微震監(jiān)測系統(tǒng)在煤礦沖擊地壓預(yù)警中的應(yīng)用＊

周俊文

（中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，煤礦的開采強(qiáng)度增大，相應(yīng)的開采深度增加，因此，煤礦沖擊地壓災(zāi)害發(fā)生的強(qiáng)度和頻率明顯增加。20世紀(jì)80年代后，不同國家的學(xué)者對如何有效利用微震監(jiān)測技術(shù)監(jiān)測、監(jiān)控此類災(zāi)害進(jìn)行了大量的研究。法國的Senfaute等發(fā)現(xiàn)礦山支護(hù)與微震事件分布之間具有直接聯(lián)系；Shen等利用微震技術(shù)研究了澳大利亞某長壁工作面頂板垮落時位移、應(yīng)力的變化規(guī)律以及頂板垮落時的微震前兆信息；潘一山等[3-4]開發(fā)研制出礦區(qū)千米尺度破壞性的礦震監(jiān)測定位系統(tǒng)；唐禮忠等[5]通過優(yōu)化多個微震監(jiān)測系統(tǒng)傳感器站網(wǎng)的空間位置來提高微震事件震源定位精度和系統(tǒng)靈敏度。

鑒于傳統(tǒng)微震監(jiān)測技術(shù)在定位和能量計算方面存在一定的誤差[6]，本文采用KJ768微震監(jiān)測系統(tǒng)，建立相應(yīng)的預(yù)警模型，實現(xiàn)對躍進(jìn)煤礦沖擊地壓災(zāi)害預(yù)警。

1 示范礦井概況

示范礦井為躍進(jìn)煤礦，該礦含煤地層為侏羅系的義馬組，可采煤層為2-1和2-3兩層。其中，2-1煤層厚度變化較大，為0.85～8.55 m，平均3.78 m，可采性指數(shù)0.98，煤層厚度變異系數(shù)33.2%.2-1煤層直接頂板為泥巖，厚20 m左右，底板為中、細(xì)粒砂巖，厚0～25 m，為2-3煤層的頂板。2-3煤層位于2-1煤層下部，距2-1煤層0～26.54 m，平均6.7 m，在+170 m水平賦存穩(wěn)定，煤層厚度平均6.60 m，可采性指數(shù)為1，煤層厚度變異系數(shù)為16.3%.

煤礦開采進(jìn)入深部采區(qū)后，沖擊地壓造成大量設(shè)備損壞、人員傷亡。躍進(jìn)礦沖擊地壓發(fā)生的強(qiáng)度大、危害嚴(yán)重，發(fā)生前沒有明顯的前兆，回采面巷道和掘進(jìn)巷道發(fā)生沖擊地壓災(zāi)害都很頻繁，并且沖擊位置以底板沖擊為主。圖1是沖擊地壓現(xiàn)場破壞情況。沖擊地壓災(zāi)害給躍進(jìn)礦帶來巨大的影響，且隨著開采向深部的轉(zhuǎn)移，該災(zāi)害的威脅會更大，將成為制約礦井安全高效生產(chǎn)的首要難題。

圖1 沖擊地壓破壞的巷道

2 基于微震監(jiān)測的沖擊地壓預(yù)警

2.1 微震監(jiān)測系統(tǒng)

KJ768微震監(jiān)測系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)的被動式監(jiān)測技術(shù)，增加了自激震動波速反演計算功能，因此，對微震的監(jiān)測精度更高。本項目采用的KJ768微震監(jiān)測系統(tǒng)，其具有自動優(yōu)化參數(shù)、監(jiān)測結(jié)果三維動態(tài)顯示等功能，且能實時、連續(xù)、自動采集原始震動信號，進(jìn)行波形濾波處理。KJ768的頻率范圍為0～150 Hz，動態(tài)范圍小于等于110 dB，傳輸速率為100 Mbps，傳輸距離高達(dá)20 km，采樣頻率介于500 Hz～10 kHz，定位最小震動能量為100 J。

2.2 沖擊地壓預(yù)警

建立沖擊地壓預(yù)警模型，把每天KJ768的監(jiān)測結(jié)果代入模型，得到能夠判斷當(dāng)前工作沖擊危險狀態(tài)的結(jié)果。在此，以2014-09-05的監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，說明基于該微震監(jiān)測系統(tǒng)的沖擊地壓預(yù)警模型的建立過程及相應(yīng)的預(yù)警過程。

2.2.1 建立因子集合及評價集合

考慮指標(biāo)因子對預(yù)警結(jié)果的影響作用，并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測情況，同時選取微震頻次N、總能量E和震源集中度ξ建立預(yù)警模型因子集合U，即U＝（N，ξ，E）。

評價結(jié)果集合用V表示，V＝（無沖擊危險，弱沖擊危險，中等沖擊危險，強(qiáng)沖擊危險），這表明各種可能的總評判結(jié)果分為4類危險等級。用I，II，III和IV分別代表無、弱、中、強(qiáng)4個危險等級，則V＝（I，II，III，IV）。

2.2.2 建立權(quán)重集合

基于該礦工作面微震監(jiān)測數(shù)據(jù)的歷史數(shù)據(jù)分析，得到不同危險等級的各評價因子數(shù)據(jù)范圍如表1所示。

表1 各評價因子分級閾值

對躍進(jìn)礦23070工作面2014-09-05當(dāng)天的微震監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到各評價因子結(jié)果如表2所示，微震系統(tǒng)定位的事件坐標(biāo)及能量如表3所示。由表1和表2數(shù)據(jù)，結(jié)合權(quán)重計算公式（5.19），可求得權(quán)重集合為：W＝（w1，w2，w3）＝（0.43，1.10，0.07），然后進(jìn)行歸一化處理得到模糊權(quán)重向量 A＝（0.27，0.69，0.04）。

表2 2014-09-05各微震評價因子結(jié)果

表3 2014-09-05微震事件定位結(jié)果及能量

2.2.3 建立評判矩陣

將監(jiān)測結(jié)果及各評價因子不同等級的分級閾值代入隸屬度函數(shù)計算公式（1），可求得各個評價因子的單因素評判矩陣，并組成模糊矩陣R：

2.2.4 評判結(jié)果

將模糊權(quán)重向量A和模糊矩陣R進(jìn)行M（·，＋）運算，得到?jīng)_擊地壓預(yù)警的模糊綜合評判向量B＝（0，0.846 6，0.159 9，0）。根據(jù)最大隸屬度原則，判斷該工作面此次的沖擊危險等級為II級，即具有弱沖擊危險性。建議對該工作面采取沖擊地壓解危措施，2014-09-06，躍進(jìn)礦組織防沖隊相關(guān)人員實施大孔徑卸壓、煤層卸載爆破卸壓措施，以降低工作面沖擊危險性，確保安全。

3 應(yīng)用效果

采掘過程中，利用KJ768微震監(jiān)測系統(tǒng)開展沖擊地壓監(jiān)測結(jié)果，當(dāng)監(jiān)測結(jié)果顯示具有沖擊危險性時預(yù)警，并實施大孔徑卸壓、煤層卸載爆破等沖擊地壓解危措施。措施實施后，再根據(jù)KJ768微震監(jiān)測系統(tǒng)開展沖擊地壓監(jiān)測結(jié)果判別是否消除了沖擊危險，如果沒有消除沖擊危險，繼續(xù)實施解危措施，直到微震監(jiān)測結(jié)果顯示消除沖擊危險后，再實施采掘作業(yè)。預(yù)警具體流程如圖2所示。

圖2 沖擊地壓預(yù)警工作流程

KJ768監(jiān)測系統(tǒng)在該礦23070工作面監(jiān)測以來，前后26次對工作面開展了沖擊地壓預(yù)警，其中3次強(qiáng)沖擊危險預(yù)警，9次中等沖擊危險預(yù)警，14次弱沖擊危險預(yù)警。監(jiān)測預(yù)警結(jié)果對指導(dǎo)沖擊地壓災(zāi)害防治起到了非常重要的作用。

4 結(jié)論

應(yīng)用KJ768微震監(jiān)測技術(shù)，在河南義馬躍進(jìn)煤礦開展了沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警實踐。KJ768微震監(jiān)測結(jié)果準(zhǔn)確、穩(wěn)定?，F(xiàn)場實踐期間，KJ768微震監(jiān)測預(yù)警結(jié)果對指導(dǎo)躍進(jìn)煤礦沖擊地壓災(zāi)害防治起到了非常重要的作用。