SOS微震检测系统在防治冲击矿压中的应用

2019-11-01王坤

同煤科技 2019年5期

王坤

（大同煤矿集团有限责任公司马脊梁矿,山西大同 037003)

1 引言

我国井工开采深度不断下探,井下的环境多变,不可预测性扩大,随之而来的可能的地质灾害[1-3]、煤矿事故发生的概率增高,并造成了大量设备损坏、巷道破坏与人员伤亡,对各矿安全生产与工人生命财产造成重大威胁。然而目前我国对井下的检测系统却一直未能有显著地改进,由于多方面条件的制约,许多地区的煤矿检测依然沿用比如钻屑通过观察多次煤粉含量的变化来判断井下地质活动的活跃程度、不仅技术方法落后,得到的数据干扰性较大并不具有很高的研究价值,因此井下检测设备的更新迭代显得尤为重要。本文主要介绍SOS 微震监测系统的现场应用,对煤岩层微震事件进行了分析,得到其矿压显现的时间和位置规律,对冲击矿压的预警防治起到了关键作用,增加了煤矿安全生产的可靠性。

2 概况

山寨煤矿位于华砚煤田西北部,井田走向平均长3 km,倾斜平均宽3.43 km,井田面积10.29 km2。目前主采一采区5#煤层,已开采至+1 150 m 水平。1104 工作面位于井田东翼一采区,北部为1103综放工作面采空区；其西部为二采区回风下山、二采区轨道下山及二采区胶带下山；东部及南部暂无采掘活动。走向长度1 270 m,倾斜长度150 m,面积190 500 m2。地面标高为+1 572 m～+1675m,井下标高为+1 168 m～+1 235 m。采深为337 m～507 m。

该工作面设计开采煤层为煤5 层,煤层总体结构比较简单,煤层厚度在9 m～29.9 m 之间,平均厚度为16.6 m,沿走向东厚西薄。煤层倾角5°～15°,硬度f＝2～3。

图1 一采区综合柱状图

3 SOS微震系统的介绍

山安煤矿安装了SOS 微震监测系统,该设备是波兰矿压研究院采矿地震研究所专门为煤矿安全生产所设计制造的。它能够针对矿井范围发生顶底板破断,断层滑移等产生矿震的信号进行监测,具有实时、连续、动态、最远可达10 km 等特点进行监测,能够给出矿震包括冲击矿压在内的完整波形。根据地震学原理可以确定每次震动发生的能量(最小能量为100 J)、时间和空间位置。对每次震动和趋势性进行分析,可以判断矿震发生的力源并评价矿井冲击危险程度,确保煤矿在安全的前提下进行生产。SOS微震监测系统如图2所示。

图2 SOS微震监测系统

SOS 微震监测系统主要有硬件和软件两大部分,硬件主要包括信号采集站,记录仪系统,分析仪系统,检波测量探头等。软件主要包括SEISGRAM 软件,它具有提取微震信号和可视化分析等功能；MULTILOK软件,它具备有对煤岩体微震信号三维定位和能量计算等功能。SOS微震监测系统具有以下功能:采集、记录和分析微震信号；处理多通道的波形；计算矿震的空间三维坐标和能量等功能。根据P 和S 波相比,初次进入时间的确定误差较小,定位精度较高,因此采用人工对波形进行P波定位,其它工作有计算机完成。

微震台网合理布置的目的主要是提高震源定位精度,尽可能多的获取有用信息,减少干扰,覆盖目前重点区域并兼顾其他潜在危险区域,微震拾震器布置的一般原则:

(1)拾震器布置应对重点区域形成空间包围,避免成为一条直线或一个平面。

(2)拾震器尽可能靠近重点监测区域,保证重点监测区域有4个以上可接收到震动信号的拾震器。

(3)拾震器尽可能避免较大断层,破碎带,机电设备的影响。

(4)既要对重点监测区域进行较好的监测,又要兼顾其他区域。

(5)布置位置拾震器,尽量利用现有的巷道和硐室等,减少施工,维修费用。

4 应用

1104工作面开始回采,分别在回风顺槽和运输顺槽布置3 个微震拾震器。随着工作面的回采,拾震器的布置位置也会发生改变,下图3为1104工作面刚开始回采时,工作面及附近布置的拾震器微震平面图。表1为拾震器布置的三维坐标。

图3 SOS微震拾震器布置图

表1 SOS微震拾震器位置坐标表

本次节取山安煤矿微震数据库2016 年10 月8 日至2018 年1 月1 日的数据。并对1104 工作面进行分区,监测区域共检测到矿震7 907次,其中最大能量为4.21E+05 J,平均能量为3.137E+04 J,震动能量分级统计见表2。

表2 微震数据统计

由表2中可以看出,震动能量主要集中在10E+04 J以下,占总矿震95.98%,由于1104工作面平均埋深在450 m 左右,老顶为坚硬细砂岩,因此容易储存弹性能,而且顶板形成的侧向支撑压力和超前支承压力也很大,因此发生的微震多为中高能量的震动。现场记录的多数强矿压显现的能量都在10E+4 J 以上,并且工作面附近微震活动比较强烈,工作面回采过程中应该加强冲击矿压的防治。

通过SOS 微震监测系统的实时,连续的监测,记录了1104工作面自2016年10月开始回采至工作面推进至转角后200 m 左右所记录的震动事件,主要包括震动发生的时间,平面位置,能量大小。通过对1104回采期间发生的震动时间,进行时间序列分布和微震事件平面分布规律分析,得到其矿压显现的时间和位置规律,如图4。

图4 1104工作面回采期间矿压显现位置

结合1104工作面具体地质条件和开采技术条件,强矿压显现总体特征为：

(1)1104工作面强矿压显现总计10次,小于10E+4 J 能量以下发生一次,大于10E+5 J 能量以上发生俩次,大于10E+4 J 且小于10E+5 J 能量发生7 次。说明小能量微震事件不易发生矿压显现。

(2)1104 工作面强发生矿压显现时,巷道的破坏形式主要以顶板下沉为主,同时也有底鼓等现象,并经常伴随支护结构的损坏导致破坏性加剧,治理难度很大。

(3)1104 工作面强发生矿压显现时,运输顺槽发生3次,回风顺槽发生7次。距离停采线附近,回风顺槽发生2 次矿压显现。说明在地质构造变化区,即工作面转采转角处应力较集中,强矿压显现较集中,并且重复发生强矿压显现,应注意进行重点监测和防护。在1104工作面转角处,回风顺槽矿压显现次数比运输顺槽处较多,说明该处受上采空区影响较大,应力较为集中。