基于微震监测的浅埋工作面动压预警技术研究

2014-01-15王秀元李少刚王永仁

华北科技学院学报 2014年9期

王秀元,李少刚,王永仁

(1.神华神东煤炭集团石圪台矿，陕西榆林 719315；2.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院，北京 100013；3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京 100013)

1 微地震监测技术及设备

1.1 微地震监测技术简介

岩体破裂时会释放弹性波，通常频率范围在300 Hz以下的称为微地震。岩体破裂所产生的震动信号，相对于较大尺度的岩体会呈现出高频信号衰减迅速，低频信号衰减缓慢的规律，所以拾取到的信号中以中低频率为主。微地震监测技术已在美国、澳大利亚、南非和波兰等国得到广泛的应用，自90年代引入国内以来，除应用于矿山进行日常监测外，还应用在对冲击地压、煤与瓦斯突出和透水等灾害预测方面[1-6]。

1.2 KJ768微震监测系统

KJ768煤炭微震监测系统是实时监测煤矿微震事件的计算机在线测量系统。系统将计算机监测技术、数据通讯技术和传感器技术融为一体。实现了复杂环境条件下对煤矿井下的微震事件变化情况的自动监测和分析。

系统包括六个组成部分：1)计算机及数据处理软件；2)GPS授时装置；3)KJJ185矿用网络交换机；4)KJ768-F矿用本安型监测分站；5)配接传感器；6)KDW127/12B矿用隔爆兼本安电源，如图1所示。

图1 KJ768煤矿微震监测系统组成图

2 微震系统应用方案

2.1 工作面

31201工作面长311.4 m，推进长度为1865 m，倾角1～3°，平均采高3.9 m，3-1煤与上层2-2煤层平均间距为38 m，上覆岩层以中粒砂岩、细砂岩和粉砂岩为主。

2.2 工作面布置方式

31201工作面共设测点81个，其中胶运顺槽31个测点，回风顺槽31个测点，主回撤通道4个测点，地面布设15个测点。系统共布置3个分站，其中工作面的胶运和回风顺槽各1个分站，地面布置1个分站。井下每个分站配置8个通道拾振器，以滚动方式按测点向前移动；地面分站配置5个通道拾振器，整体移动3次完成15测点。

2.3 定位精度验证

为计算微震波波速，于2014年02月26日12时13分在31201工作面放标定炮，装药量18 kg，材料为乳胶炸药，表1为及微震监测系统计算结果对比：放炮地点实际坐标为：(26377，64218，1096)。

从表1中可以看出，校验误差为：△X2=4.35，△Y2=18.37，△Z2=2.34。微震监测定位精度可控制在平均8.35 m，可以满足现场工作的需要。

表1 微震系统定位精度对比

3 微震监测预警规律

根据2014年2月27日至2014年3月19日期间微震事件分布的数量和能量变化情况，总结出其中，3月3日为工作面3煤顶板发生了周期来压，3月6日地面发生大范围沉陷。

3月7日至15日工作面停采前，微震事件数量和能量共有4次达到了31煤顶板周期来压的预警值，微震事件数量和总能量未发生突变。由于工作面3月15日停采，3月16日和3月17日的微震事件数量和能量都较小，但单个微震事件能量都较大，为5.0 E+04J，支架压力为不断下沉的上覆岩层自重。微震监测结果与工作面支架阻力变化对比可知：工作面顶板来压前，微震事件数量和总能量提前1～2天达到极大值或极小值，甚至发生突变，而且在此期间，工作面支架平均阻力不大，见图2。

图2 微震事件预警指标图

基于此，综合考虑工作面每日推进速度，给出了周期来压和发生地面沉陷的微震事件数量指标预警值和能量指标预警值，分别为：

1) 3-1煤顶板发生周期来压时，数量指标为15个，总能量指标为4.0E+105J；

2) 2-2煤顶板发生来压时，数量指标为30个，总能量指标为8.0E+105J。

4 动载矿压预测预报

2014年4月21日微震事件数量为30个，总能量为1.3E+06J，微震事件分布如图3(1)所示，微震事件分布于工作面超前170 m左右范围，根据微震监测系统设定的能量及数量指标，超过了2-2煤顶板岩层来压的预警值，预计当日中夜班生产时面临动载矿压危险，如图3(1)所示。

4月22日中班22:45左右，工作面22煤顶板岩层发生大范围断裂下沉，诱发动载矿压发生，表现为第58#、67#和68#支架下缩大于1000 mm，剩余行程不足300 mm， 25#-75#支架、95#-113#支架压力大部分超过450 bar，最大490 bar，地表超前工作面130 m内左右发生沉降(最大下沉相对值1637 mm)，范围基本与微震系统预测区域一致，如图3(2)所示。