兩種微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)協(xié)同印證模式下的對(duì)比分析

白俊杰 呂玉磊

（中煤西北能源公司烏審旗蒙大礦業(yè)，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017300）

目前正值我國(guó)能源戰(zhàn)略西移的歷史階段，鄂爾多斯市已成為全國(guó)煤炭工業(yè)的主陣地。伴隨著一批高產(chǎn)高效的千萬(wàn)噸級(jí)礦井、億噸級(jí)礦區(qū)相繼規(guī)劃、建成投產(chǎn)，沖擊地壓災(zāi)害問題也日趨嚴(yán)重[1]。微震監(jiān)測(cè)是沖擊地壓礦井中區(qū)域監(jiān)測(cè)手段的重要一種[2]，目前主要有三種微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：天地科技ARAMIS M/E、北京安科興業(yè)KJ551 和中國(guó)礦業(yè)大學(xué)SOS，多數(shù)礦井采用ARAMIS M/E 和KJ551。鑒于礦井沖擊地壓監(jiān)測(cè)的復(fù)雜性，為了確保安全生產(chǎn)，納林河二號(hào)礦井安裝兩套微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，形成了相互協(xié)同、印證的監(jiān)測(cè)預(yù)警模式。本文通過(guò)對(duì)比同時(shí)間、同區(qū)域回采期間，煤層及上覆巖層內(nèi)產(chǎn)生的能量事件頻次、釋放總能量和上覆巖層中微震事件分布規(guī)律[3]，結(jié)合頂板取芯柱狀圖，從多個(gè)角度對(duì)KJ551和ARAMIS 兩套微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行分析，為礦井微震監(jiān)測(cè)設(shè)備選型提供有益的借鑒。

1 監(jiān)測(cè)工作面概況

31103-1 工作面為首采盤區(qū)南翼的第三個(gè)工作面，工作面長(zhǎng)241 m，走向長(zhǎng)度1787 m，煤層厚度5.5 m，為近水平煤層。東側(cè)為31102 工作面采空區(qū)，區(qū)段煤柱寬度25 m。31103-1、31102 和31101工作面切眼呈外錯(cuò)布置，分別外錯(cuò)355 m、345 m。31103-1 工作面兩側(cè)順槽掘進(jìn)過(guò)程中未揭露斷層等地質(zhì)構(gòu)造。經(jīng)鑒定3-1 煤頂板、煤層屬于強(qiáng)沖擊傾向性，底板為弱沖擊傾向性。

2 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置情況

為了提高微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)精確性和可靠性[4]，在31103 工作面安裝KJ551 和ARAMIS 兩套微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。兩種微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在協(xié)同、印證模式下，通過(guò)對(duì)比能量事件的個(gè)數(shù)、釋放總能量和分布規(guī)律，多方面對(duì)工作面沖擊危險(xiǎn)程度進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2.1 KJ551 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

KJ551 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為48 通道，在回采工作面兩側(cè)順槽分別布置4 個(gè)檢波器，相鄰的檢波器距離100 m，工作面開采至距離檢波器40 m 左右及時(shí)將檢波器和纜線移組。井下監(jiān)測(cè)分站通過(guò)環(huán)網(wǎng)連接至地面監(jiān)測(cè)室的監(jiān)測(cè)主機(jī)。

2.2 ARAMIS 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

ARAMIS 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[5]為24 通道，在回采工作面兩側(cè)順槽分別布置1 個(gè)底板拾震器及1 個(gè)頂板探頭。拾震器作為半永久設(shè)備一般不予移動(dòng)，探頭隨著工作面推進(jìn)移組，工作面開采至距離探頭60 m 左右及時(shí)將探頭和纜線移組。井下監(jiān)測(cè)分站通過(guò)環(huán)網(wǎng)連接至地面監(jiān)測(cè)室的監(jiān)測(cè)主機(jī)。

2.3 微震監(jiān)測(cè)設(shè)備布置情況

KJ551 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢波器布置在工作面兩順槽超前300 m 范圍內(nèi)，ARAMIS 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在31103回風(fēng)順槽布置底板拾震器一個(gè)、頂板探頭一個(gè)，在31103 膠運(yùn)順槽及31104 主回撤通道內(nèi)布置底板拾震器一個(gè)，另外在31103 膠運(yùn)順槽布置頂板探頭一個(gè)。微震監(jiān)測(cè)設(shè)備布置位置示意圖如圖1 所示。

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

31103 工作面于2019 年4 月25 日開始回采，2019 年12 月1 日—2019 年12 月30 日回采區(qū)域?qū)?yīng)距離切眼915.3～999.6 m 范圍（84.3 m）。該區(qū)域主要受采空區(qū)側(cè)向支撐壓力、本工作面采動(dòng)應(yīng)力、雙面見方、二次見方等因素影響，經(jīng)沖擊危險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)為強(qiáng)。該區(qū)域回采期間采場(chǎng)上覆巖層破斷、運(yùn)移較劇烈，因此選擇該區(qū)域?yàn)楸O(jiān)測(cè)區(qū)域，對(duì)KJ551和ARAMIS M/E 微震監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。監(jiān)測(cè)對(duì)比區(qū)域如圖1 所示。

3.1 區(qū)域密集監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)范圍比較：KJ551 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到能量事件最高發(fā)育至煤層上方168 m 處；ARAMIS 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到能量事件最高發(fā)育至煤層上方314 m 處。

（1）KJ551 微震監(jiān)測(cè)結(jié)果，如圖2 所示。

（2）ARAMIS 微震監(jiān)測(cè)結(jié)果，如圖3 所示。

圖1 微震監(jiān)測(cè)設(shè)備布置位置示意圖

圖2 工作面頂板上方巖層頻次、釋放總能量分布圖（KJ551，2019.12.1—2019.12.30）

圖3 工作面頂板上方巖層頻次、釋放總能量分布圖（ARAMIS M/E,2019.12.1—2019.12.30）

（3）對(duì)比分析

數(shù) 量 比 較：2019.12.1—2019.12.30 期 間，ARAMIS 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)共接收到微震事件2361 個(gè)，釋放總能量1.53×106J，單個(gè)事件平均能量648.03 J；KJ551 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)共接收到微震事件2335 個(gè)，釋放總能量1.3×107J，單個(gè)事件平均能量5 567.45 J。

各級(jí)事件頻次比例：KJ551 微震監(jiān)測(cè)結(jié)果以三次方事件為主，占比達(dá)到88%，四次方事件占比9%；ARAMIS 微震監(jiān)測(cè)結(jié)果以一次方和二次方事件為主，占比達(dá)到93%，四次方事件占比1%，三次方事件占比僅為6%。各級(jí)微震事件頻次占比分布如圖4 所示。

圖4 各級(jí)微震事件頻次占比分布

3.2 頂板巖層重點(diǎn)層位觀測(cè)對(duì)照

采用對(duì)頂板巖層取芯的方式，對(duì)附近已有的NL51、MD28 鉆孔柱狀圖進(jìn)行重新修正、編錄。如圖4 所示為在31103 工作面主回撤通道進(jìn)行的60 m高度范圍內(nèi)的頂板巖層柱狀圖。結(jié)合頂板取芯巖層柱狀圖對(duì)KJ511 和ARAMIS 微震監(jiān)測(cè)事件數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖5 所示，初步結(jié)論如下所述。

圖5 回采區(qū)域煤層上方60 m 取芯柱狀圖與微震事件頻次、能量分布對(duì)比圖

（1）KJ551 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)煤層上方60 m 范圍內(nèi)的各堅(jiān)硬巖層內(nèi)的破斷微震事件辨識(shí)度相對(duì)較為清晰。

（2）KJ551 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)煤層及17 m 范圍內(nèi)近距離頂板巖層內(nèi)微震事件的區(qū)分度較好，對(duì)煤層內(nèi)的微震事件尤為明顯。

（3）KJ551 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)各區(qū)域的微震事件能量與頻次監(jiān)測(cè)結(jié)果，基本呈“能-頻同步”；ARAMIS 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)煤層至10 m 高度范圍的頂板巖層內(nèi)的微震事件能量與頻次監(jiān)測(cè)不協(xié)調(diào)，煤層及上方5 m 高度范圍呈“低能-高頻”現(xiàn)象，煤層上方5～10 m 范圍由“低頻高能”向“高頻低能”轉(zhuǎn)換；煤層上方10 m 以外，未見明顯規(guī)律。

4 結(jié) 論

（1）KJ511 和ARAMIS 微震在協(xié)同印證模式下，有一定的互補(bǔ)作用。相比較之下，ARAMIS 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)結(jié)果側(cè)重于高頻次、低能量事件，KJ551 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)結(jié)果側(cè)重于較低頻次、較高能量事件。

（2）ARAMIS 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域上方巖層的監(jiān)測(cè)范圍較KJ551 更廣，但KJ551 對(duì)上覆巖層內(nèi)堅(jiān)硬巖層的破斷引發(fā)的能量事件識(shí)別更具區(qū)分度。

（3）ARAMIS 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用底板拾震器與頂板探頭相結(jié)合的方式布置后，對(duì)煤層有一定的地音監(jiān)測(cè)功能。

（4）今后現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施過(guò)程中，應(yīng)盡量做到三維立體監(jiān)測(cè)，確保微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)垂直空間范圍的巖層破斷事件進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)、反饋。