煤礦沖擊地壓的微震監(jiān)測(cè)的實(shí)例分析

石嘉棟 何 川

（陜西彬長(zhǎng)文家坡礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽713599）

煤礦開采工作屬于高危行業(yè)，在實(shí)際工作過程中常常發(fā)生許多突發(fā)事件。其中沖擊地壓對(duì)于采礦工作人員人身安全具有極大的威脅，隨著煤礦開采深度的增加，沖擊地壓的產(chǎn)生幾率也會(huì)隨之增大。目前微地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是最行之有效的預(yù)測(cè)系統(tǒng)，有關(guān)人員應(yīng)對(duì)其深入分析，以便有效利用，減少?zèng)_擊地壓帶來的損失。沖擊地壓，又被稱作“巖爆”，在煤礦作業(yè)中又被稱作“煤爆”。沖擊地壓引發(fā)災(zāi)害的原因主要是巖體或者礦體受到自身內(nèi)部的高應(yīng)力作用，其平衡的狀態(tài)被嚴(yán)重打破，進(jìn)而突發(fā)性地將大量的能量釋放出來，引發(fā)振動(dòng)和爆炸，最終使礦井、巷道等四周的巖石以及礦體等被大量噴出。此類危害具有極大的危險(xiǎn)性，會(huì)破壞巖體，損毀設(shè)施、支架等，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)瓜锏腊l(fā)生垮落，被徹底破壞，最終造成人員傷亡。在煤礦中，沖擊地壓還會(huì)對(duì)礦井內(nèi)部造成嚴(yán)重破壞，極易引發(fā)煤塵、瓦斯等爆炸，嚴(yán)重影響內(nèi)部通風(fēng)系統(tǒng)，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引發(fā)地面的不斷震動(dòng)，甚至出現(xiàn)火災(zāi)、水災(zāi)、破壞建筑物等現(xiàn)象[1]。

1 工程概況

監(jiān)測(cè)人員采用先進(jìn)的微地震監(jiān)測(cè)儀器監(jiān)測(cè)某煤礦1610、1609 以及1409 工作面的覆巖斷裂破壞。此處煤礦的地質(zhì)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，此區(qū)域范圍內(nèi)具有極多的斷層，其地表的地面標(biāo)高是+35.8m，其工作面的標(biāo)高范圍是-831m ～ -783m，走向?yàn)?129m。此煤礦內(nèi)的煤層是5.1m，整體工作面呈現(xiàn)單斜走勢(shì)，其單軸具有20MPa 的抗壓強(qiáng)度，沖擊傾向大。同時(shí)，煤層傾斜角度平均是23°，其基本頂是16.8m 厚的細(xì)粒砂巖、粉砂巖以及泥巖組合，而直接頂是粉砂巖，有7.02m 的厚度。此煤礦場(chǎng)巷道具有22.83MPa 的垂直應(yīng)力。以往在此處的采礦作業(yè)過程中，曾經(jīng)出現(xiàn)過一次明顯的沖擊地壓，巷道兩側(cè)發(fā)生過較大的變形，當(dāng)時(shí)拋出了很多煤體，損壞了所有此區(qū)域內(nèi)機(jī)電設(shè)施，并使3 人受到了輕傷。事實(shí)表明，在開采沖擊傾向性較大、有近千米埋深的煤層時(shí)，會(huì)具有極大的沖擊地壓風(fēng)險(xiǎn)隱患，所以，必須在此處乃至此類型煤礦中布置微地震監(jiān)測(cè)儀器監(jiān)測(cè)沖擊地壓，并使之成為一個(gè)較完善的系統(tǒng)[2]。

2 微震監(jiān)測(cè)技術(shù)

2.1 煤礦作業(yè)中微震含義

微地震屬于一類小型地震，又被稱作“MS”。在煤礦開采作業(yè)中，常常會(huì)發(fā)生一些地震活動(dòng)以及巖石破裂現(xiàn)象，此時(shí)產(chǎn)生的地震，主要是由于開采作業(yè)區(qū)域巖體由于應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生一定程度的變化而致使巖石產(chǎn)生破裂，進(jìn)而引發(fā)地震。此時(shí)的應(yīng)力總狀態(tài)，即巖體內(nèi)部環(huán)境應(yīng)力以及開采附加應(yīng)力總和。

2.2 微震監(jiān)測(cè)技術(shù)

2.2.1 定義：微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)，即事先在微地震區(qū)域煤體中布置傳感器，使之對(duì)探測(cè)、監(jiān)測(cè)此處煤體受震動(dòng)而出現(xiàn)的震動(dòng)波，并結(jié)合有關(guān)技術(shù)分析傳感器傳遞的數(shù)據(jù)、信號(hào)等，從而對(duì)震動(dòng)波產(chǎn)生位置進(jìn)行確定，探測(cè)有關(guān)參數(shù)，進(jìn)而得出微地震的分布地點(diǎn)，最終為相關(guān)預(yù)防工作提供一定程度的憑證，屬于一種監(jiān)測(cè)區(qū)域的技術(shù)。

2.2.2 分類：在煤礦作業(yè)中，微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)主要包含三種：①檢測(cè)礦震的“礦井地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”；②監(jiān)測(cè)小型礦震的“分布式微地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”；③監(jiān)測(cè)小震級(jí)巖層破裂以及沖擊地壓的“高精度微地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”。

2.2.3 布置要求：①計(jì)算機(jī)遙控以及井下、井上的數(shù)據(jù)通訊；②防震、防塵、防爆以及防濕；③收集、處理數(shù)據(jù)信息時(shí)，選用的計(jì)算機(jī)必須具備極高的性能；④由于井下的采礦工作具有較為復(fù)雜的環(huán)境，使用的監(jiān)測(cè)儀器應(yīng)當(dāng)具有適合的體積規(guī)格[3]。煤礦井下微地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)理論構(gòu)成[4]，如圖1 所示。

圖1 煤礦井下微地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)理論結(jié)構(gòu)

2.2.4 考慮因素：①應(yīng)當(dāng)最大限度地降低外界管纜、機(jī)械對(duì)于布置位置的干擾；②系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備較強(qiáng)的可操作性，因?yàn)槭窃阢@孔內(nèi)布置檢波器，因此鉆孔不應(yīng)有過大的深度；③為了確保支出最大限度地降低，因此系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備高效、經(jīng)濟(jì)以及安全的特點(diǎn)；④檢波器應(yīng)當(dāng)對(duì)整體監(jiān)測(cè)范圍進(jìn)行全面覆蓋，結(jié)合定位算法，收斂計(jì)算過程。

3 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的布置

在本文涉及煤礦的微地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，技術(shù)人員把監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置到1610 以及1609 兩個(gè)工作面的停采線250m 范圍中，監(jiān)測(cè)工作面的走向總長(zhǎng)是450m。除此之外，技術(shù)人員將4 個(gè)傾斜的鉆孔布置在1610、1609 以及1409 工作面，并且在巷道里用其向上進(jìn)行鉆進(jìn)，鉆得的鉆孔為A、B、C、D。B 的孔徑是94mm，而其他的孔徑是10mm。技術(shù)人員在每一個(gè)鉆孔內(nèi)都布置了3個(gè)檢波器，每個(gè)檢波器的間隔是25m。與此同時(shí)，技術(shù)人員沿著巷道壁又固定安裝了3 串檢波器進(jìn)行輔助定位，以便使監(jiān)測(cè)更加可靠，觀測(cè)效果更良好。從5 月1 日起監(jiān)測(cè)井下至6 月30 日，每天都記錄微地震信息[5]。

監(jiān)測(cè)人員按照線性方程的原理將監(jiān)測(cè)微地震的時(shí)差以及坐標(biāo)參數(shù)進(jìn)行輸入，便能夠從系統(tǒng)中獲取所需的微地震定位示意圖，如圖2、圖3、圖4 所示[6]。

圖2 1610 工作面微震事件 定位圖

圖3 1609 工作面微震事件定位圖

圖4 1409 工作面微震事件定位圖

圖2、圖3、圖4 為5 月12 日、6 月15 日以及6 月24 日定位的圖示，各自對(duì)應(yīng)從1610、1609 以及1409 工作面所監(jiān)測(cè)的126、229 以及96 個(gè)微地震。

4 結(jié)合運(yùn)用有限元法

利用有限元法進(jìn)行繪制圖形，如圖所示，微地震和巖體內(nèi)破裂、缺陷發(fā)展等關(guān)聯(lián)密切，對(duì)于不同裂紋所用的監(jiān)測(cè)方法有所差異。在監(jiān)測(cè)大范圍巖體時(shí)，可以使微地震結(jié)合運(yùn)用有限元法確定破裂區(qū)及其范圍，從而獲得不同環(huán)境或者受力不同時(shí)巖石內(nèi)部微地震產(chǎn)生規(guī)律，以便將偏差進(jìn)行糾正[7]。

某煤礦采區(qū)模型的巖層位移矢量，如圖5 所示，其參數(shù)如表1 所示，得出表面受到壓力為：

圖5 與圖2、圖3、圖4 對(duì)應(yīng)，巖體破裂最活躍區(qū)為采空區(qū)周邊。結(jié)合計(jì)算的結(jié)果可以得出微地震危險(xiǎn)區(qū)的重合度，通常情況下，巖體均質(zhì)性如果較好，微地震密集發(fā)生區(qū)即能量預(yù)應(yīng)力密集區(qū)，兩者關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)，進(jìn)而可以應(yīng)用于預(yù)報(bào)、判斷巖體是否失穩(wěn)、破裂[8]。

圖5 巖層位移矢量

表1 計(jì)算模型參數(shù)

5結(jié)論

5.1 本文監(jiān)測(cè)的三個(gè)工作面，其出現(xiàn)的微地震多發(fā)生在各自煤壁前180m 左右范圍內(nèi)，而能量較高的微地震大多發(fā)生在各自下方拐頭的65m 范圍內(nèi)。除此之外，微地震能量一旦超過1×105J，便會(huì)引發(fā)“煤爆”。與此同時(shí)，出現(xiàn)沖擊地壓之前，微地震會(huì)有很高的頻率，其釋放的能量也會(huì)明顯上升。

5.2 預(yù)防沖擊地壓的過程中，監(jiān)測(cè)人員必須對(duì)開采區(qū)域進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃以及合理安排，并且對(duì)開采強(qiáng)度要合理制定，以便規(guī)避應(yīng)力過于集中而引發(fā)沖擊地壓。另外，煤礦企業(yè)也應(yīng)當(dāng)完善并落實(shí)責(zé)任制，通過定期檢查，確保各部門能夠?qū)ⅰ鞍踩_采”的理念準(zhǔn)確落實(shí)，促使工作人員都能嚴(yán)格遵循規(guī)范開展工作。