“三硬”煤层冲击矿压的微震信号特征分析

王俊光，田利军，梁　冰，汪北方（.辽宁工程技术大学，辽宁阜新3000；.山西省大同煤业集团，山西大同03704）



“三硬”煤层冲击矿压的微震信号特征分析

王俊光1，田利军2，梁冰1，汪北方1
（1.辽宁工程技术大学，辽宁阜新123000；2.山西省大同煤业集团，山西大同037041）

摘要：为研究顶板、底板和煤层相对较硬的“三硬”煤层工作面微震活动规律，以忻州窑煤矿微震监测系统为工程背景，针对震源分布特征、微震能量及频次与采动的关系、典型冲击矿压微震信号特性分析等方面进行研究，揭示工作面微震活动总体规律，特别是冲击矿压前兆的微震效应，为建立“三硬”冲击矿压微震预测技术、评价矿井冲击矿压提供依据，具有一定理论意义与实用价值。

关键词：振动与波；三硬煤层；冲击矿压；微震监测；波形特征

微震监测技术作为一种先进、实时动态岩爆预报手段，近年来，在理论研究和应用方面取得长足进步。在国外[1，2]，特别是南非、加拿大等国的深井矿山中得到了广泛的应用，已作为矿山安全的重要措施。在国内，李庶林等用加拿大ESG的设备建立监测凡口铅锌地压的微震监测系统[3，4]；姜福兴等用澳大利亚设备在煤矿建立微震监测系统，研究煤矿深部采场爆破地震波的传播规律及采场地应力分布[5–7]；鲁振华和张连城在门头沟煤矿进行微震监测，评估微震的近场监测效能[8]；唐春安等在红透山铜矿等金属矿山开展大量的微震监测研究[9–11]；为监测冬瓜山铜矿的深部开采岩爆问题，唐礼忠利用南非IS的设备建立微震监测系统[12]。我国仅有极少数矿山进行微震监测，研究“三硬”条件下的煤层冲击地压预测处于起步阶段，为此，以典型的“三硬”煤矿—忻州窑煤矿西二盘区8929综放工作面和东三盘区8512工作面为背景，鉴于忻州窑煤矿微震监测系统处于初期运行的情况，对微震活动规律的研究主要针对震源的分布特征、微震能量及频次与采动的关系、典型冲击矿压微震信号的特性分析等方面展开，揭示工作面采动过程中微震活动的总体规律，特别是冲击矿压前兆的微震效应，可为矿井评价冲击矿压提供依据，具有一定的理论意义与实用价值。

1　微震震源分布特征

忻州窑煤矿工作面顶板、底板、煤层相对较硬，属典型“三硬”煤层，极易发生冲击地压，采用SOS微震监测系统对冲击地压进行预警预报。SOS微震监测系统能对矿井包括冲击矿压在内的矿震信号进行远距离、实时、动态、自动监测，准确计算出能量大于102J的震动及冲击矿压发生的时间、能量及空间坐标，且系统运行稳定可靠。能给出冲击矿压等矿震信号的完全波形，能确定出每次震动的震动类型，判断出冲击矿压发生力源。SOS微震监测系统由1 Hz～600 Hz震动记录性能、带嵌入式信号传输模块的震动检波器实时测量探头、中心信号数据接收器、信号监测和分析模块的数字信号记录器、中心计算机组成。井下布置非常简单，只有探头和传输线。探头安装在锚杆上，便于施工、维护和移动。采用独立的干线式数据传输系统，实现双向控制传输。

通过布置传感器位置，观测并采集发生震动时的微震信号，根据这些传感器的坐标及到时信息，确定微震发出位置及发出时刻，即确定微震震源。通过监测，忻州窑煤矿微震震源主要集中在两个采动区域：

（1）西二盘区8929综放工作面；

（2）东三盘区8512工作面。

能量为105～107J的震动主要发生在上述两个区域。并且东三盘区8512工作面震动能级较大。西二盘区8929综放工作面为震动多发区。根据监测结果，在井下工作面上共布置16个测点，在地面布置一个探头，重点布置在8929工作面以及8512工作面，如图1所示。

图1　微震震源的分布

2　微震能量及频次与采动的关系

声发射与微震信号的特征决定于震源性质、所经岩体性质及监测点到震源的距离等。基本参数与岩体稳定状态密切相关,基本反映了岩体的破坏现状[13-15]。能率大小,主要反映岩体变形和破坏范围，频率变化则反映岩体变形和破坏过程。图2给出了微震总能量、频次与时间的关系，以西二盘区8929工作面为例，8929综放工作面老顶初次破断步距为工作面长度的85%～110%。8929工作面倾斜长度为120 m，则老顶的初次来压步距为102～132，老顶的初次来压步距为周期来压步距的2.45～2.5，则工作面老顶的周期来压步距为40.8 m～53 m。8929工作面推进速度为3 m/天，则老顶的周期来压时间为13—17天，平均为15天。从图2中可以看出，忻州窑煤矿的微震活动规律与老顶岩层的周期来压密切相关，每一次老顶周期来压时，均造成工作面附近微震的总能量以及频次突然增加。

图2　微震总能量及频次与时间的关系

图3　不同工作面微震总能量及频次的统计曲线

图3给出了不同工作面微震总能量及频次的统计曲线。根据不同采动工作面微震信号总能量以及频次的统计分布曲线，利用微震台网的三维定位和能量计算结果，发现能量较大的震源多处于8929工作面区段煤柱区域内，工作面煤壁前方震动能量及频次比采空区要多。

（1）震动频繁发生区域在西二盘区，东三盘区8516面和8518面是震动能量异常区，每次震动能量普遍在105J以上。

（2）西二盘区是震动的多发区域，工作面的尾巷震动能量比其它地方要高，并且冲击矿压发生概率高。

3　冲击矿压前兆微震效应规律

忻州窑煤矿2010年7月12日发生了冲击矿压事故，给矿井的安全生产造成了一定的影响。经SOS微震监测系统的定位和能量计算，7月12日的微震能量达到2.5×107J，远远超过冲击矿压发生的最小能量极限。图4所示为冲击矿压的微震信号波形图。

图4　冲击矿压微震波形图

由图4可知，冲击矿压微震信号的振动速度均接近10-3m/s，信号持续时间3s～4s，且能量较高。

（1）冲击前兆微震能量及频次效应

由图5可知，在7月12日发生冲击矿压的前几天，微震能量开始增加后下降再增加，并且震动次数总体上处在增加趋势，能量经过释放和积聚过程，应力处于极限状态的区段煤柱煤体在12号夜班采矿活动的扰动下诱发冲击。同理，7月17日冲击矿压发生前，直至在工作面采动影响下诱发冲击矿压。这就说明冲击矿压属于典型的坚硬顶板型。当冲击矿压发生之前，由于顶板的周期破断，岩层内部形成众多的微裂纹，此时微震信号呈现多峰值型的高频特征（微震信号能量及频次较高）。随着顶板内部微裂纹的汇合、贯通，此时微震信号呈现低频特征（微震信号能量与频次下降）。当顶板内部形成宏观主裂纹，诱发煤体冲击矿压前兆，此时微震信号呈现超低频（＜10 Hz）特征，能量有所增加，频次下降。当冲击矿压发生之后，微震又呈现多峰值型的高频特征，频次开始增加，能量降低。

（2）冲击前兆微震频谱效应

图6所示为2010年7月12冲击矿压发生之前微震监测系统1通道采集的微震信号的频谱分布。从图6可知，冲击矿压发生之前，微震信号的频谱主要分布在0～150 Hz，高频成份较多，且振动速度较低。说明8929工作面上方的坚硬砂岩顶板正处于周期的破断活动之中。

图5　冲击矿压发生前后微震能量及频次统计曲线

图6　冲击矿压之前微震信号频谱分布

图7所示为2010年7月12冲击矿压发生时微震监测系统1通道采集的微震信号频谱分布。由图7可知，当坚硬顶板岩层内部形成宏观主裂纹时，微震信号主频带为10 Hz～35 Hz，振动速度高于冲击之前的微震信号。当煤体发生冲击矿压时，此时微震信号主频带为0～10 Hz，且振动速度较高，达到10-3m/s。

图8所示为2010年7月12冲击矿压发生之后微震监测系统1通道采集的微震信号频谱分布。由图8可知，冲击矿压发生之后，由于顶板内部重新产生了大量的微裂纹以及煤体产生强烈振动，导致微震信号的频谱又呈现出多峰值型的高频特征，主频带分布在0～300 Hz，其中高频成份急剧增加。

图7　冲击矿压微震信号频谱分布

图8　冲击矿压之后微震信号频谱分布

综上，坚硬顶板型冲击矿压的微震频谱效应为冲击之前微震信号呈现高频、低振动速度的特征；冲击前兆为微震信号呈现低频、较高振动速度的特征；冲击发生时，微震信号呈现较低频（＜10 Hz）的特征，振动速度达到极值；冲击发生之后，微震信号呈现高频、低振动速度的特征。

4　结语

（1）根据微震能量的统计结果可知，在空间上忻州窑煤矿微震震源主要集中8929综放工作面以及8512工作面。其中8512工作面接近断层以及构造区域，造成大部分高能级的微震信号集中在该区域，但频次较低。8929工作面因区段煤柱的高应力集中，为震源多发区。

（2）在时间上，忻州窑煤矿的微震活动规律与老顶岩层的周期来压密切相关，每一次老顶周期来压时，均造成工作面附近微震的总能量以及频次突然增加。

（3）忻州窑煤矿冲击矿压微震前兆能量及频次效应为微震能量开始增加后下降再增加，并且震动次数总体上处在增加趋势，能量经过释放和积聚过程，应力处于极限状态的区段煤柱煤体在采矿活动的扰动下诱发冲击。

（4）忻州窑煤矿冲击矿压微震前兆频谱效应为冲击之前微震信号呈现高频、低振动速度的特征；冲击前兆为微震信号呈现低频、较高振动速度的特征；冲击发生时，微震信号呈现较低频（＜10 Hz）的特征，振动速度达到极值；冲击发生之后，微震信号呈现高频、低振动速度的特征。

参考文献：

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Analysis of Microseismic Signal Characteristics of Rock Burst in the“Three-Hard”Featured Coal Seam

WANG Jun-guang1, TIAN Li-jun1, LIANG Bing1, WANG Bei-fang1
( 1. Liaoning Technical University, Fuxin 123000, Liaoning China; 2. Datong Coal MineGroupof Shanxi Province, Datong 037041, Shanxi China)

Abstract:Themicro-seismic activity law of theworking facein thehard celling, hard floor and hard seam (known as “three hard”) coal mine was studied. The micro- seismic monitoring system of Xinzhou coal mine was taken as the engineering example. Therelation among distribution featuresof theseismic sourceintensity, seismic energy, frequency and mining wasstudied.And thecharacteristicsof themicro-seismic signal of typical rock-burst wereanalyzed. Thegeneral law of the micro-seismic activity in the working face, especially the micro-seismic effect prior to the rock-burst was revealed. Thestudy may provideabasisfor setting up themicro-seismic prediction and evaluation methodsfor the“threehard”coal seamrock-burst. It hastheoretical significanceandpractical value.

Key words:vibration and wave;“three hard”featured coal seam; rock burst; micro seismic monitoring; wave characteristics

作者简介：王俊光（1980-），男，辽宁省阜新市人，博士，主要研究方向为矿山压力与岩层控制。E-mail:shenliu_303@163.com

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51404130）；教育部博士点基金资助项目（20122121120004)

收稿日期：2015-10-26

文章编号：1006-1355(2016)02-0185-04

中图分类号：

文献标识码：ADOI编码：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.02.041