微震监测在煤岩层突水预测的应用研究

倪 飞 李全宇 刘亚磊

(河南神火集团 刘河煤矿，河南 永城 476600)

1 引言

煤层底板突水是威胁矿井安全生产的重大隐患。开采过程中煤层底板突水，对煤矿的正常生产产生严重影响。近些年来，随着矿井开采深度不断加深，矿井突水问题更显突出［1］。研究表明，煤层底板含水情况、水压以及底板隔水层厚度等是底板突水的主要影响因素。目前，对矿井突水预测已经有了初步的研究，例如才用神经网络和声发射技术对煤岩层突水进行预测［2］。但是，预测的可靠程度与实际情况存在很大的差距。

作为一种新的预测手段，微震监测技术具有非常广阔的应用前景。微震定位监测与传统的技术相比较，它主要的特点包括动态性、三维性以及实时监测等等。此外，我们可以对震源情况进行分析，掌握破裂的尺度与性质。它可以为煤层底板破裂形态提供更多的参考，并为采煤动应力场分布提供了一些新的方法。

2 微震监测技术的原理

2.1 监测原理

微震监测技术坚持的主要原理是:由于应力作用，岩石就会发生破坏，这时就会产生一定的声波与微震现象。在采动区顶板与底板中放置一些检波器，主要作用是收集微震的数据，然后经过分析处理，根据震动定位的原理然后就可以发现破裂的位置，然后在三维空间上表示出来。微震检测技术主要可以分为三个类别:第一个类别主要是在大范围的检测区域内以厌食震动为主的系统，频率在一百赫兹以上的振动，关键点为测震，定位要精确到一百至五百米。第二个类别的系统主要为监测工作附近的一些岩层振动，频率在二十到三百赫兹，关键问题在于岩层破裂，定位的时候要精确到五米至十米。第三个类别主要为小范围的岩层破裂系统，频率主要在三百赫兹以上。

根据相关研究表明，岩体在破裂之前，一定会持续相当长的一段时间，在这段时间中会释放出很大的能量。而这些能量的强度由于结构的变化也开始改变，不管是什么样的声发射与微震，其中的岩体内部结构已经出现了巨大的变化。所以，我们分析和处理得到的相关信号，可以对岩体稳定性进行评价和判断。所以，我们可以根据岩体发声与微震的特性来检测岩体的稳定性情况，这样才能避免岩体出现塌方、滑坡以及冒顶等现象。

不管是声发射还是微震现象都说明了岩体稳定性是非常复杂的，我们通过对声发射与微震进行检测，可以根据信号的波形判断和预测岩体的稳定性变化以及其中的其他信息。

声发射与微震信号的特点主要根据岩体、震源以及监测点位置等进行确定。基本参数与岩体稳定性有密切的关系，它反应的是岩体破环以后的基本状况。而事件率和频率的变化主要表现的是岩体的形态变化以及破坏过程;振幅与能率的变化主要体现的是岩体形态变化与破坏的范围大小。当岩体比较稳定的时候，事件率、频率等参数都是比较小的，变化也不明显。但是如果受到外界干扰，岩体就会出现破坏，微震活动变得越来越激烈，事件率、频率等都会变得很高，在冲击地压出现以前，微震活动开始明显增加，在将要发生冲击低压的时候，微震活动频数却慢慢减少。岩体内部的应力开始慢慢平稳下来，数值也开始慢慢降低。

震源周围需要放置一些传感器，并且组成传感器的阵列，一旦监测体中有声发射与微震出现的时候，传感器就可以接收到信号，然后将这些信号转化成电压量或者是电荷量，在不同的点进行数据采集可以对接受信号的时间段进行测定，与各个传感器坐标、所得到的波速等一起进行计算，也就是计算出声发射源的时空参数，最后才能对其进行定位。

2.2 微震监测的定位原理

岩体在出现声发射和微震的时候，我们只能知道传感器的坐标，还有接收到信号的时间，对于声发射与微震的发生位置和时间是难以确定的。假设震源的位置坐标为(x，y，z)，发生微震的时间为t，在第i 个传感器的坐标为(xi，yi，zi)，传感器所检测到的时间为t，声波传播的平均速度为v，那么，在震源与第i 个传感器之间的走时方程为:

这里的m 主要表示的是接收到传感器的个数，(x，y，z，t)主要表示的是震源的时间、空间参数。这一方程主要为非线性系统，如果要直接求解是比较困难的，因此，我们需要用一线性系统来代替这一系统。

3 微震监测精度的影响因素分析

能否将监测的结果应用到采矿工程中去，主要是看微震定位监测的精准度是否能够得到要求，对精准确产生影响的所有因素都进行分析能够较好的控制其中容易产生误差的因素，将能够有效提高定位的精准度。影响定位监测精准度的因素主要有开采、地质、测站等等方面。

(1)开采方面的因素对定位精度错产生的影响主要是在开采之后所引起的地层离层以及所行成的采空区，在进行微震监测的时候一定要避开这些区域。否则，监测目标区与传感器之间一旦存在着采空区或者是离层，那将会加大程度的降低测量的精度。

(2)地质因素对定位精度所产生的影响主要是指，煤系地层通常都比较软，所以为了能够提高信号的质量，应该要尽可能将检波器放置在比较坚硬的岩石层中;另外，还需要将检波器控制在同一个岩层中，让波能够穿过相同的地层，这样才能够减少将地层看作是同样均匀的速度场所产生的误差。

(3)测站对定位精确度产生的影响主要是包括对检波器的分数量、间距、空间性以及剪破其余破裂去相对位置的影响。为了能够降低由于波传播的方向与检波器的方向不一致所出现的遗漏测量、激发之后等等情况所产生的误差，通常都需要使用三分量检波器。检波器的间距与定位精度之间的关系都比较明确;检波器的空间性主要是指检波器若是在同一个平面内进行布置，那破裂高度定位就会增加，甚至严重的时候还会出现病态方程。所以，在这种情况下，想要能够利用平面监测区获得精度比较高的定位就比较困难。检波器与破裂区的相对位置主要是指检波器在空间上能够将破裂区包含在内，尤其是对一些重点目标去的包含，效果更明显。

4 煤层底板断裂引起的突水微震监测分析

根据破裂—冲击地压这种关系评价的相关原理，主要是在应力差比较大的区域发生岩层破裂的情况。所以，通常岩层破裂区域应力差较高区域都会出现重合的情况，并且还有可能与高应力场区域接近。通过这我们就可以发现，只要检测到了岩层破裂区，那么就可以找到高应力场区域以及高盈利差区域。经过实际测量，教过发现采用高精度微地震监测仪能够对坚硬岩层的断裂情况进行详细清晰的跟踪，高应力场和高盈利擦汗区域也就能够进行动态的结合，对于冲击地压发生的位置以及力量来源都可以进行预测。根据国内煤矿所进行的微震监测结果来看，通过微震监测能够对于采动所引起的破裂场进行准确的定位，然后在根据破裂场内存在的裂隙发育程度以及含水层分布的情况，准确的确定出采场周围的导水裂隙带所具有的三维空间分布。另外，以及底板突水的可能性也可以根据底板破裂的深度进行估计。采用微地震定位监测不仅能够对工作面上的倒水裂隙带的高度和形状进行确定，还能够对于突水淹井、开采方案设计的优化以及提高开采的饿上限提供准确的数据依据。

5 结论

本文探讨了微震监测技术在煤层底板突水预测中的应用，并对微震监测技术的原理进行了分析，认为将微震监测技术用于煤层底板的突水在理论上是完全可行的。分析了影响煤岩微震定位精度的因素，即开采因素、地质因素、测站因素、监测因素和算法因素，给出了相应的解决方法。通过对煤层底板断裂引起的突水分析，提出了高精度微震监测技术用于解决煤矿灾害的方法，①对水裂隙贷的范围以及其高度进行监测;②对岩层断裂引起的水质灾害进行监测;③对岩体活动、采动压力分布的规律进行监测，然后进行岩体开采的指导。对于微震监测煤层顶板突水预测中的作用进行了初步分析，认为微震监测可以对突水等煤矿地质灾害进行有效的预测。

［1］江东，王建华.基于神经网络的煤矿底板突水预测〔J〕灾害学，1999，(14):29－32.

［2］来兴平，张勇.基于AE 的煤岩破裂与动态失衡特征实验及综合特征分析〔J〕西安西安科技大学学报，2006，(26):290－292.