微震活動(dòng)規(guī)律及其在煤礦開(kāi)采中的應(yīng)用

許紅杰，夏永學(xué)，藍(lán) 航，劉增平，劉 虎

（1.天地科技股份有限公司開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京100013;2.煤炭科學(xué)研究總院開(kāi)采設(shè)計(jì)研究分院，北京100013;3.山東唐口煤業(yè)有限公司，山東濟(jì)寧 272055）

微震活動(dòng)規(guī)律及其在煤礦開(kāi)采中的應(yīng)用

許紅杰1，2，夏永學(xué)1，2，藍(lán) 航1，2，劉增平3，劉 虎3

（1.天地科技股份有限公司開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京100013;2.煤炭科學(xué)研究總院開(kāi)采設(shè)計(jì)研究分院，北京100013;3.山東唐口煤業(yè)有限公司，山東濟(jì)寧 272055）

研究深部礦區(qū)，特別是有煤巖動(dòng)力災(zāi)害礦區(qū)的微震活動(dòng)規(guī)律對(duì)沖擊地壓等災(zāi)害的預(yù)測(cè)與防治具有重要意義。利用ARAMIS M/E微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，研究了唐口煤礦千米深井條件下微震時(shí)空演化特征，通過(guò)高精度微震定位和分析，獲得了該條件下微震活動(dòng)與工作面推進(jìn)、采動(dòng)應(yīng)力分布、巖層破裂、沖擊地壓等之間的關(guān)系，對(duì)礦井安全生產(chǎn)起到一定的指導(dǎo)作用。

微震;活動(dòng)規(guī)律;采動(dòng)應(yīng)力;巖層破裂;沖擊地壓

Application of Micro-seismic Activity Rule in Coal Mining

微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)θV范圍微震現(xiàn)象進(jìn)行監(jiān)測(cè)，是一種區(qū)域性、及時(shí)監(jiān)測(cè)手段。相較于其它傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法，該方法具有遠(yuǎn)距離、動(dòng)態(tài)、三維、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，還可以根據(jù)震源情況確定破裂尺度和性質(zhì)。隨著定位精度的提高和儀器自動(dòng)化處理能力的增強(qiáng)，微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已逐漸成為沖擊地壓、煤與瓦斯突出等礦井動(dòng)力災(zāi)害的重要監(jiān)測(cè)手段，在煤礦安全生產(chǎn)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

山東唐口煤礦是淄博礦業(yè)集團(tuán)公司在濟(jì)北礦區(qū)建設(shè)的最后一對(duì)現(xiàn)代化礦井。礦井井田面積約78km2，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力3Mt/a，采用豎井開(kāi)拓，其主井、副井、風(fēng)井均超千米，是國(guó)內(nèi)第一個(gè)一開(kāi)始就面臨千米采深的礦井。由于開(kāi)采深度大且煤層具有一定的沖擊傾向性，礦井開(kāi)采過(guò)程中面臨較強(qiáng)的沖擊地壓威脅。為此，唐口煤礦于2009年裝備了ARAMIS M/E微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于礦井大范圍內(nèi)煤巖震動(dòng)信息的監(jiān)測(cè)和沖擊地壓預(yù)報(bào)。

在長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)微震活動(dòng)規(guī)律，特別是微震事件時(shí)空分布特征的研究，是預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)沖擊地壓的基礎(chǔ)和前提，對(duì)沖擊地壓的防治工作也具有重要的指導(dǎo)意義。本文以唐口煤礦微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析了該條件下微震活動(dòng)與采動(dòng)應(yīng)力、巖層活動(dòng)及沖擊地壓的關(guān)系，分析結(jié)果對(duì)該礦安全生產(chǎn)起到一定的指導(dǎo)作用。

1 系統(tǒng)布置

ARAMIS M/E微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)單個(gè)拾震器有效監(jiān)測(cè)范圍可達(dá)10km2。為了提高定位精度和確保實(shí)現(xiàn)整個(gè)礦井煤巖震動(dòng)信息的監(jiān)測(cè)，作者所在課題組根據(jù)唐口煤礦礦井條件制定了針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)方案，如圖1所示。該方案共布設(shè)了15個(gè)拾震器，全部位于在受開(kāi)采影響區(qū)域外的巷道、硐室中，既照顧了當(dāng)前開(kāi)采區(qū)域，又考慮到未來(lái)一定時(shí)期內(nèi)的開(kāi)采活動(dòng)。表1為各拾震器坐標(biāo)。

圖1 微震臺(tái)網(wǎng)布置方案

2 微震事件的時(shí)空遷移

微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自2009年9月23日正常運(yùn)轉(zhuǎn)以來(lái)，獲取了大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。單個(gè)拾振器能接受到能量為5～10J的震動(dòng)事件，但要確定一個(gè)微震事件發(fā)生的空間坐標(biāo)，需要至少4個(gè)拾振器同時(shí)記錄到該事件。一般來(lái)說(shuō)，震動(dòng)能量越大，接受到信號(hào)的拾振器數(shù)目越多，震動(dòng)波形越清晰完整，系統(tǒng)也越容易識(shí)別P波初動(dòng)時(shí)刻，定位效果越好。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，要使至少4個(gè)拾振器能同時(shí)接收到同一個(gè)微震信號(hào)，微震能量一般不會(huì)小于300J。截止到2010年10月30日，系統(tǒng)共監(jiān)測(cè)到有定位結(jié)果的微震事件2036個(gè)，釋放能量1.62×107J。

從監(jiān)測(cè)結(jié)果的空間分布來(lái)看，微震事件主要分布在受采動(dòng)影響的2304，2306，3302和4305工作面以及部分掘進(jìn)巷道。圖2為唐口煤礦2306工作面微震事件隨工作面推進(jìn)的動(dòng)態(tài)分布規(guī)律。從圖中可見(jiàn)，微震事件具有明顯的時(shí)空遷移性，即微震事件隨著工作面的推進(jìn)有規(guī)律地向前移動(dòng)，表明微震事件與開(kāi)采活動(dòng)存在密切聯(lián)系。在工作面前方0～50m，微震事件最為密集，表明該區(qū)段煤巖體活動(dòng)劇烈，是開(kāi)采過(guò)程中重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域。

表1 拾震器坐標(biāo)

圖2 微震事件的時(shí)空遷移

3 微震活動(dòng)的周期性

眾所周知，在采動(dòng)作用下，開(kāi)采工作面煤巖活動(dòng)具有周期性特征，而微震事件是煤巖活動(dòng)所釋放的物理現(xiàn)象之一。從圖3中可以看出，微震事件的發(fā)生也具有明顯的周期性，這與支架壓力記錄儀監(jiān)測(cè)到的工作面來(lái)壓有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即微震事件的能量和頻次在工作面來(lái)壓期間一般都會(huì)有明顯增長(zhǎng)的現(xiàn)象，反映了頂板周期性運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，通過(guò)微震事件的定位發(fā)現(xiàn) （見(jiàn)圖4），事件主要集中在頂板和煤層中，來(lái)壓期間微震事件往往從下巷開(kāi)始，逐步向上巷發(fā)展，說(shuō)明頂板斷裂從工作面下巷開(kāi)始，并向工作面上巷方向發(fā)展，表現(xiàn)為工作面下部來(lái)壓先于上部。

4 微震活動(dòng)與采動(dòng)應(yīng)力的關(guān)系

微震的能量和頻次還可用于間接地描述工作面超前支承壓力的分布特征，以2306工作面為例，固定工作面后，工作面前方微震事件分布與超前支承壓力的關(guān)系見(jiàn)圖5。從圖中可獲知，2306工作面超前支承壓力的影響范圍超過(guò)40m，顯著影響范圍為0～20m，應(yīng)力峰值超前工作面約10m。

圖3 微震活動(dòng)與來(lái)壓的關(guān)系

5 微震活動(dòng)與巖層破裂的關(guān)系

圖6為微震事件的傾向投影圖。由圖中可知，事件主要集中在下位頂板中。2308工作面傾向長(zhǎng)度為190m，微震揭示頂板破裂高度達(dá)245m，2306工作面面長(zhǎng)110m，兩邊均為110m煤柱，應(yīng)力較大，因此微震事件活動(dòng)更頻繁，能量也更大，但頂板破裂高度相對(duì)較小，約為172m。從微震監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看，開(kāi)采并沒(méi)有影響到距離煤層上方約350m的J2－3S巖層，該巖層厚度達(dá)200～350m，完整性較好、強(qiáng)度較大，若出現(xiàn)整體運(yùn)動(dòng)將對(duì)沖擊地壓防治帶來(lái)很大影響。

圖4 微震事件的周期性變化規(guī)律 （2010.4.5－4.20）

圖5 微震活動(dòng)與超前應(yīng)力的關(guān)系

圖6 微震與巖層破裂的關(guān)系

6 微震活動(dòng)揭示沖擊危險(xiǎn)區(qū)域

圖7為某一時(shí)期微震監(jiān)測(cè)揭示的3個(gè)高危區(qū)域，Ⅰ區(qū)微震事件分布最密集，釋放能量最大，主要是因?yàn)樵搮^(qū)域處于已開(kāi)采的4305工作面停采線附近，本身具有很高的應(yīng)力，4304工作面開(kāi)采形成的超前支承壓力也開(kāi)始影響到該區(qū)域，造成應(yīng)力進(jìn)一步增加，致使煤巖體破裂加劇。Ⅱ區(qū)為4304工作面膠帶巷接近DF129斷層，采動(dòng)造成斷層活化，沖擊危險(xiǎn)性增加。Ⅲ區(qū)為CF52斷層與330膠帶大巷相交位置附近，該處處于構(gòu)造應(yīng)力與巷道側(cè)向支承壓力相疊加區(qū)域，應(yīng)力較為集中，危險(xiǎn)性較大。礦防沖隊(duì)對(duì)這3個(gè)區(qū)域?qū)嵤┝硕喾N解危手段，保證了礦井安全生產(chǎn)。

圖7 微震事件揭示沖擊危險(xiǎn)區(qū)域

7 結(jié)論

（1）微震活動(dòng)與開(kāi)采密切相關(guān)。微震事件的發(fā)生具有明顯周期性，反映了頂板周期性運(yùn)動(dòng)。

（2）采用微震技術(shù)研究了工作面超前應(yīng)力分布規(guī)律。分析表明，2306工作面超前支承壓力的影響范圍超過(guò)40m，顯著影響范圍為0～20m，應(yīng)力峰值超前工作面約10m。

（3）通過(guò)微震監(jiān)測(cè)揭示了沖擊危險(xiǎn)區(qū)域，為沖擊地壓解危措施的實(shí)施提供指導(dǎo)。

（4）微震事件分布特征可以用于研究頂板運(yùn)移規(guī)律。研究表明，2308工作面垮落帶高度為57m，破裂高度為245m;2306工作面破裂高度為172m。目前，開(kāi)采并沒(méi)有影響到上覆厚狀堅(jiān)硬的J2－3S巖層。

［1］齊慶新，竇林名．沖擊地壓理論與技術(shù)［M］．徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2008．

［2］楊志國(guó)，于潤(rùn)滄，郭 然，等．基于微震監(jiān)測(cè)技術(shù)的礦山高應(yīng)力區(qū)采動(dòng)研究 ［J］．巖土力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28（2）．

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TD324.2

B

1006-6225（2012）02-0093-03

2011－12－30

許紅杰 （1979－），男，河南漯河人，工程師，主要從事礦井生產(chǎn)技術(shù)與工程管理相關(guān)工作。

［責(zé)任編輯:潘俊鋒］