基于现场矿压显现的微震预警指标研究

2023-08-08王志坚芦盛亮蔡宏伟韩大永

煤炭与化工 2023年6期

王志坚，芦盛亮，李钢，查颖，蔡宏伟，韩大永

（1.潞安化工集团余吾煤业公司，山西长治 046000；2.沈阳市汽车工程学校，辽宁沈阳 110000；3.吉林省能源投资集团有限责任公司，吉林长春 130000；4.沈阳焦煤股份有限公司红阳三矿，辽宁沈阳 110000）

1 概况

煤层开采对岩层造成一定的扰动，在一定条件下会形成矿压显现，导致一定的灾害。为了对矿压显现进行预测和预防，需要采取有效的措施对矿压变化进行监测。煤矿开采过程中，矿压会随着时间变化而变化，传统的矿压监测方法存在一定的局限性。微震监测是利用岩体破坏产生的微震信息对岩体的破坏进行度量，微震信号越强，岩体破碎越剧烈，岩体的应力变化越大。通过现场监测微震信号，建立微震信号特征与矿压显现之间的关系，是矿压显现预测的有效方法。

余吾煤矿N1100 工作面为一侧沿空工作面，自2022 年3 月回采到2022 年8 月17 日，工作面共回采约280 m，逐渐处于工作面见方期，同时该工作面胶带顺槽沿N1101 工作面采空区布置，工作面间区段煤柱宽30 m，综合导致工作面回采过程高应力显现明显，自2022 年5 月份开始胶带顺槽逐渐出现顶板锚杆锚索失效等情况。在开采过程中，进行了微震监测，并发现大能量微震事件，本文旨在建立微震信号特征与矿压显现之间的关系。

2 微震监测及矿压显现情况

2.1 微震监测情况

微震监测是利用煤岩破裂产生的微震信息来研究煤岩体结构和稳定性的一种实时、动态、连续的地球物理监测方法，其原理是通过分析微震事件的空间分布特征，并结合矿山压力相关理论，分析煤岩体应力集中区，进而对未来矿压显现的强度、发生地点进行预测。微震监测系统由微震传感器、信号采集系统、数据传输系统、时间同步系统和数据分析系统等组成。

余吾煤矿N1100 工作面采用ARAMIS M/E 微震监测系统，该系统可以计算出井下震源发生的位置、时间和能量。通过分析震动的位置、频率和能量等数据，提前预测大能量事件可能发生的位置，由此采取相应的防治措施，避免矿压显现的发生。

N1100 工作面微震测点布置如图1 所示，工作面共布置4 个微震测点（T26、T27、T28 和S24），并随着工作面回采，测点随之移动，始终保持对工作面回采期间进行微震活动监测。

图1 N1100 工作面微震测点布置Fig.1 Microseismic measuring point arrangement of No.N1100 Face

从2022 年3 月到2022 年8 月17 日，N1100工作面共回采280 m，在回采工程中，微震监测系统共监测到微震事件2 536 个，其中小于1×103J微震事件1 676 个，1×103～1×104J 微震事件842个，大于1×104J 微震事件17 个。图2 为N1100工作面大于1×103J 微震事件平面投影，深色为1×103～1×104J 微震事件，浅色为大于1×104J微震事件。可以看出，微震事件基本发生在工作面前方，在东邓向斜附近出现大能量微震事件。在工作面前方和地质构造附近岩石所受的应力较大，这在一定程度上表明微震事件与应力升高有关。

图2 N1100 工作面103J 以上微震事件平面投影Fig.2 Plane projection of microseismic events above 103 J in No.N1100 Face

2.2 矿压显现情况

自2022 年5 月份开始，工作面回采60 m 左右，N1100 工作面胶带顺逐渐出现顶板锚杆锚索失效情况。随着工作面继续回采，胶顺巷受30 m 煤柱及N1101 采空区影响，超前工作面100 m 范围内巷道变形较大，底鼓量最大达到1.2 m，帮鼓最大达到0.8 m。现场锚杆锚索失效具体情况如图3和图4 所示。

图3 顶板锚杆锚索失效情况Fig.3 Failure of roof bolt and anchor cable

图4 顺槽顶板锚杆锚索失效根数情况Fig.4 The number of failed bolt and anchor cable in the roof of the roadway

由图4 可以看出，自2022 年5 月8 日锚杆锚索开始出现失效现象；在2022 年5 月8 日～2022年7 月8 日期间，锚杆锚索失效现象较少；从2022年7 月8 日开始，锚杆锚索失效现象开始增多，在7 月10 锚杆锚索失效数达31 根，随后基本连续几天或相隔几天就出现锚杆锚索失效现象。从锚杆锚索失效累积数曲线可以看出，锚杆锚索失效累积曲线由平稳增加逐渐向急剧增加再向平稳增加转化。

3 工作面矿压显现微震预警指标分析

通过现场监测的结果来看，锚杆锚索失效与矿压显现具有密切相关性，且矿压显现与微震事件也存在着一定的关系。为此，分析微震信号和锚杆锚索失效的关系，找出合理的矿压显现微震预警指标。

3.1 日微震频次预警指标

在2022 年5 月8 日到2022 年8 月6 日期间，锚杆锚索日失效根数、日响煤炮个数及日微震频次之间变化规律如图5 所示。可以看出，三者之间具有较好相关性。在7 月10 日前，锚杆锚索日失效根数具有波动增长的趋势，响煤炮个数也逐渐增加，在这期间微震日频次具有明显增加的趋势，这表明矿压开始增加，岩石的破裂加剧；在7 月10日当天，锚杆锚索日失效根数达到最大值31 根，此段时间微震日频次达到较高水平的平均值，约为40 次；在锚杆锚索日失效根数逐渐减少时，微震日频次也逐渐减小，这表明锚杆失效与微震日频次存在显著的相关性。因此，可以通过微震日频次变化预测矿压显现。

图5 锚杆锚索日失效根数、日响煤炮个数及日微震频次之间关系Fig.5 The relationship between the number of daily failed bolt and anchor cable,the number of daily coal cannon and the frequency of daily microseismic

3.2 日累积微震总能量预警指标

在2022 年5 月8 日到2022 年8 月6 日期间，锚杆锚索日失效根数、日响煤炮个数及日累积微震总能量之间变化规律如图6 所示。可以看出，三者之间具有较好相关性。在7 月10 日前，锚杆锚索日失效根数具有波动增长的趋势，响煤炮个数也逐渐增加，在这期间日累积微震总能量具有明显增加的趋势；在7 月10 日当天，锚杆锚索日失效根数达到最大值31 根，此段时间日累积微震总能量达到较高水平为5×104J；在锚杆锚索日失效根数逐渐减少，微震日频次也逐渐减小。因此，可以通过日累积微震总能量变化预测矿压显现。

图6 锚杆锚索日失效根数、日响煤炮个数及日微震累积总能量之间关系Fig.6 The relationship between the number of daily failed bolt and anchor cable,the number of daily coal cannon and daily microseismic cumulative total energy

3.3 单个微震事件最大能量预警指标

2022 年6 月10 日到2022 年8 月19 日，日微震频次、单个微震事件最大能量、日累积微震总能量之间变化规律如图7 所示。

图7 日微震频次、单个微震事件最大能量、日累积微震总能量之间变化关系Fig.7 The relationship between the frequency of daily microseismic events,the maximum energy of a single microseismic event and the total energy of daily cumulative microseismic events

可以看出，三种微震指标变化规律具有较好一致性。自7 月28 日开始，104 J 以上大能量微震事件逐渐增多，且基本每天都会发生，微震事件频次和总能量也显著增多；当单个微震事件能量大于104J 时，日微震频次基本均超过40 次，或日累积微震总能量基本均超过105J，这在一定程度上表明微震能量与矿压显现存在着定量的关系。因此，基于日微震频次和日累积微震总能量预警指标，确定单个微震事件最大能量预警指标为1×104J。