的导通性。

下部承压含水层导升带与采动破坏带之间的导水裂隙是诱发突水的关键，以微破裂导通率来表征裂隙的演化对评判底板的导通性是可行的。为此，可以假定以单元视体积所表征的扰动范围内可能存在一些损伤破裂区，如果微震信号识别得到的定位微震事件之间存在破坏视体积的交集，则存在微破裂连通的成型裂隙。将2个微震事件的震源波及半径（以球体计算）与其欧式距离之比定义为“导通率”，计算公式如下：

式中：δ为导通率；M_i、 M_j为任意2个微震事件的地震矩；$\sigma _{{\mathrm{A}}i} $、$\sigma _{{\mathrm{A}}j} $为2个微震事件的视应力（视应力为度量震源处应力释放的1种物理量，是单位面积的震源断层面每单位错动所释放的地震波能量，一般可有采集到波形的震源位移谱低频水平与拐角频率来计算）；(x_i、y_i、z_i)、(x_j、y_j、z_j)为任意2个微震事件的空间坐标。

筛选得到区域内微震事件，考虑到底板导水通道是垂深纵向裂缝的扩展过程，将筛选到的微震事件以不同深度进行排序，并依次计算“浅层→深层”的导通率。将导通率以(不同深度、不同跨度)在指定投影面上响应，判识底板含水层导通性。当某区域内导通率>1时，则2个微震事件表征的岩体破坏范围发生交集，2个破裂点发生贯通成缝。底板承压水经劈裂−导升，逐步“打薄”隔水层，最终“击穿”隔水层。

2.   试验工作面概况

2.1   工程地质概况

潘二煤矿隶属于淮河能源集团，其12123工作面位于潘二煤矿一水平西二采区，东起西二A组煤采区上山，西以DF₁₄断层为界，北沿12223回风巷掘进，南以设计标高为准。上限标高为−435.6 m，下限标高为−508.1 m。上覆14124工作面、12124工作面、12224工作面均已回采。工作面可采走向长为1 003 m，倾斜长221 m，可采储量约143.7万t。该块段煤层倾角为3°～22°，平均10°；该区域采场内共布置了4条主要巷道，分别为12123工作面回风巷、12123工作面运输巷、12123工作面上底抽巷、12123工作面下底抽巷；同时，工作面因受到F₂₀₃断层的影响，分为“里段和外段”进行回采。12123工作面示意图如图1所示。

图  1  12123工作面示意图

Figure  1.  Schematic diagram of 12123 working face

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由图1可以看出：矿区A组可采煤层为2层，分别是3煤和1煤，煤层赋存较稳定，煤质优良。根据西二采区钻探资料可知，3煤厚为0~6.4 m，平均厚为4.5 m；局部夹有泥岩夹矸，顶板为泥岩、砂质泥岩、细砂岩、粉砂岩，底板为泥岩或砂质泥岩；3煤与下伏1煤间距为1.2~1.8 m，平均为1.5 m，1煤厚2.1~3.9 m，平均厚3.0 m。根据采掘资料、地面钻孔、三维地震资料可知，影响工作面的充水因素主要有太原组灰岩岩溶水、顶板砂岩裂隙水、断层水、钻孔水、老空水。3煤底板距C₃Ⅰ组灰岩平均距离为21 m，12123工作面直接充水水源为底板C₃Ⅰ组灰岩岩溶水。顶板砂岩裂隙水受采掘活动影响，可能会顺裂隙带导入工作面，造成工作面顶板滴淋水，恶化工作环境，但不构成安全威胁；工作面地质构造较复杂，在构造区附近，岩性破碎，并可能导通C₃Ⅰ组灰岩岩溶水；工作面回采所面临最大的突水威胁是底板水，尤其是在底板下约120 m左右为奥陶系灰岩含水层，奥陶系灰岩水也能通过岩溶陷落柱、导水裂隙等对A组煤采掘工作面充水，也是充水水源之一，且底板岩层的抗拉强度低于承压水水压，存在屈服破坏的威胁。

2.2   陷落柱构造区特征

在工作面外段的回采区，存在2017年揭露的陷落柱及其发育影响区^[17-18]，断裂带顶界发育至12123工作面底抽巷联络巷下方约25 m处，其裂隙带核心区存在原突水的主要导水通道，宽度约为9 m，裂隙带影响区约为58 m；整个断裂带近南北向宽度为 67 m，东西向宽度约为33 m，水平投影长度62.5 m，往下逐渐加宽。煤层底板陷落柱如图2所示^[16]。

图  2  煤层底板陷落柱

Figure  2.  Collapse column in coal floor

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受陷落柱影响，岩层内应力分布产生波动，工作面开采扰动陷落柱区域，且这种影响程度显著增大。当工作面开采到裂隙区的边界时，不协调应变极易发生损伤破坏，同时在承压水压的劈裂作用下，极易诱发陷落柱活化，突水危险性增加。在矿井出水后，针对陷落柱构造区采取了截流、堵源的注浆堵水方案进行水害治理^[18]。

同时，为了保证回采安全，对整个区域实施了超前探查与区域注浆治理，采用地面水平定向钻探技术，以探查A组煤底板五灰和六灰地层中垂直导水构造为主要目的，并采用地面高压注浆技术对揭露的垂直导水裂隙进行水泥注浆，完成封堵裂隙通道、阻断深部灰岩水进入工作面。但是，由于构造区与其他岩层的物理力学特性的差异性以及注浆存在的不可控性，在注浆岩体及其围岩与裂隙发育区的交界面处容易存在弱体结构，这也是突水水源的主要流动通道。其上覆工作面采动极易造成构造区性能的进一步劣化，进而存在形成贯通裂隙的危险。有必要结合微震监测，实时采集陷落柱区与围岩破坏特征，分析其导通出水可能性。

3.   底板水害微震监测方案

工作面微震监测系统如图3所示。

图  3  工作面微震监测系统

Figure  3.  Micro-seismic monitoring system for working face

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根据工作面的地质情况可知，对于工作面底板突水危险性监测，可将微震传感器布置在4条巷道内，如回风巷+运输巷、回风巷+下底抽、上底抽+下底抽、上底抽+运输巷等，均能够实现对工作面的立体全覆盖，而最优的选择则为上底抽+下底抽；为了保证回采期间的监测精度及其定位效果，选择信噪比较高的传感器，同时保障至少同时有4个传感器工作。考虑到工作面巷道空间关系，选择在底板内布置的2条底抽巷作为传感器安装巷道，其高程差约为30 m；考虑到单一传感器的监测范围，同时为增大岩体破裂信号的采集效率，每个传感器的水平间距控制在150 m之内。为了有效避免扁平式布置，实施空间交错的布置方式，有效提高了计算微震事件的精度。

受F₂₀₃断层的影响，工作面外段需在留设煤柱完成后实施新开切眼回采，期间存在3个月左右的空余期，因此，设计采用基于固有锚杆的移动循环式方式安装传感器。

在工作面回采初期，上底抽1^#→6^#、下底抽10^#→15^#分别与采集分站（PL-1、PL-2）连接，在工作面回采至里段停采位置后，在新开切眼回采前，将稳定空区内的上底抽1^#→3^#、下底抽10^#→12^#测点拆除，将上底抽7^#、8^#、9^#分别与PL-1的剩余通道连接，将下底抽16^#、17^#、18^#分别与PL-1的剩余通道连接，以完成对工作面里外段回采的全面监测，工作面绝大部分的区域微震监测的误差在10 m以内。

4.   构造区围岩导通破坏演化特征

4.1   微震事件分布特征

12123工作面于2020年2月正式回采里段，并于2020年11月开始进入外段回采，通过工作面微震监测系统可以发现，在进入包含有陷落柱构造区的外段回采阶段后，相较于相对完整的里段区域，微震事件的高密度区域面积显著较大，且集中区域的跨度横跨整个工作面倾向；而在过了陷落柱区域后，微震事件的高密度区域面积减小。进入陷落柱影响区后，工作面内出现了较多的微震事件，表现出围岩劣化特征，在其底板区域内可能存在贯通型的聚集性破坏。为此，进一步筛选了陷落柱注浆围岩体影响区内的微震事件，对构造区需要实施重点分析。在工作面回采期间，陷落柱所在影响区域在2021年3月1日开始受采动波及而产生微震事件，为此，通过构建的微震事件的三维演示模型，获取了在不同阶段内产生的微震事件。微震事件密度深化特征如图4所示，陷落柱区域内微震事件时空分布如图5所示。

图  4  微震事件密度演化特征

Figure  4.  Evolution characteristics of micro-seismic event density

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图  5  陷落柱区域内微震事件时空分布

Figure  5.  Spatiotemporal distribution of micro-seismic events in the collapsed column area

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由图5可知：陷落柱位于工作面距离切眼约795 m处，呈北偏西分布，南北向宽度为67 m，东西向宽度约为33 m，水平投影长度为62.5 m；自3月1日开始，底板岩层的陷落柱区域围岩开始出现微震事件，煤层底板内的微破裂主要发生在工作面与陷落柱顶板之间的围岩中，随着煤层的不断开采，微震事件发生位置开始向推进方向偏移，当工作面至陷落柱顶部时，微震事件分布深度达到最大值；大多数微震事件仍分布在陷落柱顶部围岩中，陷落柱及其界面处无微震发生；在实施有效的注浆堵水、加固后，底板陷落柱界面得到有效加固，微地震事件基本发生在陷落柱注浆围岩体的边界处；造成这种现象的主要原因是注浆加固了陷落柱及其腰部的岩层，使得其抗破坏能力显著提高。

微震事件在陷落柱影响区注浆加固的较深层位底板内存在“绕行”现象，主要聚集于陷落柱影响区顶部与工作面间的底板岩层中（间距约40 m），造成这种效果的原因是注浆改变了深层位陷落柱所在区域的力学性能，使其承载能力大幅度提高，也进一步证明了注浆效果的有效性。受注浆加固所产生的力学性质变化及其与围岩所存在的差异性，陷落柱附近区域仍有较深的微震活动，这些活动主要发生在陷落柱的围岩区域内，底板破坏维持在一定范围内，没有较深的破坏发生。

4.2   陷落柱区域岩体导通破坏演化

根据底板导通性的计算模型，结合筛选得到的陷落柱区域底板内微震事件，计算得到了在底板岩层内导通率。当某区域内δ>1时，则2个微震事件表征的岩体破坏范围发生交集，2个破裂点发生贯通成缝，形成底板裂隙通道。陷落柱区域围岩导通率分布特征如图6所示。

图  6  陷落柱区域围岩导通率分布特征

Figure  6.  Distribution characteristics of surrounding rock conductivity in the collapsed column area

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陷落柱顶部岩层层位C₃^3下灰岩频繁出现较大的导通裂隙，实现了向上贯通，且在深层位−80 m位置出现零星分布的高连通区（1.0>δ>0.5），但由深至浅的纵向方向未出现贯通型（δ>1.0）的裂隙，而是呈现零星分布，其原因在于注浆加固了陷落柱及其围岩区域，使得其整体的抗破坏能力显著提高。浆脉强化了区域内的部分岩层，使其抗破坏能力增大，贯通成缝的趋势被阻隔。结合工作面扰动陷落柱期间导通率的整体分布可以看出，最大导通发生在陷落柱与围岩的交界面附近，且以浅层位的顶部围岩集中。但是在交界面处存在一定的损伤破坏，浅层位呈现较大的连通性，且发生在工作面推采至陷落柱区域的前期和后期，与工作面回采表现出一定的时空关联性。

5.   结　语

1）为了分析底板损伤破坏所表征的岩层导通性，定义了以微破裂导通率来分析裂隙演化的方法，结合其空间关系来判识底板的导通趋势。

2）工作面回采至陷落柱构造区时，微震事件在该区域底板浅部岩体内显著增多，但表现出绕行现象，其原因是注浆强化了陷落柱的力学性能，大幅度提高了其承载能力。

3）注浆后的陷落柱区域在交界面、浅层位呈现纵向贯通带，其他区域受浆脉影响而导通率较低，呈现注浆阻隔后的零星分布。