郭家河煤矿1308工作面微震监测预警指标优化研究

钟宜涛，石翔元

(1.陕西麟北煤业开发有限责任公司，陕西 宝鸡 721500；2.陕西郭家河煤业有限责任公司，陕西 宝鸡 721500)

0 引言

矿震是一种典型的煤岩动力现象，强度大时易造成聚集在巷道周围煤岩体中的能量突然释放，即冲击矿压的发生，表现为在井巷发生爆炸性事故，动力将煤岩抛向巷道，同时发出强烈声响，造成煤岩体震动和破坏，有时诱发瓦斯突出、煤尘爆炸、火灾以及水灾等次生灾害[1-4]。因矿震造成的灾害具有突发性、瞬时震动性、巨大破坏性的特征，一般没有明显的宏观前兆而突然发生，难以事先准确确定发生的时间、地点和强度，发生过程短暂，像爆炸一样伴有巨大的声响和强烈的震动，有时造成人员伤亡。微震监测系统成为冲击地压防治的一个日常监测手段和分析工具，探索冲击矿压的预测技术[5-7]。

随着煤矿企业对冲击地压的重视和先进检测设备的使用，通过煤岩冲击危险性和冲击地压发生机理、微震能量事件大小及频率等观测、监测手段对各种参量监测预警指标细化和综合化、发生事件和时空关系以及冲击地压造成的综合危害研究不断深入，应用冲击地压危险区域的划分和以多参量监测预警体系对冲击地压预警和治理不断提供新的思路[8-11]。

郭家河煤矿井田含煤地层为侏罗系中统延安组，地质条件较为复杂。经鉴定郭家河煤矿主采煤层3号煤及顶底板岩层冲击倾向性属于Ⅱ类，具有弱冲击倾向性。委托科研机构对郭家河煤矿的冲击地压危险性进行了综合评价，结果显示矿井各工作面冲击危险指数为0.48，具有弱冲击危险性。现1308工作面回采采用走向长壁后退式全部垮落综合机械化放顶煤采煤法。矿井与科研院所合作对冲击地压进行研究，对微震监测检验参数指标进行修正。冲击危险性划分判定由多因素叠加分析邻近采空区、受断层等地质构造影响的区域定性为中等冲击危险区。

1 微震监测法

1.1 监测系统

利用SOS微震监测系统对矿井采掘生产区域进行冲击地压危险实时监测，在正常回采过程中，通过SOS微震监测系统对集中动载荷进行监测，获取大范围内微震事件数目、位置以及能量大小等，再综合进行冲击危险程度的判定[12-15]，根据危险程度采取相应的应对措施。微震主要记录震动发生的三维位置和震动释放的能量。当矿井的某个区域监测到矿震释放的能量大于发生冲击地压所需的最小能量时，则该区域在当前时间内有发生冲击地压的危险性。同时冲击地压的危险性也可通过分析震动的位置规律性来判断。如果在矿井的某个区域内，在一定的时间内，已进行了微震监测，根据观测到的微震能量水平、震动位置变化规律，就可以捕捉到冲击地压危险信息，并进行冲击地压预测预报。

1.2 工作面冲击危险指标

根据1307工作面的监测分析结果，微震事件以1×102～1×104J的中小能量事件为主，1×105J以上的强矿震事件相对较少，月震动频次与1307工作面的月进尺密切相关，震动频次与月进尺升降变化基本同步，尤其是1×103～1×104J能量级别的微震事件。

根据中国矿业大学的牟宗龙教授关于《1308工作面冲击地压危险性评价与防冲专项设计》研究报告表明：采煤工作面前后100 m及开采边界及其外侧50 m范围内出现单次震动能量超过1×105J，可预测该区域有冲击危险，应采用钻屑法进行校验；震动次数和震动能量同时增加时，是冲击地压危险上升的征兆；震动次数减少，但震动能量增加时，是冲击地压危险上升的征兆，其中震动次数开始下降的几个生产循环(采掘工作面最少推进10 m)的初期阶段可能特别危险，预示着岩层中能量积蓄。根据1307工作面的监测经验，回采工作面区域微震预警值不大于1×104J、临界值不大于1×105J(统称大能量事件)。当回采工作面区域发生大于1×104J的震动事件时进行预警，因此通过1308工作面的微震数据统计，对预警指标进行优化后给出量化指标。此外，根据各时期矿震的监测结果，给出各区域矿震活动的强弱。

1.3 微震系统

拾震器布置：1308工作面附近共布置6个微震监测点，用于监测工作面微震事件。1308皮带顺槽布置2台拾震器，1308回风顺槽布置2台拾震器，西翼辅运下山布置2台拾震器。

拾震探头的调整：工作面推采过程中及时挪移顺槽微震探头，每当探头距工作面100 m时向外转移100 m，保证探头与工作面相距100～200 m有效监测范围。为提高定位精度，探头安装均使用导线点控制。通过勘察现场和询问作业人员现场动力现象分析微震事件对回采工作面产生的影响。

2 数据收集与分析

2.1 数据收集

通过对郭家河煤矿2019年5月18日0点至6月18日0点一个月的微震数据收集分析，采集数据时间共32日，共监测到有效震动事件2 754次，其中大于1×104J的187次，大于1×103J的1 566次，1308工作面共监测有效事件2 036条，大于1×103J的1 277次，大于1×104J的98次。筛选1308回采工作面及其影响范围，特别是相邻1306采空区与相关的地质构造附近发生的微震事件，通过震动次数比率和震动能量结合研究事件数比率与冲击来压之间的关系。

2.2 数据分析

筛选区域的微震事件分布图如图1所示，即1308工作面微震事件分布图。图中用红、黄、蓝、绿分别代表相应的n次方事件，从大到小分别是红、黄、蓝、绿。根据大能量事件发生时间对比可知，1308工作面大能量事件与周围区域大能量事件发生时间基本重合。1308大能量事件是区域大能量事件的组成部分。矿井最大能量事件发生在第3日早晨8：00前后，8.40×105J，震源位置1304工作面采空区。1308工作面最大能量事件发生在第1日，这时微震事件有效频次减少，但能量为9.9×104J，震源位置1308与1306工作面之间煤柱处，工作面观测区域底鼓量增加。第7～14日，当微震事件数有效频次大于130次时，震动能量同时增加，工作面观测区域动力显现比较明显，有明显的煤炮，顺槽底鼓量比较大。

(红点代表5次方事件，黄点代表4次方事件，蓝点代表3次方事件，绿点代表2次方事件)图1 1308工作面微震事件分布Fig.1 Distribution of microseismic events in No.1308 working face

对1308工作面微震系统监测的大能量事件(大于1×104J震动事件)在本区域有效能量事件所占比例随时间变化关系如图2所示，即1308工作面微震大能量事件比例变化曲线图。由图2分析可知，第2日和第21日比例达到最低，第3日1308工作面大能量事件之前所占区域大能量事件比例明显低于0.4，此时大能量事件增加。第11～15日微震事件数比例高于0.8，结合现场勘探，当被监测区域动力显现比较明显，煤炮增加，底鼓量增大，冲击危险性相对严重。

图2 1308工作面微震大能量事件比例变化曲线Fig.2 Proportion change of microseismic large energy events in No.1308 working face

3 结论

(1)当监测区域微震事件发生比例上升时(1308工作面微震事件有效频次数比例高于0.8时)，需采取预警措施，预报即将来压，采取控制回采速度等方式应对来压情况。

(2)当监测区域微震事件发生比例明显降低时(1308工作面微震事件有效频次数比例低于0.4时)，需对震动次数开始下降的几个生产循环加强顶板控制，做好支架状态调整，及时应对大能量事件发生。

(3)当1308工作面微震事件有效频次大于130次时，需进行预警，加强对监测区域的钻屑法检验。当有明显动力显现(煤炮频繁、底鼓量增加等)应对监测区域采取钻屑法检验和卸压措施。

(4)在微震监测预警指标优化后，为郭家河煤矿1308工作面冲击地压防治提供了有益参考，但大能量事件发生的位置和详尽时序关系还有待进一步研究。