微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在預(yù)測(cè)桃山煤礦沖擊礦壓中的應(yīng)用

曲宏偉

（七臺(tái)河礦業(yè)精煤集團(tuán)有限責(zé)任公司桃山煤礦，黑龍江 七臺(tái)河 154600）

煤礦沖擊礦壓災(zāi)害是一種開采誘發(fā)的礦山地震，不僅造成井巷破壞、人員傷害、地面建筑物破壞，而且會(huì)引發(fā)瓦斯、煤塵爆炸，嚴(yán)重威脅煤礦的安全生產(chǎn)。由于這種災(zāi)害發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)、震源等具有復(fù)雜多樣性和突發(fā)性，對(duì)其針對(duì)性的預(yù)測(cè)是世界性難題。微震監(jiān)測(cè)技術(shù)在國(guó)外的深井礦山得到了廣泛應(yīng)用，并取得了較好的研究成果，已成為地壓監(jiān)測(cè)及礦山安全管理的重要手段，在國(guó)內(nèi)應(yīng)用則相對(duì)較少。

本文以波蘭SOS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在桃山煤礦的安裝應(yīng)用為研究背景，介紹微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)，探求薄煤層礦井微震波形的頻譜特征，微震活動(dòng)與工作面回采過程相對(duì)應(yīng)，研究礦震活動(dòng)規(guī)律，對(duì)沖擊破壞事件進(jìn)行分析，研究破壞前后微震能力頻次的變化趨勢(shì)，從而預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)礦井沖擊礦壓，為后期生產(chǎn)安全提供保障，也為其他煤礦應(yīng)用微震監(jiān)測(cè)技術(shù)提供借鑒。

1 礦井概況

七臺(tái)河礦業(yè)精煤(集團(tuán))有限責(zé)任公司桃山煤礦建井時(shí)間早，開采時(shí)間長(zhǎng)，經(jīng)多次技術(shù)改造和建設(shè)，2003年核定生產(chǎn)能力118萬t/a。礦井地表呈丘陵地貌，南高北低，平均海拔+200m，目前主要開采-400m水平，開采深度較大?？刹擅簩訉游欢啵F(xiàn)主要開采68層、79層、85層、93層，采取片盤斜井群開采，巷道布置復(fù)雜。井田范圍內(nèi)，褶曲、斷層等構(gòu)造較發(fā)育。薄硬煤層、堅(jiān)硬厚頂板、大傾角是其明顯的特點(diǎn)。桃山煤礦2005年5月份發(fā)生第1次沖擊礦壓，隨著開采深度的逐年增加，礦井深部壓力顯現(xiàn)日趨明顯，發(fā)生多次沖擊礦壓現(xiàn)象，并且沖擊礦壓發(fā)生次數(shù)和強(qiáng)度都有明顯增加趨勢(shì)。2009年4月，桃山煤礦與中國(guó)礦業(yè)大學(xué)合作，安裝了波蘭礦山研究總院采礦地震研究所設(shè)計(jì)制造的SOS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)井下微震活動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2 SOS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理

SOS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由井下、井上硬件以及處理軟件等3大部分組成，于井下、井上兩個(gè)空間相互配合形成一個(gè)完整的系統(tǒng)進(jìn)行工作。

DL M-SO采集站與DL M2001檢波測(cè)量探頭配合工作共同實(shí)現(xiàn)對(duì)微震信號(hào)的監(jiān)測(cè)、傳輸和采集。檢波測(cè)量探頭通過避雷設(shè)備串聯(lián)連接到采集站上，采集站經(jīng)礦井電纜分別向每個(gè)檢波測(cè)量探頭提供本質(zhì)安全供電電壓，檢波測(cè)量探頭則將微震物理信號(hào)轉(zhuǎn)置形成電流調(diào)制信號(hào)，經(jīng)礦井電纜傳輸至采集站，傳輸線中的電流大小由二極管控制。在信號(hào)傳輸過程中，主要電纜噪音可通過有可控開關(guān)的50Hz帶通濾波器消除。在采集站內(nèi)，本質(zhì)安全型信號(hào)和非本質(zhì)安全型信號(hào)隔離，通過運(yùn)算放大器和2個(gè)傳輸器將電流調(diào)制信號(hào)準(zhǔn)確復(fù)制，并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào)。檢波電路中的各電壓信號(hào)進(jìn)一步傳輸?shù)綖V波器中進(jìn)行濾波處理，處理后信號(hào)的幅頻響應(yīng)便可確定，經(jīng)過輸出放大電路實(shí)現(xiàn)1～10倍的信號(hào)放大處理，最后輸出至AS-1 Seisgram信號(hào)記錄儀，對(duì)微震信號(hào)進(jìn)行記錄和保存。AS-1 Seisgram信號(hào)記錄儀是基于內(nèi)嵌多通道A/D轉(zhuǎn)換卡的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)，該設(shè)備能連續(xù)自動(dòng)地探測(cè)、采集和記錄從DLM-SO采集站獲取到的微震數(shù)據(jù)，有助于對(duì)沖擊礦壓危險(xiǎn)狀態(tài)進(jìn)行分析和評(píng)估，通過局域網(wǎng)與數(shù)據(jù)后處理計(jì)算機(jī)連接使用。

3 微震活動(dòng)監(jiān)測(cè)與分析

桃山礦開采煤層頂?shù)装寰鶠榇值郊?xì)砂巖，頂?shù)装逯械卣鸩▊鞑l件好，衰減較慢。SOS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自2009年4月17日正常監(jiān)測(cè)以來，共接收到超過10000個(gè)有效震動(dòng)，包含104 J及其以下各能級(jí)的礦震事件。從震動(dòng)結(jié)果分析來看，微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)質(zhì)量較好，能夠?qū)?0.2級(jí)以上的礦震進(jìn)行準(zhǔn)確定位和能量計(jì)算。

3.1 85#左三片工作面微震活動(dòng)監(jiān)測(cè)

85#層煤0.9 m厚，構(gòu)造簡(jiǎn)單，傾角23°，開采深度大，約740 m。后退式走向長(zhǎng)壁采煤方法，高檔普采工藝，全部垮落法管理頂板。2009年6月25日開始回采到2010年3月28日，85左三片工作面共觀測(cè)到有效震動(dòng)1163個(gè)，礦震分布較為密集，礦震能級(jí)較大。85左三片礦震活動(dòng)較為典型，分析85左三片礦震活動(dòng)特點(diǎn)能夠較好的掌握桃山煤礦礦震規(guī)律。

3.1.1 從礦震能級(jí)構(gòu)成和發(fā)生次數(shù)分析，該面礦震事件發(fā)生頻繁，礦震能級(jí)較高，104 J大震動(dòng)較多。

3.1.2 85左三片工作面礦震分布隨工作面的回采逐步推進(jìn)，工作面在進(jìn)行回采期間，人工開采活動(dòng)破壞了采場(chǎng)周圍原巖應(yīng)力場(chǎng)的平衡狀態(tài)，使得高地應(yīng)力發(fā)生轉(zhuǎn)移和重新分布，并可能在某處產(chǎn)生地應(yīng)力的疊加集中，誘使微震活動(dòng)在工作面回采時(shí)間段內(nèi)頻繁發(fā)生。

3.1.3 85左三片工作面礦震能量及次數(shù)呈現(xiàn)周期性，具分形特征，工作面開采過程中有2次能量釋放高峰期：2010年1、2月份工作面處在上方護(hù)巷煤柱影響區(qū)內(nèi)。

3.2 沖擊礦壓事故分析

79左六片煤層產(chǎn)狀穩(wěn)定，厚1.37 m，傾角 22°，開采深度為 630－670 m，面長(zhǎng) 186 m。主要用后退式走向長(zhǎng)壁采煤法，高檔普采工藝，全部垮落法管理頂板。2010年3月27日12:38時(shí)，79左六片工作面過上層煤柱影響區(qū)域期間，工作面上巷附近因采空區(qū)懸臂頂板斷裂誘發(fā)沖擊礦壓事故。沖擊區(qū)域?yàn)楣ぷ髅嫔铣隹谙蛳?－22 m范圍，震感明顯，拋出煤量30 t，上巷下幫推倒6棵液壓支柱。沖擊釋放7.8×104J能量。結(jié)合現(xiàn)有地質(zhì)資料，分析可知，79左六片上順槽3.27沖擊礦壓的發(fā)生主要受開采深度大、上層遺留煤柱、臨近采空區(qū)和瓦斯壓力等因素影響。3.27沖擊發(fā)生前后79左六片日震動(dòng)能量對(duì)數(shù)、次數(shù)變化趨勢(shì)如圖1所示。

圖1 日震動(dòng)能量對(duì)數(shù)、次數(shù)變化趨勢(shì)

礦震每日釋放能量和震動(dòng)次數(shù)變化與強(qiáng)礦震發(fā)生的時(shí)間有較好的規(guī)律性，能量、次數(shù)持續(xù)攀升或持續(xù)下降預(yù)示著將有沖擊危險(xiǎn)，沖擊危險(xiǎn)的強(qiáng)弱則與持續(xù)的時(shí)間相關(guān)，持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)沖擊危險(xiǎn)性越高。

4 結(jié)論

4.1 桃山煤礦建立的SOS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井包括沖擊礦壓在內(nèi)的礦震信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)距離（最大10k m）、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、自動(dòng)監(jiān)測(cè)，給出沖擊礦壓等礦震信號(hào)的完全波形。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行一年多來對(duì)拾取事件波形的分析與處理結(jié)果表明，SOS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)質(zhì)量較好，能夠?qū)δ芰浚?6 J的礦震準(zhǔn)確定位和能量計(jì)算，對(duì)增加煤礦開采量和保證煤礦生產(chǎn)安全等具有重要使用價(jià)值。

4.2 不同能量級(jí)別的微震信號(hào)所對(duì)應(yīng)的波形形態(tài)和頻譜存在著不同的特征，能量越高，震幅越大。

4.3 沖擊礦壓不是突然發(fā)生的，能量、次數(shù)持續(xù)攀升和持續(xù)下降則將有沖擊危險(xiǎn)，且持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)沖擊危險(xiǎn)性越高。