微震地音数据综合分析法初探

邓志刚,任 勇,王传朋,王元杰,王书文

(天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京 100013)

微震地音数据综合分析法初探

邓志刚,任 勇,王传朋,王元杰,王书文

(天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京 100013)

随着波兰 EMAG公司生产的 ARAM ISM/E微震监测系统和 ARES-5/E地音监测系统的不断推广应用,相关知识和经验的逐渐积累,研究发现对 ARAM ISM/E微震监测系统和 ARES-5/E地音监测系统的监测数据进行综合处理,结合两者的优点,最终得到的分析结果更有利于指导矿井主要采动影响区域的冲击矿压防治工作。

冲击矿压;ARAM ISM/E微震监测系统;ARES-5/E地音监测系统;综合分析

为了提高煤矿的冲击矿压预测预报水平,提高冲击矿压防治工作效率,天地科技股份有限公司于2007年开始引进波兰 EMAG公司的 ARAM ISM/E微震监测系统和 ARES-5/E地音监测系统,目前2套系统已经在我国多个典型冲击矿压煤矿成功应用,在煤矿的冲击矿压防治工作中发挥了巨大作用。

在肯定 ARAM ISM/E微震监测系统和 ARES-5/E地音监测系统巨大作用的同时,相关人员也逐渐认识到,目前大部分煤矿还只是发挥了系统的部分功能,对其各自的监测数据进行最基本的分析处理,并没有寻找到合适的方法对 2种系统的监测数据进行综合分析,发挥系统更大的作用。因此,在进行了大量理论研究和数据分析的基础上,本文提出了微震、地音数据综合分析法,综合处理两系统的监测数据,取长补短,系统分析,使分析结果能够更加有效的指导煤矿冲击矿压防治工作。

1 微震监测系统和地音监测系统简介

ARAM ISM/E微震监测系统与 ARES-5/E地音监测系统都是用于监测煤矿开采过程中煤岩体的破裂事件,通过对监测数据进行统计分析,研究煤岩体的破坏规律,判断潜在的矿山动力灾害活动(冲击矿压)规律,从而实现对煤矿冲击危险的评价和预警。

其中,ARAM ISM/E微震监测系统主要用于实时监测全矿井范围内发生的煤岩体宏观破裂现象(即微震事件)。在 ARAM ISM/E微震监测系统的运行过程中,首先是遍布在全矿井范围内井下分站接收到微震事件发生过程中释放的能量波,并将震动信号转化为电压信号传输至地面中心站;地面中心站对接收到的各通道监测信号进行对比、分析后,将其传输至数据处理服务器;数据处理服务器实时显示监测信号的波形图,确认发生微震事件后,发出声光报警信号,并将确认后的事件数据传输至系统数据处理软件;最终,应用系统数据处理软件完成微震事件的精确定位和能量计算,并将处理结果显示在矿图上。

ARES-5/E地音监测系统主要用于监测矿井主要采动影响区域内发生的煤岩体微观破裂现象(即地音事件)。在 ARES-5/E地音监测系统的运行过程中,首先是布置在监测区域内的监测探头接收到地音信号,并将信号传输至地面中心站;地面中心站对接收到的各通道监测信号进行模 -数转换、分类统计后,将其发送至数据处理软件;最终,数据处理软件实时显示各通道监测数据和危险等级评价结果,同时可打印单位时间内的数据统计报告[1]。

2 微震监测系统和地音监测系统主要功能对比

对比 ARAM ISM/E微震监测系统与 ARES-5/E地音监测系统的主要功能,发现两者主要有以下几点区别：

(1)系统监测对象不同 ARAM IS M/E微震监测系统监测的是能量为 102～1010J(对应里氏地震震级为 0～4.5级)、震动频率为 0～150Hz的微震事件,反映的是煤岩体的宏观破坏现象;ARES-5/E地音监测系统主要监测的是能量小于 102J、震动频率为 150～3000Hz的地音事件,反映的是煤岩体的微观破裂现象[2]。

(2)系统监测范围不同 ARAM IS M/E微震监测系统主要用于实时监测整个矿区范围内的微震事件,并对其进行定位处理和能量计算,进而分析整个矿区及主要采动影响区、应力集中区、地质构造发育地带等区域的微震事件分布规律,实现对矿井及局部重点监测区域冲击危险的评价和预警;ARES-5/E地音监测系统主要用于实时监测矿井主要采动影响区域 (即回采工作面和掘进工作面)单位时间内地音事件的发生数量和能量释放情况,分析监测区域内地音事件的发生规律,实现对矿井主要采动影响区域冲击危险的评价和预警。

(3)测站布置方式不同 ARAM IS M/E微震监测系统需要在井下布置若干监测分站 (最少为 8个),其中每个分站的有效监测范围为 10km2,分别安装在全矿井范围内的不同区域,形成一个可以覆盖整个矿井范围的监测网络;ARES-5/E地音监测系统只需要在矿井的回采工作面 (4个探头)和掘进工作面 (2个探头)内布置若干监测探头,每个监测探头的有效监测半径为 50m,主要用来监测工作面的采动应力显著影响区域。

(4)系统数据处理方式不同 ARAM IS M/E微震监测系统会对发生在全矿区范围内的微震事件进行统计分析,事件数量少、能量高,但分布区域广,在数据处理过程中,需要对每一个微震事件进行详细的定位分析和能量计算,掌握事件的全部相关信息,为分析微震事件分布规律提供准确的参考数据;ARES-5/E地音监测系统只对发生在矿井主要采动影响区域内的地音事件进行统计分析,事件数量多、能量低、分布区域集中,在数据处理过程中,只对单位时间内发生在监测区域内的地音事件数量和总能量进行统计,而不针对某一事件进行单独定位分析和能量计算。

3 微震、地音数据综合分析法

在煤矿的实际生产过程中,回采工作面和掘进工作面是受采动影响最显著的区域,该区域岩层活动剧烈,应力集中现象严重,在煤岩体结构类型比较特殊的局部区域,还极易诱发冲击矿压灾害,在冲击矿压矿井中,该区域往往属于高冲击危险区域[2-4]。因此,十分有必要加强该区域的监测力度,提高监测结果的准确性。

从上述关于 ARAM IS M/E微震监测系统与ARES-5/E地音监测系统功能的介绍,可以发现,2种系统能够分别对矿井主要采动影响区域 (即回采工作面和掘进工作面)内发生的微震事件和地音事件进行监测,但在以往的实际分析过程中,分析人员只是分别应用系统自带软件对其各自数据进行处理,由于在数据选取过程中往往存在误差,有时会导致最终 2种系统的分析结论并不一定能够完全相符,不利于指导现场人员完成矿井的冲击矿压防治工作。因此,可以考虑对矿井主要采动影响区域内 2种系统的监测数据进行综合分析,结合两者的优点,得出更加符合客观实际的分析结果。

3.1 综合数据分析法原理

在工作面采动过程中,采动影响区域内应力分布情况发生变化,局部形成应力集中,在应力集中区内,煤岩体经历 “弹性变形 -塑性变形 -塑性破坏”的演变过程。此时,存在 2种可能：一是,在岩体破坏过程中,前期发生的微破裂事件 (地音事件)较多、释放的能量相对较大、事件平均能量较小时,煤岩体破坏过程比较平稳,其内部积聚的能量得到释放,很可能不会发生微震事件或冲击现象;另一种情况是,当前期事件数量少、平均能量大,但释放总能量较少时,煤岩体内积聚的能量得不到释放,经历一个短暂的沉静期后,则极有可能发生大的微震事件甚至冲击现象[5,6]。因此,在综合研究地音事件发生规律与微震事件或冲击现象之间关系的过程中,不能单一的研究地音事件数量和释放总能量,事件的平均能量值也是判断微震事件或冲击现象发生的重要指标。

微震、地音数据综合分析法正是以地音事件的小时加权平均能量值作为主要判断指标,具体研究小时事件加权平均能量值变化规律与微震事件或冲击现象之间关系。

3.2 监测数据的选取

(1)微震数据选取 ARAM IS M/E微震监测系统可以对监测到的微震事件进行定位处理和能量计算,在常规的处理过程中,会对累计监测到的微震事件进行区域划分、时间划分和层位划分,寻找微震事件的分布规律。

本文的研究是在单一微震事件定位和能量计算的基础上,重点对主要采动影响区域 (即回采工作面和掘进工作面)内发生的微震事件进行处理,回采工作面主要统计工作面前方 200 m内煤岩体及工作面两侧保护煤柱范围内的微震事件,掘进工作面主要统计工作面前方 50 m范围实体煤及后方150 m范围巷道周围煤岩体内的微震事件,其他区域的微震事件不需要进行统计。

(2)地音数据选取 ARES-5/E地音监测系统的常规功能是实时显示地音监测数据曲线,并对监测区域的冲击危险等级进行评价,并没有直接提供数据处理的界面。

在本文的研究中,将直接调用地音系统各通道的原始数据,对其进行后期人工处理;数据选取范围为各探头的实际监测区域,即选取探头 50m监测半径内的地音数据。

图1为 ARAM ISM/E微震监测系统与 ARES-5/E地音监测系统数据选取区域平面图。

图1 微震监测系统与地音监测系统事件选取区域

3.3 综合数据分析法数据处理

(1)选取监测区域内的微震事件数据,并按其发生时间进行排序;

(2)调取ARES-5/E地音监测系统各通道的原始分钟统计数据,并结合现场实际噪音情况对其进行降噪处理;

(3)在降噪处理的基础上,计算出每小时的事件加权平均能量值,作为该小时的计算结果;

(4)绘制出当前时刻与前 3天时间内的小时事件加权平均能量值变化曲线,并将这期间发生的微震事件或冲击现象标注在相应的位置;

(5)分析小时事件加权平均能量值变化趋势与微震事件或冲击现象之间的关系。

4 微震、地音数据综合分析法应用实例

以某矿综采工作面 2009年 4月的实际监测数据为例进行综合数据分析,共分析了能量在 104J以上的大级别微震事件 67个,绘制出了小时事件加权平均能量值变化曲线,并标注了微震事件。图2为全部分析曲线中的一段,4月 19日 9时至 4月22日 8时,3d内的小时事件加权平均能量值变化曲线。

图2 小时事件加权平均能量值变化曲线

分析发现小时事件加权平均能量值变化趋势与微震事件之间存在如下关系：

(1)微震事件常常发生在小时事件加权平均能量值峰值后 1～2h内 (尤其是第 1个小时内),统计期间准确率达到 87%。图 2中圆点标注处为小时事件加权平均能量值峰值出现时间,其后箭头标注位置为微震事件发生时间,微震事件基本都发生在前者峰值过后 1～2h内。分析认为,产生这种现象的原因是微震事件发生前,煤岩体内存在一个能量不断积聚的过程,这段时间内发生的地音事件释放的能量值也相应增大,直到微震事件发生后,煤岩体内的能量得到释放、应力集中程度下降,地音事件的能量值又迅速降低。

(2)部分小时事件加权平均能量值峰值后并未发生微震事件。分析认为,产生这种现象的原因是在煤岩体能量积聚的过程中,由于此时地音事件释放的能量迅速增多,已经使煤岩体内部积聚的能量得到了一定程度的释放,丧失了发生微震事件的条件。这一现象与应用煤层卸压爆破技术预防冲击矿压灾害的原理是一致的。

(3)微震事件发生前出现的地音事件加权平均能量峰值一般为 160～200J左右。统计过程中发现,微震事件发生前出现的地音事件加权平均能量系统和ARES-5/E地音监测系统的监测数据,达到预测矿井主要采动影响区域冲击矿压灾害的目的。

目前的微震、地音数据综合分析法还不够成熟,并没有考虑到矿井实际开采过程中的地质构造、开采进度等影响因素,还需要开展进一步的研究,分析各种因素对综合分析结论的影响;应用微震、地音数据综合分析法对冲击矿压灾害进行预测的可行性还有待探讨。峰值普遍偏低,当地音事件加权平均能量峰值很高时,由于能量已经得到释放的原因,往往并不会发生微震事件。

因此,通过对某矿综采工作面应用微震、地音数据综合分析法分析后认为,在该综采工作面小时事件加权平均能量峰值为 160～200J时,其后 1～2h内发生大级别微震事件的几率非常高,可以考虑将该规律应用到冲击矿压灾害预防工作中。

5 结论与展望

通过对 ARAM ISM/E微震监测系统和 ARES-5/E地音监测系统各自特点的分析,提出了微震、地音数据综合分析法,重点研究矿井主要采动影响区域内地音事件加权平均能量值变化趋势与微震事件之间的关系;结合理论分析与现场实例应用,认为通过对 ARAM ISM/E微震监测系统和 ARES-5/E地音监测系统监测数据的综合分析,能够得出地音事件加权平均能量值变化趋势与微震事件之间的内在关系,可以在总结地音事件加权平均能量值变化规律的基础上预测微震事件的发生;可以考虑将微震、地音数据综合分析法应用到冲击矿压灾害预防工作中,通过综合处理 ARAM IS M/E微震监测

[1]邓志刚,任 勇,毛德兵,等 .波兰 EMAG矿压监测系统功能及应用情况 [J].煤炭科学技术,2008,36(10).

[2]齐庆新,窦林名 .冲击地压理论与技术 [M].徐州：中国矿业大学出版社,2008.

[3]齐庆新,毛德兵,王永秀,等 .矿山地质动力灾害的发生机理与控制途径分析 [J].地质与勘探,2003(S).

[4]窦林名,何学秋 .冲击矿压防治理论与技术 [M].徐州：中国矿业大学出版社,2001.

[5]齐庆新 .矿山压力与地音 [J].矿山压力与顶板管理,1992(1).

[6]Bernard Drzezls,窦林名,何学秋 .冲击矿压危险性评价的地音法 [J].中国矿业大学学报,2000(1).

Research on Comprehensive Analysis M ethod of M icro-seism ic and Acoustic Em ission Data

DENG Zhi-gang,REN Yong,WANG Chuan-peng,WANG Yuan-jie,WANG Shu-wen
(CoalMining&DesigningDepartment,Tiandi Science&Technology Co.,Ltd,Beijing 100013,China)

W ith continuous application ofARAM ISM/E seismic monitoring system and ARES-5/E acoustic emission monitoring system from EMAG of Poland,related knowledge and experience was accumulated.This paper put for ward a comprehensive data processingmethod ofARAM ISM/E and ARES-5/E.By integrating advantagesof these two systems,analysis resultwasmore beneficial to instructing rock-burst prevention work.

rock-burst;ARAM ISM/E seismicmonitoring system;ARES-5/E acoustic emissionmonitoring system;comprehensive analysis

TD324.2

A

1006-6225(2010)01-0008-03

2009-09-16

国家重点基础研究发展计划 (973)(2005CB221503)与国家“十一五”科技支撑计划资助项目 (2006BAK03B0702)。

邓志刚 (1981-),男,吉林长春人,硕士,主要从事冲击矿压、煤矿安全的研究工作。

邹正立]