地音监测系统在顶板巨厚岩层活动规律研究中的应用

王元杰

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013)

地音监测系统在顶板巨厚岩层活动规律研究中的应用

王元杰1,2

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013)

[摘要]顶板巨厚岩层的运动和破断对于冲击地压的发生具有重大的影响，为了研究顶板巨厚岩层的活动规律，介绍了地音监测技术的发展历程和原理，采用地音监测实时数据及地音能量和频次与地表下沉的变化规律，对华丰煤矿顶板巨厚砾岩活动进行了观测和研究。研究表明采用地音监测系统可以对顶板巨厚岩层的运动实时监测，并对其破断进行预测，对有效控制冲击地压事件的发生有很大的帮助。

[关键词]地音监测；冲击地压；顶板巨厚岩层；活动规律

采场上覆厚岩层的运动对采矿作业空间安全有重要影响，上覆坚硬、厚岩层大多是主要承载结构，即关键层，是影响冲击地压发生的主要因素之一，其运动和断裂对冲击地压的发生有重大的影响[1]，主要原因是在厚层坚硬顶板滑移失稳或破断过程中[2]，造成强烈地震动，释放大量的弹性能，导致冲击压力型(顶板煤层型)冲击地压或冲击型(顶板型)冲击地压[3-4]。如义马千秋煤矿、新汶华丰煤矿都受到采场上覆巨厚砾岩层的影响，多次发生灾害性冲击地压事故，对煤矿造成了很大的损失。

因此，监测顶板关键层的运动规律，可以有效地预测矿井冲击地压的发生[5]。目前对顶板关键层运动规律的监测手段主要有微震监测技术、地音监测技术，通过微震监测技术可以对顶板岩层的断裂时间、位置和能量进行计算和显示，地音监测系统则可以对煤岩体内部破裂、微破裂信息进行监测和统计，通过对煤岩体破裂前兆信息的提取和分析，起到对顶板厚岩层破裂的发生进行预测预报的效果。本文将着重讨论采用地音监测系统对顶板厚岩层活动规律的研究。

1矿井概况

新汶矿业集团华丰煤矿设计生产能力0.6Mt/a，1983年改扩建后生产能力提高到0.9Mt/a，2006年重新核定矿井生产能力为1.2Mt/a。华丰煤矿是新汶煤田最西端的相对独立的矿井，采用斜井多水平开拓，现有-1100m和-750m两个生产水平。后组十一层煤已开采至-550m，前组六层煤已开采至-1010m。矿井开采地质条件复杂，是全国开采最深的井田之一，水、火、煤尘、瓦斯、顶底板等各类灾害比较严重，尤其是存在着世界性采矿难题冲击地压，给矿井安全生产带来很大压力。

该矿冲击地压主要发生在四层煤中，自发生冲击地压现象以来，共监测出冲击地压事件3.14万余次，其中1.0级以上冲击地压2900余次，大于2.0级以上的冲击事件7次。已统计发生破坏性冲击事件108次，共破坏巷道长度2000m，累计破坏的工作面长度400m，共损坏铰接顶梁600余根，单体液压支柱500余根。

2地音监测系统

1940年在美国阿米克铜矿观测到岩爆时有地音现象，并通过地音技术预报了岩爆的发生，从此开始了地音监测技术在岩土工程和岩石力学研究中应用的时代[6]。波兰的冲击地压灾害相当严重，为此，波兰研制了微震监测系统和地音监测系统。最初的系统分别为SAK地音监测系统和SYLOK微震监测系统，主要用来监测采掘工作面和矿井区域的地音与微震活动。波兰EMAG公司在原系统基础上进行升级改造，形成了ARES-5/E地音监测系统和ARAMIS M/E微震监测系统，系统实现了数字信号传输，传输距离大且不易受干扰。

国内地音技术的应用研究起始于20世纪70年代初，新汶华丰煤矿于2006年率先从波兰EMAG公司引进国内第1套全天候数字化微震监测系统，2008年又引进1套地音监测系统，此后，微震和地音监测技术在国内冲击地压矿井迅速推广，同时带动了国内微震和地音系统的研发。截至目前，新汶、淄博、枣庄、鹤岗、双鸭山、义马、抚顺、华亭、神新、平庄等近100个矿井安装了微震和地音监测系统。

与微震监测系统一样，地音监测系统接受的也是震动信号，不同之处是两套系统接受震动信号的能量级别和频率范围不同。微震系统监测比较强烈的、频率小于150Hz的震动现象，地音系统监测的是比较弱的、频率范围在150～3000 Hz的震动现象[7]。此外，微震系统接受震动信号后主要功能是对震动事件进行定位和能量计算，而地音系统在具有定位功能以外，其主要作用是对接受的震动信号进行统计分析，通过按分钟、小时、工作班等单位对地音能量和频次进行统计，评价监测区域的冲击危险性，起到预测预报冲击地压的效果。

ARES-5/E地音监测系统是对矿井冲击危险性评价的专用设备，能够实时监测工作面的地音事件，安装在工作面巷道的地音传感器将监测到的地音信号处理成模拟信号，再由发射器处理转换成数字信号，由信号电缆传输到地面数据处理器[8]。ARES-5/E地音监测系统可以监测能量小于103J，震动频率在28～1500Hz之间的地音事件，系统对监测区域内的地音事件进行实时监测，监测数据通过系统分析软件的处理，实现对系统监测区域当前工作时段的冲击危险等级进行评价，并对下一工作时段的冲击危险等级进行预测。

3地音监测顶板活动规律分析

3.1地音探头布置方案

为降低冲击地压对矿井安全生产的影响，2008年华丰煤矿经天地科技股份有限公司从波兰引进并安装了ARES-5/E地音监测系统，系统包括2个地面中心站，支持井下16个探头同时监测。监测探头布置在冲击危险性比较高的区域，一般为采掘工作面，如图1所示。

图1　1411工作面地音探头布置示意

探头与采掘工作面的距离应当在30～110m之间，条件允许时，探头应当尽可能远离噪音源。探头安装在垂直于煤壁的锚杆上，锚杆长度应不小于1.5m。为了确保探头与岩体接触牢靠，锚杆应全程锚固，保证其与岩体形成一个整体。

3.2地音监测揭示上覆岩层运动

华丰煤矿煤层倾角为30°，砾岩厚度随着工作面开采深度的增加而加大，下位煤岩层受其自重应力的影响也愈加明显，煤岩体内的原岩应力越来越高，因此在开采过程中容易形成由高应力集中引起的冲击危险。统计该矿已发生过的冲击地压，工作面冲击地压发生频次随着采场砾岩厚度增加而增多，工作面冲击危险性也随之增强。

图2为华丰煤矿地音监测系统的实时显示窗口，图中共显示8个通道的实时数据，左边4个为2409工作面回风巷和运输巷4个传感器接收的数据，右边4个为1411工作面回风巷和运输巷4个传感器接受的数据，图中右坐标和左坐标分别代表能量和频次，图中显示每一分钟该地音传感器接受到地音信号的频次和能量。2409和1411工作面是分布于矿井的西部(翼)和东部(翼)的两个不同采区的工作面，两工作面为背向推采，两工作面间距约1000多米。从图中可以看出，两个工作面的8个通道均在当日18时10分监测到一个强大的地音信号波动，说明该信号来源于两个工作面的同一主关键层，预示着作为主关键层的上覆砾岩层发生了一次破裂。而后该矿于当日18时52分发生一次1.9级矿震，并在1411工作面诱发一次冲击地压。说明地音监测系统能够实时监测开采区域内的地音信号，并且系统的数据能够直观地揭示上覆巨厚砾岩层的运动。

图2　地音监测系统实时观测窗口

3.3地音数据与地表下沉的关系

通过对该次矿震发生前期的数据进行总结，发现地音数据(能量和频次)与地表下沉有明显的规律性。工作面推进过程初期，砾岩层下沉速度较慢，为坚硬顶板积聚弹性能的时期，地音数据(能量和频次)出现有规律性的变化；当上覆砾岩层破断后，发生坚硬顶板的滑移失稳，地表迅速下沉，地音数据(能量和频次)的规律性变化结束，聚集的弹性能突然释放造成强烈地震动，造成冲击地压发生。

图3、图4为1411工作面2010年地音能量和频次与地表下沉量的变化趋势，从图中可以看出，地音能量和频次从3月份开始处于上升趋势，于8月中旬上覆砾岩断裂之前，能量和频次都达到其最高峰，之后地音的频次停止增长，地音能量开始骤降。因此通过对地音能量和频次的峰值点的判断，可以对顶板巨厚岩层的断裂进行预测。

图3　地音能量与地表下沉变化曲线

图4　地音频次与地表下沉变化曲线

4结论

通过对华丰煤矿地音监测系统冲击地压发生前后的数据分析，对顶板巨厚岩层的活动规律进行了研究。地音监测系统可以实现对监测区域内地音事件进行实时监测，系统的实时显示界面揭示了上覆巨厚砾岩层的运动情况。通过对地音数据(能量和频次)与地表下沉的数据分析，总结了两者之间的变化规律，在顶板巨厚砾岩断裂前期地音能量

和频次处于上升趋势，当地音能量和频次达到其高峰时顶板巨厚砾岩断裂，之后地音的频次停止增长，地音能量开始骤降。对顶板巨厚岩层运动的监测手段有很多，为找到更加有效的监测方法，还需要进行大量的研究工作。

[参考文献]

[1]卢新伟.巨厚火成岩下矿震分布特征分析[J].煤炭工程，2010，7(7)：54-57.

[2]王元杰，霍永金，张宗文，等.基于最小平方法的微震震级与能量关系研究[J].煤矿开采，2015，20(4)：104-106.

[3]M.Cai，P.K.Kaiser，H.Morioka，et al.FLAC/PFC coupled numerical simulation of AE in large-scale underground excavations [J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2007(44)：550-564.

[4]张宗文，王元杰，赵成利，等.微震和地音综合监测在冲击地压防治中的应用[J].煤炭科学技术，2011，39(1)：44-47.

[5]何全洪.砾岩运动与冲击地压的关系探讨[J].矿山压力与顶板管理，2003(4)：95-96，64.

[6]郭惟嘉，孔令海，陈绍杰，等.岩层及地表移动与冲击地压相关性研究[J].岩土力学，2009，30(2)：447-451.

[7]窦林名，曹胜根，刘贞堂.三河尖煤矿坚硬顶板对冲击地压的影响分析[J].中国矿业大学学报，2003，32(4)：388-392.

[8]王元杰，齐庆新，毛德兵，等.基于地音监测技术的冲击危险性预测[J].煤矿安全，2010，41(4)：52-54.

[责任编辑：潘俊锋]

Application of Earth-sound Monitoring System in Strata Movement of Giant Roof

WANG Yuan-jie1，2

(1.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China；2.Mining Research Institute，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China)

Abstract：Rock burst was influenced by movement and broken of giant thick strata in roof obviously，in order to studying movement law of giant thick strata in roof，development process and principle of earth-sound monitoring technology was introduced first，with real-time data of earth sound monitoring，earth sound energy and frequency，changed law of surface subsidence，giant thick conglomerate roof movement in Huafeng coal mine was observed and studied.The studying showed that giant thick strata movement of roof could be monitored real-time by earth sound monitoring system，and then broken would be forecast，it’s beneficent for rock burst control effectively.

Key words：earth-sound monitoring，rock burst；giant thick roof，movement law

[收稿日期]2015-11-02[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.03.029

[基金项目]国家自然科学青年基金资助项目(51304116)；国家重点基础研究发展计划(973)项目(2010CB226806)

[作者简介]王元杰(1983-)，男，山东泰安人，助理研究员，主要从事煤矿安全、冲击地压等方面的研究工作。

[中图分类号]TD324

[文献标识码]A

[文章编号]1006-6225(2016)03-0109-03

[引用格式]王元杰.地音监测系统在顶板巨厚岩层活动规律研究中的应用[J].煤矿开采，2016，21(3)：109-111，84.