兖州矿区多尺度矿震规律监测研究

姚刚

【摘 要】为监测不同尺度矿震，兖州矿区分别在井田尺度和矿井尺度建立了矿震监测台网和微震监测台网。基于井田尺度监测结果，分析了兖州矿区矿震活动规律，按矿震强度及分布范围确定了危险区域，得出矿震与构造区应力场的分布具有较强的相关性；研究了强矿震的前兆规律，得出强矿震发生前其频次和能量等级会显著提高。利用微震监测台网监测结果分析了东滩矿工作面开采过程中矿震在时间及空间上的活动规律，发现了工作面附近震源的分布规律，得出了矿震与开采活动的关系密切，同时确定了各监测点合理的波速值。该研究对兖州矿区冲击矿压的监测预警和防治具有重要意义。

【关键词】矿震规律；冲击矿压；微震监测；频次；开采活动

中图分类号：TD 324 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2017）26-0070-004

Research on multi-scale mine earthquake monitoring in Yanzhoumining area

YAO Gang

（Yanzhou Mining Group Dongtan Coal Mine， Jining， Shandong 273512，China）

【Abstract】In order to monitor mine shock in different scales， it has set up mine seismic monitoring network and microseismic monitoring network at mine field scale and mine scale respectively in Yanzhou mining area. Based on the mine field monitoring results， the regularity of mine activity in Yanzhou mining area was analyzed. According to the intensity and distribution range of mine shocks， the dangerous area was determined. It was found that the mine shock and the distribution of stress field in tectonic area was strongly correlated. The precursor regular shows that the frequency and energy level will increase significantly before strong coal shock appeared. Using the monitoring results of microseismic monitoring network， the temporal and spatial regularity of mine shock during the mining process of Dongtan coal face was analyzed. The distribution of the source near the working face was studied， discovered the relationship between mine shock and mining activity was closely related. Finally， the reasonable wave speed value of each monitoring point is determined. This study is of great significance to monitoring， early warning and prevention of rock burst in Yanzhoumining area.

【Key words】Mine shock；Rockburst；Microseismic monitoring；Frequency；Mining activity

0 引言

煤炭作為我国的主体能源，随着经济的高速发展，煤炭产量逐年上升，开采强度逐年加大，目前煤矿以每年近20m的速度向深部延伸[1-3]。随着煤矿开采深度的增加，冲击矿压、矿震、突水、顶板大面积垮落等采动诱发的动力灾害事故越来越严重，越来越频繁，严重威胁着矿山的安全生产[4-8]。

矿震是矿区内在区域应力场和采矿活动作用下，使得采区及周围应力处于失调不稳的异常状态，在局部地区积累了一定的能量后以冲击或重力等作用方式释放出来而产生的岩层震动[9-11]。在矿震强烈的情况下，在地面能感觉到岩体的震动，甚至使地面的建筑物遭到破坏。按矿震成因分，矿震分为煤柱冲击型矿震、顶板型矿震、构造型矿震等[12-17]。在实际生产过程中，这几种矿震往往伴随发生，如当出现大面积悬顶并久悬不落时，可能会出现顶板冒落和开裂，产生顶板型矿震；如果附近存在煤柱或断层，则很可能发生煤柱冲击和断层活动的构造型矿震。当矿山震动较强烈时，地面震感明显，甚至破坏地面建筑物。在一定条件下，矿山震动将诱发冲击矿压，造成巷道、工作面的突然损坏和破坏，人员的伤亡[18-21]。

兖州矿区作为我国主要的煤炭生产基地，经过30余年的快速发展，目前各矿井相继进入深部开采阶段，生产和地质条件不断恶化，矿震现象频发，矿震引起的冲击矿压灾害在东滩、鲍店、南屯、济三等煤矿陆续显现，对煤矿安全生产构成重大威胁。同时，集团所属济二、济三煤矿等矿井也相继发生多次冲击矿压事故。为确保矿工的生命安全和矿井的高效安全开采，以兖州矿区及东滩矿为研究背景，基于矿区尺度和矿井工作面尺度矿震联合监测系统，研究了不同尺度下的矿震活动规律，为指导兖州矿区防治冲击矿震灾害奠定了基础。endprint

1 兖州矿区微震联合监测系统

煤岩破裂震动存在明显的尺度效应，其破裂运动的尺度越大，震源破裂运动产生的弹性波传播范围越大，弹性波频率越低，释放的弹性能越高。因此，采矿活动引发的动力现象按照矿井煤岩体破裂运动的尺度大小分为三个尺度：矿区尺度、矿井工作面尺度和采掘面局部百米内的尺度。无论是微破裂，还是较大能量级别的震动，主要是从煤岩体的破裂尺度考虑，而其本质是基本相同的，都是煤岩体破裂产生的弹性波及其传播的表现。但是矿井工作面尺度的矿震和矿区尺度的矿震威胁更大，这些矿震可能会引起冲击矿压等动力灾害。为了更好的监测不同尺度的震动，兖州矿区在井田范围建立了覆盖整个井田的大尺度矿震监测台网，同时在冲击矿压与强矿震灾害严重的东滩、鲍店、济三等煤矿建立了矿井尺度的微震监测系统，两套系统相互配合、补充，从而建立了完备的矿井煤岩震动矿（微）震联合监测体系。

1.1 矿区概况

兖州煤田位于山东省西部的兖州、曲阜、邹城等三市境内，东至峄山断层，西、南、北三面均以第18上层煤露头为界。南北长30.0km，东西宽15.6km，面积475.6km2。兖矿集团公司所属各井田面积合计260.5km2，包括东滩煤矿、兴隆庄煤矿、鲍店煤矿、南屯煤矿、北宿煤矿、杨村煤矿、唐村煤矿等。京沪铁路自兖州煤田东部通过，交通十分便利，地面标高+33.0～+60.0m，东北高、西南低。

兖州矿区内构造发育，这些大构造也同样是矿井边界的划分依据。

1.2 兖州矿区地震台网建设

基于煤岩破类震动的尺度效应，为有效监测整个兖州矿区范围内矿震的分布规律，兖州矿区建立了由8个深井观测遥测子台，一个台网接收中心组成的数字矿震遥测台网。观测方式均采用深井观测，观测频带为0.5Hz～40Hz。为避免和减轻由地面及周围环境对观测数据带来的干扰，采用了深井观测技术提高观测动态范围。数据传输方式采用点对点无线超短波信道实时传输方式。项目建设过程中可根据矿震监测需要，随时追加地面流动台的观测，增加重点地区的矿震监测能力，台网中心设在鲍店煤矿。经过标定和测试，8个台站的井下静态地脉动噪声水平符合中国数字地震观测网络技术规程要求。台站中心主要设备技术连接与配置如图1所示。

1.3 矿井微震监测系统建设

井田尺度矿震监测台网的建立，对于指导兖州矿区矿震防治工作起到重要作用，在宏观上确定了危险集中矿井，从而能够针对性进行治理。但是，对于矿井范围内，尤其是采区、工作面区域的煤岩破裂与震动，大尺度台网的精确度就不能满足生产要求，在矿区台网监测震动集中的矿井内，建立矿井尺度的微震监测系统能很好的弥补大尺度台网的精度，并且大、小台网互相补充，对于研究矿震的演化发展规律尤为重要。

矿井微震监测系统采用波兰矿山研究总院研制的SOS微震监测系统，该系统可对矿井包括冲击矿压在内的矿震信号进行远距离（最大10km）、实时、动态、自动监测，准确计算出能量大于100J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。SOS微震监测系统中的硬件是由安装在地面主站内的信号采集站、记录仪系统、分析仪系统、本安装置、供电电源、信号传输线、以及井下检波测量探头等组成。

兖州煤业集团在矿震频发的东滩煤矿、鲍店煤矿、济宁三号煤矿、赵楼煤矿和南屯煤矿建立矿井微震监测系统。图2为东滩煤矿微震监测系统各测站布置示意图，共计在井下布置了16个探头，在地面布置了1个探头。（其中16#为地面台站）。

2 兖州矿区井田内矿震分布特征

图3为2009年兖州矿区全年所有可定位矿震事件，结合兖州矿区构造应力场分布特征与矿区范围内矿震定位规律可以发现，矿震震源与主要构造带、应力场分布具有较强的相关性。

通过对矿区微震事件进行分析，对大区域进行危险性划定，兖州矿区矿震频繁区域：鲍店煤矿、东滩煤矿以及南屯煤矿为矿震最严重区域，矿震频率高，震级也较大，应该加强监测预警及采取合理的卸压措施。

矿区矿震台网的监测表明，矿震活动与潜伏构造密切相关。每次开采越过断层前后，几乎都不同程度地发生较强的矿震，在越过断层之后，矿震频次逐渐衰减。同时，若这些断层构造处于应力集中程度较高的区域，如向斜轴部、翼部时，则诱发的矿震更加强烈。

东滩煤矿自微震系统运行以来，即2010年5月30日至2011年8月28日之间的微震监测数据进行统计分析。在全矿监测区域共监测到有效矿震14853个，其中最大能量为5.45E+06J，最小能量为6.55E-01J，平均能量为3.09E+03J，震动能量分级统计如图4所示，可见，震动能量主要集中在102～103J之间，占总矿震的52.47%，说明全矿微震强度比较小，以小能量释放的微震事件为主。

3 东滩矿采掘工作面矿震活动规律

基于矿井SOS微震监测系统，通过震源的空间分布和演化特征，可进一步研究震动发生的层位和破断形态，为研究采矿活动引起的覆岩活动规律打下基础。东滩矿1305工作面回采以来工作面全部平面投影及每月震源平面分布情况如图5所示，综合分析可以发现：

（1）从震源平面的月分布和演化趋势可见，震源集中区域随着工作面的推进，逐步往前移动；工作面超前应力集中区在开采初期震源较少，随着开采范围的扩大，前方也出现较多震动，并出现几次能量较高的强矿震事件，表明煤岩层在超前支承压力作用下已经开始出现大范围断裂或破坏。

（2）在平面分布上，矿震主要发生在工作面、采空区，同时影响至工作面前方及工作面倾斜方向上下，充分体现了工作面超前支承压力和残余支承压力的影响，同时也表明了在应力集中区内煤岩体发生破裂并释放能量，与矿震震源的分布位置形成了很好的对应。可利用微震监测系统辅助钻孔应力计判断超前应力集中区域和破裂范围。

（3）在每小时矿震累积频次几乎相同的情况下，每小时矿震累积能量在时间上分布有明显的集中显现，说明矿震与开采活动的直接相关性很强。從矿震累积能量分布来看，能量释放主要集中在1：00、5：00、9：00、10：00、21：00，说明这段时间内矿震活动强烈。endprint

（4）实践表明井下范围内1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#、11#测点的波速为4500m/s，地面16#测点的波速为3600m/s时较为合理。

4 结论

利用系统记录的大量震动事件，系统分析了兖州矿区矿震活动规律，得到的主要结论如下：

（1）结合兖州矿区地质构造区划分、应力场分布特征与矿区范围内矿震定位规律可以看出，矿震震源与主要构造带、应力场分布具有较强的相关性。

（2）根据矿区矿震台网监测，得出东滩矿及附近2.0级以上矿震前兆规律为：在较强的矿震发生前，相对较大矿震频次明显增加，平均能量等级也显著提高；当一定量级的矿震发生的频次达到一定数量后，预示较强矿震发生的危险明显增高。

（a）1305工作面回采期间全部矿震震源平面图（2010-11-1-2011-8-28）

（b）1305工作面回采期间矿震震源月平面图（2010-11-1-2010-12-1）

（3）矿震活动与潜伏构造密切相关。每次开采越过断层前后，几乎都不同程度地发生较强的矿震，在越过断层之后，矿震频次逐渐衰减。同时，若这些断层构造处于应力集中程度较高的区域，如向斜轴部、翼部时，则诱发的矿震更加强烈。

（4）确定了矿震波速。井下范围内1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#、11#测点的波速为4500m/s，9#、10#、12#、13#、14#、15#测点的波速为4800m/s，地面16#测点的波速为3600m/s；可以计算能量≥100J的矿山震动，可以比较准确的对能量≥100J的矿震进行三维定位。

（5）微震活动集中在工作面生产的时间内，且与工作面开采活动密切相关，日震动频次基本随日推进速度和开采强度的变化而变化，月进尺较大月份其震动频次明显增多；且强矿震事件发生前，日震动频次往往都有一个先增后降的发展趋势。从震源空间分布和演化趋势来看，震源集中区域随着工作面的推进，逐步往前移动。

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