近直立煤层冲击地压微震监测前兆信息规律研究

2019-12-13赵志鹏闫瑞兵刘昆轮

煤炭工程 2019年11期

赵志鹏，闫瑞兵，刘昆轮

(神华新疆能源有限责任公司，新疆乌鲁木齐 830027)

近年来，冲击地压成为影响煤矿安全生产的主要因素之一[1-3]，急倾斜煤层冲击尤为频繁。乌东煤矿南采区为近直立煤层赋存条件，受岩柱、历史煤柱及特殊地质构造的影响，在距水平地面300m就有冲击地压显现，出现冲击地压的临界采深要比目前大多数冲击地压矿区煤层埋藏深度浅很多[4]。随着采掘深度增加，动力灾害更加频繁，对冲击前兆信息的辨识显得尤为重要。

冲击地压现象的本质是高应力状态作用下煤岩体的突然失稳破坏[5]。煤岩破坏过程中，伴随裂隙的产生和扩展[6]，以及能量的释放和转移[7]。许多学者针对煤岩破坏过程中的各种物理现象对冲击地压的前兆信息开展了诸多研究。赵毅鑫等[8]通过对“两硬”条件下冲击地压微震信号特征研究发现，冲击前微震事件频次和能量均减少，坚硬顶板断裂后发生压缩、反弹的区域是发生冲击的震源区域。袁瑞甫等[9]研究了煤柱型冲击地压微震信号分布特征和前兆信息，发现微震事件分维值在冲击前会降低到某个临界值以下。此外还有不少学者[10，11]对冲击地压电磁辐射前兆信息展开了研究，取得了一定的成果。然而，有关近直立煤层冲击地压前兆信息的研究尚不多见，而近直立煤层又是冲击地压高发区，因此，对其冲击前兆的研究尤为必要，该研究对进一步做好冲击地压预测预防工作具有重要指导意义。

1 工程概况

1.1 工作面概况

乌东煤矿B3+6工作面煤层倾角为82°～87°，平均厚度48.87 m，内含夹矸4～20层，夹矸总厚为0.08～4.40m；直接顶与直接底均为粉砂岩。采用水平分段综放开采的采煤方法，采高3m，放高22m。当前采面为+450m水平，平均采深400m，可采走向长度222m。本文以+450水平B3+6工作面为研究对象，对冲击地压发生前的微震事件时空演化规律展开研究。

1.2 微震监测系统

乌东煤矿采用波兰EMAG工业技术创新研究院研制的ARMISM/E微震监测系统，该系统基于SN/DTSS传输站中的SPI-70地震计，使用本质安全的数据传输，从地表集中供电，系统共包含12个微震探头。

微震监测系统拾震器和探头主要布置在+450水平和+425水平，其中拾震器布置在水泥平台上，帮探头和底探头安装在水泥平台或锚杆上，+450水平3个探头均随工作面位置动态移动，微震系统探头布置方案如图1所示。

图1 微震系统探头布置示意图

1.3 +450水平B3+6工作面历次冲击地压

B3+6煤层从开采到现在，共发生5次冲击地压，分别为“2·27”、“3·13”、“11·24”、“2·1”、“4·26”事故。其中+450水平共发生3次冲击地压，分别为“11·24”、“2·1”、“4·26”事故，历次冲击地压破坏范围如图2所示，破坏形式以帮鼓和底鼓为主，冲击地压影响破坏区域大多集中在超前工作面0～200m之间。

图2 历次冲击地压破坏范围

2 近直立煤层冲击地压前微震时空演化规律

2.1 微震能量、频次演化分析

图3中(a)、(b)、(c)分别统计了2016年11月24、2017年2月1日以及2017年4月26日3次冲击地压发生前1个月的微震事件每日频次和累计能量的变化，如图3可知，在冲击地压发生之前，微震累计能量和频次均出现异常变化。

图3 冲击前微震能量和频次时序演化规律

2.1.1 累计能量

以3次冲击地压发生前累计能量为例，累计能量先是呈现出平稳波动的变化趋势，在临近冲击之前，累计能量开始剧烈波动，然后下降到一个较低值随即发生大能量冲击事件。

2.1.2 微震频次

“11·24”冲击地压发生前一个月微震频次总体呈下降趋势，但中间仍有3次明显的急升急降段，在频次降低至0～10次时，累计能量便会出现小幅跃升，甚至出现“11·24”冲击地压事故；“2·1”冲击地压发生前一个月微震频次有两次较大的跃升，在微震频次跃升之后的急剧下降段，累计能量出现相应的升高，尤其是第二次微震频次下降至0～10次时发生“2·1”冲击地压事故；“4·26”冲击地压发生前一个月微震频次变化较为平稳，在“4·26”冲击地压发生前有一次频次的大幅跃升，随即发生“4·26”事故。

微震每日累计能量和频次的异常变化反映了煤岩体内能量积累和消耗的不稳定状态，因此可以作为冲击地压的前兆。值得注意的是，冲击地压警报是一项艰巨而复杂的任务，其前兆可能会有所不同，前述的每日累计能量和频次异常变化只是许多可能的前兆中的一种。因此在生产活动中如监测到类似的微震数据变化规律应引起高度重视，提前进行进一步危险辨识并及时做好防治措施。

2.2 微震能量和频次偏差分析

2.2.1 偏差指标的提出

能量偏差值DE定义为：

(1)

频次偏差值Dp定义为：

(2)

2.2.2 微震能量、频次偏差值指标演化规律

对2016—2017年+450水平B3+6回采面所有大能量矿震(震源能量>106J)前的微震能量和频次进一步研究，分析大能量矿震之前每日微震事件的能量偏差值DE和频次偏差值Dp的时序变化趋势，如图4、5所示，图中垂向虚线表示大能量事件发生日期，实线表示冲击地压发生日期。

图4 能量偏差值时序分布规律

图5 频次偏差值时序分布规律

由图4可以看出，在大能量矿震之前，矿震的能量偏差值基本都会出现较高值，该值一般大于20。该时间段共发生7次大能量矿震，其中6次大能量矿震发生前能量偏差值超过20。以两个大能量矿震之间的时间间隔作为时间窗，在临近大能量矿震前，DE会出现缓慢增加的趋势，并在缓慢增加的过程中突然出现一个极大值，该极大值一般出现在大能量矿震之前一周。

由图5可以看出，在大能量矿震之前，每日微震频次偏差值Dp经历一个峰值，即出现先升后降的趋势，且7次大能量矿震发生前Dp峰值均大于0.8。

2.3 冲击前矿震空间演化规律

以2017年4月26日冲击地压前10天每日微震空间定位结果为例，研究冲击地压前矿震的空间演化规律。图6中左下角标记为当日工作面推进速度，右上角标记为当日日期。

由图6可以看出，在冲击地压发生之前4月18日到4月23日，微震事件快速增多且逐渐向回采工作面集中，同时大能量事件开始逐渐增多。B2-B3巷岩体内微震事件活动性快速增强。在23日之后，微震事件集中度开始迅速减弱，微震事件集中区从B3+6煤体向B2-B3巷岩体移动，随后发生冲击地压，即冲击地压的发生是一个能量聚集到释放的过程。