深部厚煤层巷道掘进微震预警参数及临界指标研究

王 涛，李 根，姜 涛，王向宏

(1.皖北煤电集团，安徽 宿州 234001；2.山东理工大学 资源与环境工程学院，山东 淄博 255000；3.淄博市王庄煤矿有限公司，山东 淄博 255400)

近年来，我国煤炭资源基于复杂条件下，开采深度也逐年增加，冲击地压危险性相对逐年加大，且冲击形式也呈现出多样化特征。具有自发性和时滞性特点的隐蔽性灾害“蠕变型”冲击事故，多发生在深部特厚煤层巷道掘进过程中[1-3]。弹性能量易在底煤较厚的底板积聚，加之底板支护强度低，其冲击危险性更为显著[4，5]。冲击地压监测预警主要依靠微震、煤岩体应力、钻屑、电磁辐射等技术手段。微震监测技术具有距离远、实时、可三维定位等优点，多应用于冲击地压矿井[6-8]。目前微震监测研究多关注于确定预警参数和构建预警平台。于洋等人[9]根据深埋硬岩隧洞局部能量释放率与微震监测数据，建立了岩爆风险动态预警指标。谈国文等人[10]根据“列表法”“临界域”理念、“三率法”等方法，分析确定了汪家寨煤矿煤与瓦斯突出预警指标。王永等人[11]通过微震、应力及钻屑等多参量，建立了煤矿冲击地压多参量监测预警平台。夏双等人[12]分析了微震C反演评价指标和电磁辐射强度之间的关系。

特厚煤层冲击地压致灾机理、冲击危险性及其与微震预警参数的关联性具有特殊性[13]，目前相关研究较少。因此，本文以崔木煤矿深部特厚煤层巷道掘进为工程实例，分析微震信号在此条件下的典型特征，进而探索微震预警指标与冲击危险性的关联性，为防治此类冲击地压提供一定的理论依据和工程参考。

1 工程概况

崔木煤矿21306工作面采深663～717m，煤岩层整体属单斜构造，倾角小于15°，煤层厚度16～19m，属特厚煤层。周边存在向斜和背斜构造及DF1断层构造。直接顶为0.3～0.5m泥岩，直接底为0.5～3.35m炭质-铝质泥岩。由于底板炭质-铝质泥岩遇水易膨胀软化，因此巷道留设2m底煤。21306工作面运输巷邻近21305采空区掘进，留设36m区段煤柱，东侧与21305泄水巷间存在8m煤柱，崔木煤矿21306工作面位置及微震探头布置如图1所示。

图1 崔木煤矿21306工作面位置及微震探头布置

21306工作面安装了可监测震动能量大于100J、频率0～150Hz及低于30dB震动事件的SOS微震监测系统。系统通过24位σ-δ转换器及记录服务器，完成震动信号的转换和记录。在工作面附近布置4#、8#和6#检波器，由于6#检波器距运输巷掘进工作面较远，易产生监测盲区造成事件遗漏。因此，为有效监测掘进工作面微震事件，在回风巷800m位置处增加1个检波器“增1”，并在高位巷内布置1个检波器“增2”。此外，为保证微震台网的布置能适应不断移动的采掘作业，使得迎头附近具有较高的微震事件定位精度，巷道每掘进300m对微震台网进行一次优化，同时进行定位校验。

2 掘进期间微震数据分析

2.1 微震事件分布规律

微震事件发生的频次和能量可表征采掘过程中的冲击危险程度，巷道掘进过程中5次方以上的大能量事件发生伴有煤炮或顶板震动现象。对21306运输巷掘进过程中每天采集的微震事件频次、微震事件能量和5次方以上能量事件分布进行分析。统计结果表明，微震事件呈现明显的阶段性特点，整个掘进过程可分为邻近泄水巷掘进阶段(8m煤柱)、正常掘进阶段、对头掘进阶段和贯通阶段四个阶段。微震事件能量和频次分布曲线如图2所示。

图2 21396运输巷掘进微震事件能量、频次曲线

分析微震事件频次曲线可知，泄水巷掘进期间和巷道贯通期间微震事件频次较高。邻近泄水巷掘进期间，每天平均频次为17.3次；巷道贯通阶段，随着巷道掘进面案贯通距离的缩短，微震事件频次逐步增加，该阶段范围内每天平均20.6次。微震事件频次最低的阶段为正常掘进期间，日平均事件数量为5.9次。

分析微震事件能量曲线可知，不同掘进阶段微震事件能量曲线呈现一定规律性。泄水巷掘进期间频次和能量起伏变化，在掘进初期，由于突然改变了煤岩体的原有应力平衡，微震频次和能量有明显变化，冲击危险性增强；随着掘进的进行，煤岩体应力趋于新的平衡，相应的微震频次和能量明显下降；但到了泄水巷掘进末期，由于与21305工作面采空区之间存在小煤柱局部高应力区，微震频次和能量趋势上升。在相向掘进期间，随着两掘进工作面距离不断缩短，微震频次和能量有明显的增加趋势；当停止一侧工作面掘进后，微震频次和能量有所回落；随着贯通距离的缩短，在贯通距离不足80m后，微震能量又快速增加，直至贯通结束。其中，巷道贯通阶段单天微震能量最大，每天平均能量为1.46×105J；其次为邻近泄水巷掘进期间，每天平均能量为1.23×105J；运输巷对头掘进期间，每天平均能量为1.13×105J；正常掘进期间，日平均能量最小，为3.79×104J。

21306运输巷掘进期间，共计发生105J以上的大能量事件15次，巷道掘进现场有明显的顶板震动现象及煤炮声。正常掘进期间大能量事件只发生1次；邻近泄水巷掘进期间发生4次，且时间较分散；相向对掘期间5次，时间相对较密集；贯通阶段5次，时间相对最为密集。

由图2微震事件能量和频次拟合曲线的比较可以看出，邻近泄水巷掘进期间、运输巷相向掘进期间及正常掘进期间微震监测频次曲线与能量曲线呈现的规律性基本一致。在贯通阶段，微震能量呈逐渐上升趋势，而微震频次却逐渐下降，与此同时，在这一阶段大能量事件明显增多。由此可推断，当微震频次持续降低而能量呈上升趋势时，在后续的掘进过程中易产生密集大能量事件。

2.2 掘进速度与微震事件的关系

大量研究表明采掘速度与微震事件之间存在一定相互影响关系：工作面推进速度越快，推进速度变化越大，微震事件越显著[14，15]。崔木煤矿21306运输巷在82d统计时间内累计进尺529m，SOS微震监测系统共接收到微震事件609个(能量大于100J)，总能量4.99×106J。将微震事件投影到横轴时间轴上，以单日总能量、总频次和掘进速度为纵轴绘制曲线，如图3所示。

图3 21306运输巷微震频次、能量与掘进速度之间的关系曲线

由图3可以看出，微震事件发生频次及能量与掘进速度呈正相关性，随着掘进速度的增加，微震事件频次、能量也相应增加，当掘进速度减小时，其微震事件频次、能量也会呈降低趋势。大能量事件的发生主要在掘进速度明显变化时，随着掘进速度的突然变化，微震事件能量呈增大趋势。

3 微震监测临界指标的确定

不同区域微震日平均能量有着很大不同，单一的能量和频次统计不能完全反映上部岩层活动情况。因此，采用微震次数异常系数和微震平均能量异常系数来表征微震事件异常性和冲击危险性的发展趋势。其定义分别为发生矿震期间单位时间内微震次数、微震平均能量与工作面正常采掘活动期间微震次数、微震平均能量与的比值，分别用Kn、KEn表示。其具体表达为：

式中，Kn、KEn为频次异常系数和平均能量异常系数；E均为每日的事件平均能量，J；N均为平均每天发生微震频次，个；E矿震为高能事件发生前的平均日能量，J；N矿震为高能事件发生前的平均每天发生微震频次，个；n为时间步长，天数。

假定时间步长n为5，由公式(1)计算得到的运输巷相向掘进35d内微震事件能量、频次的微震活动异常系数如图4所示。

图4 微震异常系数时间曲线

从图4中可以看出，微震大能量事件发生前期，微震活动异常系数有明显提高，当平均能量异常系数为3.3、3.4时，在第6d、第7d依次发生了第1次、第2次大能量微震事件；当频次异常系数和平均能量异常系数分别持续增加到5.0和2.9后，在第18d发生了第3次大能量事件；当微震平均能量异常系数从2.6持续上升到3.5，频次异常系数从1.8持续上升到2.3时，在第22d和24d依次发生了第4次、第5次微震大能量事件。

可以得出，微震大能量事件发生前期总是伴随着异常系数的持续增强。通过对崔木其他巷道掘进数据的统计分析得到：正常情况下，微震活动异常系数临界值约为1.5左右；当异常系数值超过1.5，意味着可能发生大能量震动事件。

4 结 论

1)深部厚煤层巷道虽然在不同掘进阶段的能量和频次表现形式不同，但通过微震数据分析后发现其具有一定规律性。相邻巷道掘进期间、相向掘进期间及正常掘进期间的微震频次曲线与能量曲线变化规律基本一致，但在贯通阶段微震频次逐渐下降而微震能量呈上升趋势，同时大能量事件明显增多。

2) 微震事件发生频次及能量与掘进速度具有正相关性，大能量事件的发生主要在掘进速度明显变化时。

3)微震大能量事件可用微震活动异常系数进行预测，通过对崔木煤矿微震数据的统计分析可以得到微震活动异常系数临界值约为1.5左右。