郭家河煤礦1308工作面微震監(jiān)測預(yù)警指標(biāo)優(yōu)化研究

鐘宜濤，石翔元

(1.陜西麟北煤業(yè)開發(fā)有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721500；2.陜西郭家河煤業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721500)

0 引言

礦震是一種典型的煤巖動力現(xiàn)象，強(qiáng)度大時易造成聚集在巷道周圍煤巖體中的能量突然釋放，即沖擊礦壓的發(fā)生，表現(xiàn)為在井巷發(fā)生爆炸性事故，動力將煤巖拋向巷道，同時發(fā)出強(qiáng)烈聲響，造成煤巖體震動和破壞，有時誘發(fā)瓦斯突出、煤塵爆炸、火災(zāi)以及水災(zāi)等次生災(zāi)害[1-4]。因礦震造成的災(zāi)害具有突發(fā)性、瞬時震動性、巨大破壞性的特征，一般沒有明顯的宏觀前兆而突然發(fā)生，難以事先準(zhǔn)確確定發(fā)生的時間、地點(diǎn)和強(qiáng)度，發(fā)生過程短暫，像爆炸一樣伴有巨大的聲響和強(qiáng)烈的震動，有時造成人員傷亡。微震監(jiān)測系統(tǒng)成為沖擊地壓防治的一個日常監(jiān)測手段和分析工具，探索沖擊礦壓的預(yù)測技術(shù)[5-7]。

隨著煤礦企業(yè)對沖擊地壓的重視和先進(jìn)檢測設(shè)備的使用，通過煤巖沖擊危險性和沖擊地壓發(fā)生機(jī)理、微震能量事件大小及頻率等觀測、監(jiān)測手段對各種參量監(jiān)測預(yù)警指標(biāo)細(xì)化和綜合化、發(fā)生事件和時空關(guān)系以及沖擊地壓造成的綜合危害研究不斷深入，應(yīng)用沖擊地壓危險區(qū)域的劃分和以多參量監(jiān)測預(yù)警體系對沖擊地壓預(yù)警和治理不斷提供新的思路[8-11]。

郭家河煤礦井田含煤地層為侏羅系中統(tǒng)延安組，地質(zhì)條件較為復(fù)雜。經(jīng)鑒定郭家河煤礦主采煤層3號煤及頂?shù)装鍘r層沖擊傾向性屬于Ⅱ類，具有弱沖擊傾向性。委托科研機(jī)構(gòu)對郭家河煤礦的沖擊地壓危險性進(jìn)行了綜合評價，結(jié)果顯示礦井各工作面沖擊危險指數(shù)為0.48，具有弱沖擊危險性?，F(xiàn)1308工作面回采采用走向長壁后退式全部垮落綜合機(jī)械化放頂煤采煤法。礦井與科研院所合作對沖擊地壓進(jìn)行研究，對微震監(jiān)測檢驗(yàn)參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行修正。沖擊危險性劃分判定由多因素疊加分析鄰近采空區(qū)、受斷層等地質(zhì)構(gòu)造影響的區(qū)域定性為中等沖擊危險區(qū)。

1 微震監(jiān)測法

1.1 監(jiān)測系統(tǒng)

利用SOS微震監(jiān)測系統(tǒng)對礦井采掘生產(chǎn)區(qū)域進(jìn)行沖擊地壓危險實(shí)時監(jiān)測，在正?；夭蛇^程中，通過SOS微震監(jiān)測系統(tǒng)對集中動載荷進(jìn)行監(jiān)測，獲取大范圍內(nèi)微震事件數(shù)目、位置以及能量大小等，再綜合進(jìn)行沖擊危險程度的判定[12-15]，根據(jù)危險程度采取相應(yīng)的應(yīng)對措施。微震主要記錄震動發(fā)生的三維位置和震動釋放的能量。當(dāng)?shù)V井的某個區(qū)域監(jiān)測到礦震釋放的能量大于發(fā)生沖擊地壓所需的最小能量時，則該區(qū)域在當(dāng)前時間內(nèi)有發(fā)生沖擊地壓的危險性。同時沖擊地壓的危險性也可通過分析震動的位置規(guī)律性來判斷。如果在礦井的某個區(qū)域內(nèi)，在一定的時間內(nèi)，已進(jìn)行了微震監(jiān)測，根據(jù)觀測到的微震能量水平、震動位置變化規(guī)律，就可以捕捉到?jīng)_擊地壓危險信息，并進(jìn)行沖擊地壓預(yù)測預(yù)報。

1.2 工作面沖擊危險指標(biāo)

根據(jù)1307工作面的監(jiān)測分析結(jié)果，微震事件以1×102～1×104J的中小能量事件為主，1×105J以上的強(qiáng)礦震事件相對較少，月震動頻次與1307工作面的月進(jìn)尺密切相關(guān)，震動頻次與月進(jìn)尺升降變化基本同步，尤其是1×103～1×104J能量級別的微震事件。

根據(jù)中國礦業(yè)大學(xué)的牟宗龍教授關(guān)于《1308工作面沖擊地壓危險性評價與防沖專項(xiàng)設(shè)計(jì)》研究報告表明：采煤工作面前后100 m及開采邊界及其外側(cè)50 m范圍內(nèi)出現(xiàn)單次震動能量超過1×105J，可預(yù)測該區(qū)域有沖擊危險，應(yīng)采用鉆屑法進(jìn)行校驗(yàn)；震動次數(shù)和震動能量同時增加時，是沖擊地壓危險上升的征兆；震動次數(shù)減少，但震動能量增加時，是沖擊地壓危險上升的征兆，其中震動次數(shù)開始下降的幾個生產(chǎn)循環(huán)(采掘工作面最少推進(jìn)10 m)的初期階段可能特別危險，預(yù)示著巖層中能量積蓄。根據(jù)1307工作面的監(jiān)測經(jīng)驗(yàn)，回采工作面區(qū)域微震預(yù)警值不大于1×104J、臨界值不大于1×105J(統(tǒng)稱大能量事件)。當(dāng)回采工作面區(qū)域發(fā)生大于1×104J的震動事件時進(jìn)行預(yù)警，因此通過1308工作面的微震數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，對預(yù)警指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化后給出量化指標(biāo)。此外，根據(jù)各時期礦震的監(jiān)測結(jié)果，給出各區(qū)域礦震活動的強(qiáng)弱。

1.3 微震系統(tǒng)

拾震器布置：1308工作面附近共布置6個微震監(jiān)測點(diǎn)，用于監(jiān)測工作面微震事件。1308皮帶順槽布置2臺拾震器，1308回風(fēng)順槽布置2臺拾震器，西翼輔運(yùn)下山布置2臺拾震器。

拾震探頭的調(diào)整：工作面推采過程中及時挪移順槽微震探頭，每當(dāng)探頭距工作面100 m時向外轉(zhuǎn)移100 m，保證探頭與工作面相距100～200 m有效監(jiān)測范圍。為提高定位精度，探頭安裝均使用導(dǎo)線點(diǎn)控制。通過勘察現(xiàn)場和詢問作業(yè)人員現(xiàn)場動力現(xiàn)象分析微震事件對回采工作面產(chǎn)生的影響。

2 數(shù)據(jù)收集與分析

2.1 數(shù)據(jù)收集

通過對郭家河煤礦2019年5月18日0點(diǎn)至6月18日0點(diǎn)一個月的微震數(shù)據(jù)收集分析，采集數(shù)據(jù)時間共32日，共監(jiān)測到有效震動事件2 754次，其中大于1×104J的187次，大于1×103J的1 566次，1308工作面共監(jiān)測有效事件2 036條，大于1×103J的1 277次，大于1×104J的98次。篩選1308回采工作面及其影響范圍，特別是相鄰1306采空區(qū)與相關(guān)的地質(zhì)構(gòu)造附近發(fā)生的微震事件，通過震動次數(shù)比率和震動能量結(jié)合研究事件數(shù)比率與沖擊來壓之間的關(guān)系。

2.2 數(shù)據(jù)分析

篩選區(qū)域的微震事件分布圖如圖1所示，即1308工作面微震事件分布圖。圖中用紅、黃、藍(lán)、綠分別代表相應(yīng)的n次方事件，從大到小分別是紅、黃、藍(lán)、綠。根據(jù)大能量事件發(fā)生時間對比可知，1308工作面大能量事件與周圍區(qū)域大能量事件發(fā)生時間基本重合。1308大能量事件是區(qū)域大能量事件的組成部分。礦井最大能量事件發(fā)生在第3日早晨8：00前后，8.40×105J，震源位置1304工作面采空區(qū)。1308工作面最大能量事件發(fā)生在第1日，這時微震事件有效頻次減少，但能量為9.9×104J，震源位置1308與1306工作面之間煤柱處，工作面觀測區(qū)域底鼓量增加。第7～14日，當(dāng)微震事件數(shù)有效頻次大于130次時，震動能量同時增加，工作面觀測區(qū)域動力顯現(xiàn)比較明顯，有明顯的煤炮，順槽底鼓量比較大。

(紅點(diǎn)代表5次方事件，黃點(diǎn)代表4次方事件，藍(lán)點(diǎn)代表3次方事件，綠點(diǎn)代表2次方事件)圖1 1308工作面微震事件分布Fig.1 Distribution of microseismic events in No.1308 working face

對1308工作面微震系統(tǒng)監(jiān)測的大能量事件(大于1×104J震動事件)在本區(qū)域有效能量事件所占比例隨時間變化關(guān)系如圖2所示，即1308工作面微震大能量事件比例變化曲線圖。由圖2分析可知，第2日和第21日比例達(dá)到最低，第3日1308工作面大能量事件之前所占區(qū)域大能量事件比例明顯低于0.4，此時大能量事件增加。第11～15日微震事件數(shù)比例高于0.8，結(jié)合現(xiàn)場勘探，當(dāng)被監(jiān)測區(qū)域動力顯現(xiàn)比較明顯，煤炮增加，底鼓量增大，沖擊危險性相對嚴(yán)重。

圖2 1308工作面微震大能量事件比例變化曲線Fig.2 Proportion change of microseismic large energy events in No.1308 working face

3 結(jié)論

(1)當(dāng)監(jiān)測區(qū)域微震事件發(fā)生比例上升時(1308工作面微震事件有效頻次數(shù)比例高于0.8時)，需采取預(yù)警措施，預(yù)報即將來壓，采取控制回采速度等方式應(yīng)對來壓情況。

(2)當(dāng)監(jiān)測區(qū)域微震事件發(fā)生比例明顯降低時(1308工作面微震事件有效頻次數(shù)比例低于0.4時)，需對震動次數(shù)開始下降的幾個生產(chǎn)循環(huán)加強(qiáng)頂板控制，做好支架狀態(tài)調(diào)整，及時應(yīng)對大能量事件發(fā)生。

(3)當(dāng)1308工作面微震事件有效頻次大于130次時，需進(jìn)行預(yù)警，加強(qiáng)對監(jiān)測區(qū)域的鉆屑法檢驗(yàn)。當(dāng)有明顯動力顯現(xiàn)(煤炮頻繁、底鼓量增加等)應(yīng)對監(jiān)測區(qū)域采取鉆屑法檢驗(yàn)和卸壓措施。

(4)在微震監(jiān)測預(yù)警指標(biāo)優(yōu)化后，為郭家河煤礦1308工作面沖擊地壓防治提供了有益參考，但大能量事件發(fā)生的位置和詳盡時序關(guān)系還有待進(jìn)一步研究。