沖擊地壓微震能量監(jiān)測預(yù)警技術(shù)研究與探討

楊增強(qiáng)，李豐碩，任長樂

(江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 交通工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221116)

近些年，隨著煤炭資源開采深度的逐年增大，出現(xiàn)了很多千米深井，尤其對于開采歷史較為悠久的東北、山東、河南等地區(qū)，煤層開采深度普遍較大，這也導(dǎo)致開采期間將會面臨更大的地應(yīng)力影響。同時，由于地下條件的復(fù)雜多變，不僅面臨高地應(yīng)力威脅，同時還會伴隨有斷層構(gòu)造、褶曲構(gòu)造、覆巖特征、開采布局等因素的疊加影響[1-4]. 因此，有必要針對埋藏較深的煤層開采期間面臨的沖擊地壓顯現(xiàn)等難題進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警研究，提前采取卸壓防治措施，為深井煤炭資源的安全高效開采提供安全保障。

1 典型沖擊地壓誘發(fā)機(jī)理

井工開采期間，根據(jù)采掘位置空間上的相對關(guān)系以及地質(zhì)構(gòu)造的影響情況，可以將誘發(fā)沖擊地壓的原因歸納為典型的4種情況，見圖1.

圖1 典型的4種沖擊地壓誘發(fā)機(jī)理模型圖

基于動靜載疊加誘發(fā)沖擊地壓機(jī)理可知，沖擊地壓是由靜載荷(σj)和動載荷(σd)共同疊加作用下發(fā)生的。其中，靜載荷(σj)又可以分解為水平方向靜載荷(σx)和垂直方向靜載荷(σy). 由此可知，圖1a)所示的煤柱型沖擊地壓主要誘發(fā)因素為開采導(dǎo)致護(hù)巷窄煤柱體內(nèi)承載較高的垂直方向靜載荷(σy)，此時窄煤柱體受較高的垂直方向靜載荷作用而處于臨界屈服狀態(tài)，當(dāng)采掘活動引起一定程度的輕微動載荷擾動，窄煤柱體將會發(fā)生瞬間失穩(wěn)破壞而誘發(fā)沖擊動力顯現(xiàn)。圖1b)所示的構(gòu)造型沖擊地壓主要誘發(fā)因素為褶曲地質(zhì)構(gòu)造引起的水平方向靜載荷(σx)，此時采掘空間周圍煤體受較高的水平方向靜載荷作用而處于臨界屈服狀態(tài)，當(dāng)采掘活動引起一定程度的輕微動載荷擾動，采掘空間周圍煤體將會發(fā)生瞬間失穩(wěn)破壞而誘發(fā)沖擊動力顯現(xiàn)。圖1c)所示的斷層型沖擊地壓主要誘發(fā)因素為斷層地質(zhì)構(gòu)造引起的動載荷(σd)，此時采掘空間鄰近斷層開采致使斷層活化而形成劇烈動載擾動，此時采掘空間周圍煤巖體內(nèi)若積聚有較高的靜載荷，采掘空間周圍煤體將會發(fā)生瞬間失穩(wěn)破壞而誘發(fā)沖擊動力顯現(xiàn)。圖1d)所示的頂板型沖擊地壓主要誘發(fā)因素為上覆厚硬頂板破斷引起的動載荷(σd)，此時采掘空間周圍煤巖體內(nèi)若積聚有較高的靜載荷，將會在動載擾動下誘發(fā)沖擊動力顯現(xiàn)。

綜上所述，從動靜載疊加誘發(fā)沖擊動力顯現(xiàn)的角度可知[5]，煤柱型和構(gòu)造型沖擊地壓的誘導(dǎo)因素為靜載荷為主，動載荷為輔；而斷層型和頂板型沖擊地壓的誘導(dǎo)因素為動載荷為主，靜載荷為輔?；谡T發(fā)沖擊顯現(xiàn)的能量判據(jù)準(zhǔn)則，當(dāng)采掘周圍煤巖體內(nèi)積聚的彈性應(yīng)變能高于其發(fā)生失穩(wěn)破壞所需的最小彈性應(yīng)變能時，煤巖體將會瞬間失穩(wěn)誘發(fā)沖擊顯現(xiàn)，其表達(dá)式：

(1)

式中：

Ujd—動靜載疊加作用下采掘空間周圍煤巖體內(nèi)積聚的彈性應(yīng)變能大小，kJ；

Umin—采掘空間周圍煤巖體瞬間失穩(wěn)破壞所需最小彈性應(yīng)變能大小，kJ；

E—采掘空間周圍煤巖體的平均彈性模量，MPa.

可見，對于不同誘因的沖擊地壓的監(jiān)測預(yù)警均可從能量的角度入手，實(shí)現(xiàn)對于采掘空間周圍煤巖體內(nèi)積聚彈性應(yīng)變能較高的區(qū)域及時采取措施，防止因彈性應(yīng)變能積聚過高而誘發(fā)沖擊顯現(xiàn)。

2 微震能量監(jiān)測預(yù)警技術(shù)

近些年，隨著微震能量監(jiān)測預(yù)警技術(shù)在礦山企業(yè)的推廣應(yīng)用，具有沖擊地壓危險(xiǎn)的礦井基本均安裝有相配套的微震監(jiān)測系統(tǒng)。微震能量監(jiān)測預(yù)警體系的數(shù)據(jù)收集、傳輸與分析見圖2.

圖2 微震能量監(jiān)測預(yù)警體系圖

由圖2可知，沖擊地壓礦井現(xiàn)場安裝的井下礦山微震災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崟r地將井下采掘活動中產(chǎn)生的微震能量信號收集起來，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步、實(shí)時的分析，初步對井下作業(yè)環(huán)境的安全情況進(jìn)行判定。后續(xù)收集到的微震能量信號將會通過專用互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)傳輸至礦山地震遠(yuǎn)程監(jiān)測與研究中心，再分類傳輸至相關(guān)專業(yè)分析人員處，通過對數(shù)據(jù)的匯總分析，提出相應(yīng)的預(yù)警措施，并將信息反饋給礦山企業(yè)?？梢娝鶚?gòu)建的微震能量監(jiān)測預(yù)警體系能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程分析，進(jìn)而能夠?qū)崟r針對礦山開采期間存在的安全隱患進(jìn)行針對性、專業(yè)性的分析，為礦山企業(yè)安裝微震能量監(jiān)測系統(tǒng)的高效利用奠定了基礎(chǔ)。

3 微震能量監(jiān)測與沖擊預(yù)警分析

3.1 傳統(tǒng)監(jiān)測與預(yù)警分析方法

以鶴煤集團(tuán)某礦為工程背景，通過該礦井內(nèi)安裝的微震檢波器實(shí)現(xiàn)對于煤層開采活動期間煤巖體破裂所產(chǎn)生的彈性應(yīng)力波的接收。該礦井內(nèi)目前正在開采的四水平1號工作面周圍的微震檢波器布置情況見圖3.

1號工作面開采期間，于2016年10月15日發(fā)生了一起嚴(yán)重的沖擊地壓事故，造成了服務(wù)巷道大范圍嚴(yán)重的破壞。關(guān)于“10.15”沖擊地壓事故發(fā)生前采用傳統(tǒng)方法監(jiān)測的微震能量演化規(guī)律見圖4.

由圖4可知，傳統(tǒng)方法監(jiān)測的微震能量分布演化規(guī)律不明顯，只能通過微震檢波器對開采活動期間煤巖體破裂所產(chǎn)生的彈性應(yīng)力波進(jìn)行接收和常規(guī)的定位計(jì)算，最終確定每一次煤巖體破裂時微震能量事件的大小和位置，所獲得的監(jiān)測結(jié)果存在分析困難、難以精準(zhǔn)識別危險(xiǎn)區(qū)等問題。圖4只對微震能量大于102J的事件進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，其中圖4a)所示10月10日的微震能量事件不大于103J，整體微震能量事件較小。圖4b)所示10月11日的微震能量事件中存在3次在104J范圍內(nèi)的中等強(qiáng)度微震能量事件，但緊隨著圖4c)所示10月12日的微震能量事件中并無在104J范圍內(nèi)的中等強(qiáng)度微震能量事件繼續(xù)增加的趨勢。圖4d)所示10月13日的微震能量事件中又出現(xiàn)1次在104J范圍內(nèi)的中等強(qiáng)度微震能量事件。后續(xù)圖4e)所示10月14日的微震能量事件中又出現(xiàn)2次在104J范圍內(nèi)的中等強(qiáng)度微震能量事件，在104J范圍內(nèi)的中等強(qiáng)度微震能量事件存在繼續(xù)增加的趨勢。圖4f)所示10月15日的微震能量事件中存在2次在105J范圍內(nèi)的高強(qiáng)度微震能量事件，并伴隨有“10.15”沖擊地壓顯現(xiàn)的發(fā)生。由上述“10.15”沖擊地壓事故發(fā)生前的每日微震能量事件分布演化規(guī)律看不出較明顯的規(guī)律性，微震能量事件分布主要集中于1號工作面回采位置前方，最終因?yàn)?0月15日的2次高強(qiáng)度微震能量事件影響而于工作面回采位置前方超前段巷道內(nèi)誘發(fā)沖擊地壓事故。對于事故原因的分析可知，這次沖擊顯現(xiàn)屬于圖1b)所示的構(gòu)造型沖擊地壓(此時工作面回采位置位于向斜構(gòu)造影響區(qū))，其誘發(fā)因素主要以靜載荷為主，動載荷為輔。

圖3 微震檢波器布置平面圖

圖4 傳統(tǒng)方法監(jiān)測的微震能量分布演化規(guī)律圖

可見，采用傳統(tǒng)方法監(jiān)測的微震能量分布演化規(guī)律對于沖擊地壓發(fā)生所起到的監(jiān)測預(yù)警效果較差，難以實(shí)現(xiàn)對于沖擊危險(xiǎn)區(qū)域的識別目的，并且對于微震能量后續(xù)的分布演化規(guī)律也不易判定，適合事后分析事故原因而不適用于事前監(jiān)測預(yù)警。

3.2 優(yōu)化后監(jiān)測與預(yù)警分析方法

針對傳統(tǒng)監(jiān)測與預(yù)警分析方法存在的諸多缺陷，提出將能量平均化分布來提高微震能量分布演化規(guī)律的辨識度。關(guān)于對能量進(jìn)行平均化分布的過程，可根據(jù)Frankel等基于空間光滑地震活動性模型采用點(diǎn)源進(jìn)行地震危險(xiǎn)性分析的理念，將震源簡化為點(diǎn)源，并以定位誤差作為統(tǒng)計(jì)滑移半徑，其數(shù)值由定位誤差數(shù)值仿真方法計(jì)算獲得[6]. 關(guān)于微震能量事件平均化分布的計(jì)算模型見圖5.

圖5 微震能量事件平均化分布計(jì)算模型示意圖

由圖5可知，針對微震能量事件平均化分布計(jì)算模型，以任一微震能量為中心點(diǎn)劃分網(wǎng)格，假設(shè)網(wǎng)格各節(jié)點(diǎn)之間的距離為S，以定位誤差作為統(tǒng)計(jì)滑移半徑的大小為r，則相應(yīng)的尺寸條件應(yīng)該滿足下式：

(2)

變換不等式可知：

(3)

其相應(yīng)的核心計(jì)算公式：

(4)

式中：

Eti—在(tn-1,tn]時間間隔內(nèi)發(fā)生在統(tǒng)計(jì)網(wǎng)格單元中的微震總能量，J；

Sj—統(tǒng)計(jì)區(qū)域的面積，m2.

同樣針對“10.15”沖擊地壓事故發(fā)生前采用優(yōu)化后監(jiān)測的微震能量演化規(guī)律見圖6.

圖6 優(yōu)化后監(jiān)測的微震能量分布演化規(guī)律圖

由圖6可知，優(yōu)化后監(jiān)測的微震能量分布演化規(guī)律較傳統(tǒng)方法監(jiān)測的微震能量分布演化規(guī)律要顯著。圖6中只對微震能量大于102J的事件進(jìn)行了平均化分布，其中圖6a)所示10月10日的微震能量事件平均化分布云圖中開始出現(xiàn)能量事件平均化分布集中區(qū)，但是集中區(qū)面積較小且集中程度較低。圖6b)，c)，d)，e)所示的微震能量事件平均化分布云圖中能量事件平均化分布集中區(qū)面積開始變大且集中程度越來越高。圖6f)所示的微震能量事件平均化分布云圖中能量事件平均化分布集中區(qū)中集中程度最高的位置處發(fā)生了“10.15”沖擊地壓顯現(xiàn)?？梢?，通過優(yōu)化后監(jiān)測的微震能量演化規(guī)律能夠很好地對能量事件平均化分布集中區(qū)進(jìn)行監(jiān)測，并能實(shí)時分析集中區(qū)的演化規(guī)律以及其中能量的集中程度狀況，起到了事前對沖擊顯現(xiàn)位置監(jiān)測預(yù)警的效果。

4 結(jié) 論

1) 針對典型的4種沖擊地壓從動靜載疊加誘發(fā)沖擊地壓機(jī)理的角度進(jìn)行了分析，指出煤柱型和構(gòu)造型沖擊地壓的誘導(dǎo)因素以靜載荷為主，動載荷為輔；而斷層型和頂板型沖擊地壓的誘導(dǎo)因素以動載荷為主，靜載荷為輔。

2) 基于誘發(fā)沖擊顯現(xiàn)的能量判據(jù)準(zhǔn)則，當(dāng)采掘周圍煤巖體內(nèi)積聚的彈性應(yīng)變能高于其發(fā)生失穩(wěn)破壞所需的最小彈性應(yīng)變能時，煤巖體將會瞬間失穩(wěn)誘發(fā)沖擊顯現(xiàn)。因此，對于不同誘因的沖擊地壓的監(jiān)測預(yù)警均可從能量的角度入手，采用微震能量監(jiān)測預(yù)警技術(shù)。

3) 傳統(tǒng)方法監(jiān)測的微震能量分布演化規(guī)律較為不明顯，監(jiān)測預(yù)警效果較差，難以實(shí)現(xiàn)對于沖擊危險(xiǎn)區(qū)域的識別目的。根據(jù)Frankel等基于空間光滑地震活動性模型優(yōu)化后監(jiān)測與預(yù)警分析方法能夠很好地對能量事件平均化分布集中區(qū)進(jìn)行監(jiān)測，并能實(shí)時分析集中區(qū)的演化規(guī)律以及其中能量的集中程度狀況，起到了事前對沖擊顯現(xiàn)位置監(jiān)測預(yù)警的效果。