微震监测技术在冲击地压矿井的应用

李文健

(辽宁工程技术大学矿业学院，辽宁阜新 123000)

0 引言

冲击地压［1-2］是聚集在矿井巷道和采场周围煤岩体中的能量突然释放，在井巷发生爆炸性事故，产生的动力将煤岩抛向巷道，同时发出强烈声响，造成煤岩体振动和破坏、支架与设备损坏、人员伤亡、部分巷道垮落破坏等。冲击矿压［3-7］还会引发或可能引发矿井灾害，尤其是瓦斯与煤尘爆炸、火灾以及水灾，干扰通风系统，严重时造成地面震动和建筑物破坏等。冲击地压［8-9］的显现特征:(1)突发性(2)瞬时震动性(3)巨大破坏性(4)复杂性。因此，冲击地压是煤矿重大灾害之一。冲击矿压作为煤岩动力灾害［10-11］，自有记载的第一次发生于1738年英国南史塔福煤田的冲击地压至今二百多年来，其危害几乎遍及世界各采矿国家。英国、德国、南非、波兰、苏联、捷克、加拿大、日本、法国以及中国等二十多个国家和地区都记录有冲击地压现象。我国煤矿冲击地压灾害极为严重，最早自1933年抚顺胜利矿发生冲击地压以来，在北京、辽源、通化、阜新、北票、枣庄、大同、开滦、天府、南桐、徐州、大屯、新汶等矿区都相继发生过冲击地压现象。

微震监测［12-13］的原理是微震监测通过对煤岩体破坏后地震波的特征进行分析，来确定应力集中和煤岩体破坏的位置、程度，以实现对全矿范围进行冲击地压的即时预报，是一种区域性监测方法。微震监测系统［14］能够自动记录微震活动，实时进行震源定位、微震能量计算和防治措施评估，为评价全矿范围内的冲击地压危险提供依据。其原理是利用检波测量探头接收的P波和S波信号首次到达时间，在特定条件的波速场条件下进行三维定位，以判定破坏区域，同时利用震相持续时间计算所释放的能量和震级，并标入采掘工程图和速报显示给生产指挥体系，以便及时采取应对措施，确保顺利安全回采和人员设备财产不受损坏。

1 83003综放工作面概况

83003综放工作面位于老虎台矿井田西部，经距77114～77797 m，开采标高 -748.2～-833.5 m。83003综放工作面对应地表为东露天矿沉陷区回填体(绿都)，工作面的走向长度为 603 m，倾斜长为163.5 m，煤层倾角15°～32°，煤层平均厚度11.8 m，开采煤层为四五分层。该面内夹矸3～8层，厚度0.4～13 m，其中四分层底板夹矸变化较大，西部厚东部薄，夹矸主要由碳质页岩、泥岩、泥质粉砂岩组成。煤层顶板岩层为绿色页岩、油母页岩，绿色页岩的平均厚度为421.56 m，油母页岩的平均厚度为194.08 m，底板岩层为泥灰岩，平均厚度为17.4 m。83003综放工作面的运输系统设在-830 m水平，回风系统设在-780 m水平。该面东邻73001#已采区，西至井田边界，南为F25断层，北部位“保城限采”煤柱，上部为78001#、78002#、83001#及 83002#已采综放面，下部为五分层煤层及煤层底板。

2 老虎台矿微震监测系统的应用

老虎台矿微震监测系统是2008年8月自波兰EMAG公司引进的ARAMIS M/E微震监测系统，ARAMIS M/E微震监测系统结构图如图1。ARAMIS M/E微震监测系统由井下、井上两部分构成。井下的监测峒室设置拾震器和通讯电缆，负责信号的接收、转换和传输;井上的中央控制室由数字信号接受装置、配备GPS时钟的传输系统控制模块、主通道切换模块以及配电装置组成，负责信号收集、处理、输出和控制拾震器工作。主服务器使用220V交流电，配电装置转换成35V直流电通过通讯电缆向井下拾震器供电。

根据老虎台矿井下的实际情况，为了提高监测的准确性，老虎台矿选择了16个微震监测通道系统，即井下设置16个拾震器，每个通道分别联接1个拾震器。拾震器的布置方法是分4个水平布置，井田东西两翼各8个。其中-830 m水平3个，-680 m水平4个，-580 m水平5个，-430 m水平4个。

应用该微震系统可以实现对井下微震事件的实时监测，并且能够准确的记录到微震事件发生的位置和计算出微震事件发生时的震级与能量。通过对监测数据的分析，分析矿震发生的原因与规律，预测矿震和冲击地压的发展势头。微震监测系统可以监测到矿震能量大于100J、频率范围在0～150Hz的矿震事件。微震监测系统的使用，可以实时掌握矿井微震动态，有效指导防治矿震和冲击地压各项治理措施的设计和实施，指导采掘生产的设计布局和劳动组织，为避免冲击地压造成人员伤害，减少巷道破坏和经济损失起到了重要作用。

图1 ARAMIS M/E微震监测系统结构图Fig．1 ARAMIS M/E microseismic monitoring system structure

3 微震监测数据分析

3.1 83003综放工作面微震监测时序分析

冲击地压的发生是时间和空间的相互统一。所以对微震监测系统监测到的微震事件分析应该首先着重于微震事件发生的位置和微震监测系统监测到的微震事件的能量和震级。图2、图3分别为83003综放工作面微震系统监测到的能量大于105J微震事件的平面图和剖面图统计时间区间为2013年12月3日至2014年8月18日。图2平面图、图3剖面图中黑色与蓝色的圆圈点表示83003综放工作面微震事件的分布定位，其中蓝色的圆圈点表示发生矿震时造成破坏较严重的微震事件，黑色圆圈表示无破坏的微震事件。

图2 83003综放工作面能量大于105J微震事件平面图Fig．2 Energy is greater than 105J microseismic events plan of 83003 mechanized caving face

分析83003综放工作面的微震事件，可以得到以下结论。

3.1.1 平面图上微震分布规律

(1)微震事件主要分布在工作面和F25断层左侧，呈现带状分布，带状轴部与83003工作面推进方向夹角大约成30°。

(2)随着工作面的推进，微震事件的发生频度越来越多，并且沿着工作面的推进方向，分布重心相应的向前移动，这表明微震事件的发生与工作面的采动是紧密联系的。

(3)微震事件主要分布在中继主井巷道，中继主斜井巷道以及材料斜井巷道的保护煤柱范围向周边煤体扩展，特别是中继主斜井巷道与材料斜井巷道端部最为密集，此范围内发生的微震事件数量占到微震事件总数的90%以上。

3.1.2 剖面图上微震事件分布规律

(1)微震事件主要分布在83003综放工作面的底板岩层中，占到总数的95%以上。

(2)83003工作面布置在采区边界，并且在F25断层上盘，受到F25断层的影响很大，微震事件主要集中于断层线分布，在断层左侧150～200 m以及右侧250～300 m范围内，并且在-800 m水平上微震事件非常密集，构成了微震事件的分布带。

(3)由F25断层向深部延伸方向以及微震事件的分布情况可以分析出，在水平-800～-900 m上微震事件发生次数较多，这种原因主要还是受到F25断层的深部延伸和83003综放工作面开采扰动的共同结果。

图3 83003综放工作面能量大于105J微震事件剖面图Fig．3 Energy is greater than 105J microseismic events profile of 83003 mechanized caving face

3.2 83003综放工作面层位分析

填充点为能量大于105J的微震事件(图3)，从层位上分析来看主要有以下几个特点:

(1)83003综放工作面回风顺槽周围微震事件分布较为密集，受采动影响较大。

(2)微震事件基本上都发生在83003工作面底板煤层和岩体中，且在-800 m水平最密集。

(3)微震事件围绕着断层F25左右分布，在断层左侧分布较密集。

(4)在断层延伸方向受采动影响，断层活化，产生能量较大的微震事件。

3.3 83003综放工作面覆岩结构破坏微震监测

对83003综放工作面的微震事件进行统计分析，统计时间区间为2013年12月3日至2014年8月18日，微震事件的剖面图见图4。图4剖面图中黑色与蓝色的圆圈点表示83003综放工作面微震事件的分布定位，其中蓝色的圆圈点表示发生矿震时造成破坏较严重的微震事件，黑色圆圈表示无破坏的微震事件。图中梯形框圈出的微震事件呈现压力峰值分布。

由图可知，微震事件主要分布在83003工作面底板中，占到总数的95%以上;83003综放工作面布置在采区边界，且在F25断层上盘，受到F25断层影响很大，微震事件围绕着断层线分布，在断层两侧各150 m范围内，且在-815 m水平上微震事件非常密集，形成了一个微震分布带。83003工作面底板距煤层顶板的厚度为74 m，83003综放工作面覆岩集中破坏高度为172 m。

图4 83003工作面微震事件剖面分布图Fig．4 Microseismic events profile distribution of 83003 mechanized caving face

4 主要结论

(1)回采期间，冲击地压震源位置与采面间的距离大都在150 m以上，随着工作面开采对危险区域影响的加剧，冲击危险性将有可能加大。

(2)微震事件主要分布在工作面前方，工作面后方微震事件较少，且在工作面前方150～200 m范围内最为集中，该区域受采动影响较大，在高应力作用下，煤层和顶板出现超前煤壁断裂，此外回风顺槽微震事件发生频度比运顺顺槽高。

(3)冲击地压震源位置附近，微震事件相对较少，符合大能量微震事件填补空白区域的特点。

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