SOS微震檢測(cè)系統(tǒng)在防治沖擊礦壓中的應(yīng)用

王 坤

（大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司馬脊梁礦,山西大同 037003)

1 引言

我國(guó)井工開采深度不斷下探,井下的環(huán)境多變,不可預(yù)測(cè)性擴(kuò)大,隨之而來的可能的地質(zhì)災(zāi)害[1-3]、煤礦事故發(fā)生的概率增高,并造成了大量設(shè)備損壞、巷道破壞與人員傷亡,對(duì)各礦安全生產(chǎn)與工人生命財(cái)產(chǎn)造成重大威脅。然而目前我國(guó)對(duì)井下的檢測(cè)系統(tǒng)卻一直未能有顯著地改進(jìn),由于多方面條件的制約,許多地區(qū)的煤礦檢測(cè)依然沿用比如鉆屑通過觀察多次煤粉含量的變化來判斷井下地質(zhì)活動(dòng)的活躍程度、不僅技術(shù)方法落后,得到的數(shù)據(jù)干擾性較大并不具有很高的研究?jī)r(jià)值,因此井下檢測(cè)設(shè)備的更新迭代顯得尤為重要。本文主要介紹SOS 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,對(duì)煤巖層微震事件進(jìn)行了分析,得到其礦壓顯現(xiàn)的時(shí)間和位置規(guī)律,對(duì)沖擊礦壓的預(yù)警防治起到了關(guān)鍵作用,增加了煤礦安全生產(chǎn)的可靠性。

2 概況

山寨煤礦位于華硯煤田西北部,井田走向平均長(zhǎng)3 km,傾斜平均寬3.43 km,井田面積10.29 km2。目前主采一采區(qū)5#煤層,已開采至+1 150 m 水平。1104 工作面位于井田東翼一采區(qū),北部為1103綜放工作面采空區(qū)；其西部為二采區(qū)回風(fēng)下山、二采區(qū)軌道下山及二采區(qū)膠帶下山；東部及南部暫無采掘活動(dòng)。走向長(zhǎng)度1 270 m,傾斜長(zhǎng)度150 m,面積190 500 m2。地面標(biāo)高為+1 572 m～+1675m,井下標(biāo)高為+1 168 m～+1 235 m。采深為337 m～507 m。

該工作面設(shè)計(jì)開采煤層為煤5 層,煤層總體結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,煤層厚度在9 m～29.9 m 之間,平均厚度為16.6 m,沿走向東厚西薄。煤層傾角5°～15°,硬度f＝2～3。

圖1 一采區(qū)綜合柱狀圖

3 SOS微震系統(tǒng)的介紹

山安煤礦安裝了SOS 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng),該設(shè)備是波蘭礦壓研究院采礦地震研究所專門為煤礦安全生產(chǎn)所設(shè)計(jì)制造的。它能夠針對(duì)礦井范圍發(fā)生頂?shù)装迤茢?斷層滑移等產(chǎn)生礦震的信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè),具有實(shí)時(shí)、連續(xù)、動(dòng)態(tài)、最遠(yuǎn)可達(dá)10 km 等特點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè),能夠給出礦震包括沖擊礦壓在內(nèi)的完整波形。根據(jù)地震學(xué)原理可以確定每次震動(dòng)發(fā)生的能量(最小能量為100 J)、時(shí)間和空間位置。對(duì)每次震動(dòng)和趨勢(shì)性進(jìn)行分析,可以判斷礦震發(fā)生的力源并評(píng)價(jià)礦井沖擊危險(xiǎn)程度,確保煤礦在安全的前提下進(jìn)行生產(chǎn)。SOS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 SOS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

SOS 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要有硬件和軟件兩大部分,硬件主要包括信號(hào)采集站,記錄儀系統(tǒng),分析儀系統(tǒng),檢波測(cè)量探頭等。軟件主要包括SEISGRAM 軟件,它具有提取微震信號(hào)和可視化分析等功能；MULTILOK軟件,它具備有對(duì)煤巖體微震信號(hào)三維定位和能量計(jì)算等功能。SOS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有以下功能:采集、記錄和分析微震信號(hào)；處理多通道的波形；計(jì)算礦震的空間三維坐標(biāo)和能量等功能。根據(jù)P 和S 波相比,初次進(jìn)入時(shí)間的確定誤差較小,定位精度較高,因此采用人工對(duì)波形進(jìn)行P波定位,其它工作有計(jì)算機(jī)完成。

微震臺(tái)網(wǎng)合理布置的目的主要是提高震源定位精度,盡可能多的獲取有用信息,減少干擾,覆蓋目前重點(diǎn)區(qū)域并兼顧其他潛在危險(xiǎn)區(qū)域,微震拾震器布置的一般原則:

(1)拾震器布置應(yīng)對(duì)重點(diǎn)區(qū)域形成空間包圍,避免成為一條直線或一個(gè)平面。

(2)拾震器盡可能靠近重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域,保證重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域有4個(gè)以上可接收到震動(dòng)信號(hào)的拾震器。

(3)拾震器盡可能避免較大斷層,破碎帶,機(jī)電設(shè)備的影響。

(4)既要對(duì)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行較好的監(jiān)測(cè),又要兼顧其他區(qū)域。

(5)布置位置拾震器,盡量利用現(xiàn)有的巷道和硐室等,減少施工,維修費(fèi)用。

4 應(yīng)用

1104工作面開始回采,分別在回風(fēng)順槽和運(yùn)輸順槽布置3 個(gè)微震拾震器。隨著工作面的回采,拾震器的布置位置也會(huì)發(fā)生改變,下圖3為1104工作面剛開始回采時(shí),工作面及附近布置的拾震器微震平面圖。表1為拾震器布置的三維坐標(biāo)。

圖3 SOS微震拾震器布置圖

表1 SOS微震拾震器位置坐標(biāo)表

本次節(jié)取山安煤礦微震數(shù)據(jù)庫(kù)2016 年10 月8 日至2018 年1 月1 日的數(shù)據(jù)。并對(duì)1104 工作面進(jìn)行分區(qū),監(jiān)測(cè)區(qū)域共檢測(cè)到礦震7 907次,其中最大能量為4.21E+05 J,平均能量為3.137E+04 J,震動(dòng)能量分級(jí)統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 微震數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

由表2中可以看出,震動(dòng)能量主要集中在10E+04 J以下,占總礦震95.98%,由于1104工作面平均埋深在450 m 左右,老頂為堅(jiān)硬細(xì)砂巖,因此容易儲(chǔ)存彈性能,而且頂板形成的側(cè)向支撐壓力和超前支承壓力也很大,因此發(fā)生的微震多為中高能量的震動(dòng)?，F(xiàn)場(chǎng)記錄的多數(shù)強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)的能量都在10E+4 J 以上,并且工作面附近微震活動(dòng)比較強(qiáng)烈,工作面回采過程中應(yīng)該加強(qiáng)沖擊礦壓的防治。

通過SOS 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí),連續(xù)的監(jiān)測(cè),記錄了1104工作面自2016年10月開始回采至工作面推進(jìn)至轉(zhuǎn)角后200 m 左右所記錄的震動(dòng)事件,主要包括震動(dòng)發(fā)生的時(shí)間,平面位置,能量大小。通過對(duì)1104回采期間發(fā)生的震動(dòng)時(shí)間,進(jìn)行時(shí)間序列分布和微震事件平面分布規(guī)律分析,得到其礦壓顯現(xiàn)的時(shí)間和位置規(guī)律,如圖4。

圖4 1104工作面回采期間礦壓顯現(xiàn)位置

結(jié)合1104工作面具體地質(zhì)條件和開采技術(shù)條件,強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)總體特征為：

(1)1104工作面強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)總計(jì)10次,小于10E+4 J 能量以下發(fā)生一次,大于10E+5 J 能量以上發(fā)生倆次,大于10E+4 J 且小于10E+5 J 能量發(fā)生7 次。說明小能量微震事件不易發(fā)生礦壓顯現(xiàn)。

(2)1104 工作面強(qiáng)發(fā)生礦壓顯現(xiàn)時(shí),巷道的破壞形式主要以頂板下沉為主,同時(shí)也有底鼓等現(xiàn)象,并經(jīng)常伴隨支護(hù)結(jié)構(gòu)的損壞導(dǎo)致破壞性加劇,治理難度很大。

(3)1104 工作面強(qiáng)發(fā)生礦壓顯現(xiàn)時(shí),運(yùn)輸順槽發(fā)生3次,回風(fēng)順槽發(fā)生7次。距離停采線附近,回風(fēng)順槽發(fā)生2 次礦壓顯現(xiàn)。說明在地質(zhì)構(gòu)造變化區(qū),即工作面轉(zhuǎn)采轉(zhuǎn)角處應(yīng)力較集中,強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)較集中,并且重復(fù)發(fā)生強(qiáng)礦壓顯現(xiàn),應(yīng)注意進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)和防護(hù)。在1104工作面轉(zhuǎn)角處,回風(fēng)順槽礦壓顯現(xiàn)次數(shù)比運(yùn)輸順槽處較多,說明該處受上采空區(qū)影響較大,應(yīng)力較為集中。

5 結(jié)論

通過加裝了SOS 檢測(cè)系統(tǒng),較好的監(jiān)測(cè)和記錄了山寨煤礦一采區(qū)1104工作面回采期間,井下礦壓顯現(xiàn)的時(shí)間和位置規(guī)律,為煤礦安全提供了清晰、可靠的理論支持,對(duì)沖擊礦壓的預(yù)警防治起到了關(guān)鍵作用。