近水平煤层井上下微震联合监测技术及应用

魏焕伟，陈 洋，2，韩 飞，张 坤

(1.山东能源集团有限公司 冲击地压防治研究中心，山东 济南 250014；2.北京科技大学 土木与资源工程学院，北京 100083；3.巴彦高勒煤矿 冲击地压防治办公室，内蒙古 鄂尔多斯 017312)

微震监测技术作为一种冲击危险区域监测手段，可实时监测矿区范围内煤岩体微震活动，通过定位震源位置、反演传播时间和评估释放能量，结合矿井地质和开采技术条件，对采掘工作面的覆岩空间结构演化和应力场特征进行研判，实现对冲击地压危险的评价和预警[1-7]。

窦林名等[8，9]使用CS18VLF低频振动系统，采用比较法，开展了新旧DLM型矿震传感器检验试验，提出了频率误差、幅值误差及幅值线性度检验指标；辛崇伟等[10]构建了矿内-矿间微震监测系统，实现了两套矿内微震监测协同的时间同步，在义马煤田开展工程实践；杜涛涛[11]分析了微震定位误差的“垂直高差效应”，增加井上拾振器以增大z坐标差距，可有效提高微震垂直定位精度；徐刚等[12]对不同高差条件下微震台网进行仿真模拟和工程示范，结果表明井上下联合监测系统对3次方及以上事件监测结果最佳；朱亚东洋等[13]采用地面布置采集仪+监测井布置井中仪器的联合监测方法，对水力压裂效果进行评价；王元杰等[14]分析了井上下微震监测结果在垂直方向的空间分布特征和数量特征，验证了跟导水裂隙带发育高度的关系；闫文超[15]、段建华[16-18]开展井-孔联合微震监测技术的研究与示范，验证了井-孔联合微震监测技术可监测底板破坏深度和顶板裂隙发育高度。

目前，大多数冲击地压矿井引进的微震监测系统传感器均布置于井下生产空间，在单一、近水平的煤层情况下，受生产空间布局限制，传感器之间垂直落差较小，导致近水平煤层覆岩破裂微震监测存在垂直方向定位精度误差大的局限。鉴于此，巴彦高勒煤矿开展井上联合微震监测技术研究并开展工业性试验，并对监测效果进行评价，为类似条件矿井建立健全微震立体监测技术体系提供指导和借鉴。

1 工程背景

巴彦高勒煤矿行政隶属于内蒙古鄂尔多斯市乌审旗乌兰陶勒盖镇，井田位于东胜煤田西南深部区、呼吉尔特矿区东南部。井田开拓采用立井方式，首采煤层是3-1煤层，3-1煤层及顶底板的冲击倾向性鉴定结果均为弱冲击，煤层厚度3.09～7.00 m，平均5.51 m，总体向北西西倾斜，倾角1°～5°，很少波状起伏，3-1煤层埋深585～675 m。

随着11盘区工作面持续开采，回风巷道出现底鼓、鼓帮现象，发生大能量微震事件时地面有轻微震感。根据矿井地质勘探资料，3-1煤层上覆多层坚硬巨厚砂岩，随着开采区域范围增大，存在厚硬岩层破断诱发大能量微震的风险，为矿井安全高效生产和灾害防治带来了不确定因素。受限于台站近平面布置方式和软件算法，传统的ARAMIS M/E井下微震监测系统(简称ARAMIS M/E系统)微震事件垂直方向定位精度低，无法满足现阶段对上覆岩层运动精准监控的要求。为进一步探究上覆岩层破断层位和运移规律，为深孔爆破断顶、顶板水力压裂等措施的防冲措施完善效果检验方法，巴彦高勒煤矿新引进一套ARP 2000P/E地面微震监测系统(简称ARP系统)，联合ARAMIS M/E系统组建微震井上下联合监测系统。

2 井上下微震联合监测技术

微震震源参数测定的准确性是合理分析覆岩空间结构运移和支承压力演化的基础，鉴于此，精准测定微震事件的震源位置成为构建微震台网的第一要务。然而，微震事件定位的精准性影响因素众多，优化微震台站布置是现实中最容易实现的手段。微震台网定位精度的评价以及基于评价结论对微震台网进行优化布置就是一个首要的问题。

2.1 监测原理

受煤矿开采工况限制，现有微震监测传感器均布设于井下，当煤层倾角较小时，井下传感器不可避免地处于同一水平面，高程差很小，致使微震传感器无法构建立体监控空间[6]。为提高单一近水平煤层微震垂向定位的精度，拟在地面布置微震地面监测分站，结合原有的井下微震监测系统，组建煤矿井上下联合微震监测系统如图1所示。

图1 联合微震监测系统

2.2 井下微震监测系统

ARAMIS M/E系统是利用各拾震器接收到同一震动波过程中存在的时间差，在特定的波速场下对震源位置进行定位能量计算，对区域范围的微震事件进行实时监测，确定微震事件震源位置；利用震相持续时间计算微震事件发生过程中释放的能量，为评价全矿范围内的冲击地压危险提供依据。

ARAMIS M/E系统由5部分组成：SP/DTSS地面中心站、井下分站、ARAMIS_REJ数据记录服务器、数据处理计算机和UPS备用电源，如图2所示。

图2 ARAMIS M/E系统硬件结构组成

2.3 地面微震监测系统组成及特点

ARP系统是波兰EMAG公司研发的一种独立的数字遥控系统，采用加速探测器或电子地震检波器，可记录和分析地壳或建筑物低频振动的速度和加速度；通过无线的全球移动通信网络传输的，人造卫星上的GPS时钟使得数据分站能够保证非常精确的时间同步。相较于井下微震监测系统，ARP系统采用GSM移动网络进行无线传输，明显减少了通信电缆敷设等工作量。系统各台站能够独立运行，可根据实际需求自由增减和挪移台站。系统监控主机可以安装专门软件，通过过滤、将加速度转化为速度等方法来实现多方面自动评价震动的负面影响。

ARP系统由主站部分和目标部分组成。主站部分位于地面监控中心，配备一台装备有GSM调制解调器的主机电脑，调制解调器通过检测数据集中器可以实现双向数字无线通讯，用于数据归档、可视化和预处理的软件，软件安装在主机电脑内。目标部分是CZP3X传感器和/或装有SPI～70型拾振器的SN/ARP数据发射台站，如图3所示。

图3 ARP系统硬件结构

2.4 井上下联合微震监测方案

ARP系统地面台站与ARAMIS M/E系统井下台站监测数据通过卫星GPS时钟授时实现数据同步，通过双系统软件实现井上下数据联合监测、协同分析，井上下联合监测微震台网布置如图4所示。

图4 微震联合监测设备布置

井上下联合监测系统以ARAMIS M/E系统为基础，数据处理流程：ARP系统监测台站监测到震动波数据→传送至ARP软件→ARP软件的预处理并保存数据；ARAMIS M/E系统调取ARP软件震动波数据参与微震事件定位计算。微震联合监测流程如图5所示。

图5 微震联合监测流程

3 井上下微震联合监测系统应用

为方便现场调试，矿井将ARP系统台站安装在工业广场，联合ARAMIS M/E系统井下台站对3111盘区开采区域组建立体监测台网。

3.1 地面微震监测系统数据阀值

随机选取1个ARAMIS M/E系统拾震器并设置与井下在用拾震器参数一致，布置在地面进行监测，用于两种系统地面监测效果的对比分析。通过现场实测，发现ARAMIS M/E系统地面拾震器监测到的波形振幅非常大、规律性差，即使发生能量级为1.0×104J微震事件，只能在大振幅的波形下出现小起伏，不易准确识别波形变化的起始位置，无法实现准确定位，如图6所示。推断可能是震动波自顶板岩层向地面传播路径为穿层传播，尤其是表土层传递震动波能力非常弱，震动波中的高频波被大量损耗，仅留下频率很低的震动波。

图6 地面拾震器与井下拾震器波形对比

为保证监测的有效性，ARAMIS M/E系统传统拾震器不再作为正常通道纳入数据分析，仅作为ARP系统地面台站应用效果的对比参考。ARP系统地面台站参与分析事件平面图如图7所示。

图7 ARP系统地面台站参与分析事件平面图

3.2 定位坐标对比分析

实测发现，ARP系统地面监测台站接收的能量104J以上微震事件定位效果较好，而大多数103J以下小能量微震事件的波形起伏较小、起止位置不明确、不能有效参与事件合并分析。因此将ARP系统地面监测台站参与分析的微震事件能量临界值定为103J。2017年8月至2018年3月共监测到14个波形清晰的微震事件，现主要对该段时期微震事件进行统计分析，两种方法监测微震事件定位标高对比如图8所示。

图8 两种方法监测微震事件定位标高对比

分析可得：联合监测系统监测到的微震事件层位普遍比传统监测系统高，高程差11.0～60.0 m/35.2 m，均方差13.3 m，约占高程差均值的37.8%；两种微震监测方法监测到的微震事件标高表现出较好的一致性，说明以ARAMIS M/E系统为主、ARP系统为辅的井上下联合监测系统构建思路基本符合工程实际；井上下联合监测到的微震事件定位标高跟能量的关联性不明显，初步推断跟样本数量过少有关。

3.3 层位分析

3.3.1 311103工作面事件层位分析

根据311103工作面附近BJ10地质钻孔揭露，煤层上方赋存三层厚度超过10 m的砂岩，可能是诱发矿井大能量微震事件的力源对象。

依据煤层顶板岩性进行微震事件层位分析，未使用ARP系统地面台站时的微震事件主要分布在煤层上下10 m以内的范围，与顶板岩层断裂运动的认知严重不符，如图9(a)所示。

图9 311103工作面两种微震监测系统定位结果对比(m)

联合微震监测系统的事件定位结果均分布在砂岩中，104J大能量微震事件主要分布在厚度超过10 m的细粒砂岩和中粒砂岩，如图9(b)所示。事件7的定位层位与其他事件不同，该事件位于层位更高更厚的粗粒砂岩内，主要是由于该事件发生于工作面后方763 m处的煤柱处(图7)，在工作面回采后该处的直接顶已经垮落，而上层的粗粒砂岩受煤柱支撑作用，保持临时稳定状态，在工作面继续推采一定时间后发生断裂。

3.3.2 311201工作面事件层位分析

12—14号事件位于311201工作面回风巷附近，距离BJ12地质钻孔较近，根据BJ12钻孔揭露可知，该处煤层顶板表现为砂质泥岩和中粒砂岩或细粒砂岩的互层，中粒砂岩和细砂岩的厚度均超过10 m，与311103工作面面BJ10钻孔的岩性分布差别较大。

11201工作面两种微震监测系统定位结果对比如图10所示，可见定位结果分布在煤层上下10 m以内的范围，未能揭示出顶板岩层的断裂情况。311201工作面的3个能级为104J大能量事件主要分布在厚度超过10 m的细粒砂岩和中粒砂岩中。综上所述，增加ARP系统地面台站后微震事件在垂直方向的定位结果更加符合现场实际。

图10 311201工作面两种微震监测系统定位结果对比(m)

4 结 论

1)受限于井下台站布置近水平布置形式，传统微震监测系统微震事件在垂直方向上主要分布在煤层上下约10 m范围内，对发生断裂的覆岩层位定位效果较差。

2)ARP系统地面监测台站对井下微震事件进行有效监测的能量临界值应为1.0×103J，对1.0×104J以上微震事件定位结果更佳。

3)井上下微震联合监测的水平方向定位差值为3.0～18.4 m/10.1m，方差6.0 m；垂直方向定位差值为11.0～52.0 m/35.2 m，方差13.3 m；在平面位置并未出现较大变化的情况下，微震事件在垂直方向定位精度显著改善。

4)ARP系统与ARAMIS M/E系统组成的井上下联合监测系统，能有效提升微震事件在垂直方向的定位精度，后续根据监测数据进一步优化软件算法和硬件性能。