礦內(nèi)-礦間微震監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

辛崇偉，姜福興，樊 碩，魏向志，張立明

(1.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083；2.北京安科興業(yè)科技股份有限公司，北京 100083；3.義馬煤業(yè)集團(tuán)股份有限公司，河南 義馬 472300)

微震(MS)是指由巖石破裂或流體擾動(dòng)產(chǎn)生的微小震動(dòng)[1，2]。在微震監(jiān)測(cè)過(guò)程中根據(jù)監(jiān)測(cè)范圍的不同分為區(qū)域微震、全礦微震和礦間微震。區(qū)域微震和全礦微震的監(jiān)測(cè)范圍分別對(duì)應(yīng)井田內(nèi)的某一重點(diǎn)區(qū)域和全礦井；礦間微震是為了提高井田邊界的監(jiān)測(cè)能力，相鄰礦井在礦內(nèi)微震的基礎(chǔ)上進(jìn)行的聯(lián)合監(jiān)測(cè)。

煤礦的傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法大多采用巷道或工作面表觀變形特征作為監(jiān)測(cè)對(duì)象，難以得到煤礦巷道或工作面動(dòng)力災(zāi)害預(yù)測(cè)所必需的信息。作為一種動(dòng)態(tài)時(shí)空監(jiān)測(cè)方法，微震監(jiān)測(cè)技術(shù)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)煤巖體內(nèi)部破裂[3]。利用煤巖體內(nèi)部破裂產(chǎn)生的微震活動(dòng)，以動(dòng)力顯現(xiàn)前的微震前兆信息作為失穩(wěn)判據(jù)，監(jiān)測(cè)煤礦沖擊地壓的產(chǎn)生。20世紀(jì)40年代美國(guó)礦業(yè)局就應(yīng)用聲發(fā)射技術(shù)來(lái)監(jiān)測(cè)采場(chǎng)的冒頂，片幫等災(zāi)害[4]。此后，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開始應(yīng)用微震監(jiān)測(cè)技術(shù)研究煤礦井下煤巖體破裂的活動(dòng)規(guī)律，上覆巖層破壞規(guī)律，沖擊地壓、煤礦突水、煤與瓦斯突出等煤巖動(dòng)力災(zāi)害監(jiān)測(cè)等方面取得大量的成果[5-11]。我國(guó)煤礦間的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相互獨(dú)立，使得各礦為了提高監(jiān)測(cè)精度和監(jiān)測(cè)范圍必須增加微震傳感器的數(shù)量，但微震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)受制于本礦的巷道分布導(dǎo)致無(wú)法實(shí)現(xiàn)井田邊界覆蓋。隨著我國(guó)煤礦開采深度和強(qiáng)度的增加，多個(gè)礦區(qū)出現(xiàn)了礦間開采擾動(dòng)引起的動(dòng)力顯現(xiàn)，但市場(chǎng)上并無(wú)礦間微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，因此研發(fā)了礦間微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 礦內(nèi)-礦間微震原理及系統(tǒng)組成

早在20世紀(jì)40年代美國(guó)礦業(yè)局開展的研究中發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力作用下的巖石會(huì)發(fā)射可探測(cè)的地震能，其發(fā)射率隨應(yīng)力值的增大而提高[12]。一般來(lái)說(shuō)，聲發(fā)射速率的增長(zhǎng)超前于巖石破裂。根據(jù)震動(dòng)波到達(dá)多個(gè)震動(dòng)傳感器的時(shí)間差可確定震中位置。

礦內(nèi)-礦間微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括兩套KJ551全礦微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和礦間微震的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)兩個(gè)部分，為了保證兩套礦內(nèi)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的同步性，本系統(tǒng)采用GPS授時(shí)實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步。系統(tǒng)包括微震傳感器、通信電纜和光纜、信號(hào)采集系統(tǒng)、微震信號(hào)處理系統(tǒng)等。在常村煤礦和躍進(jìn)煤礦分別安裝11和9個(gè)微震傳感器，可在監(jiān)測(cè)礦內(nèi)回采造成的微破裂的同時(shí)，監(jiān)測(cè)常村和躍進(jìn)礦井邊界煤巖體的破裂。井下的信號(hào)通過(guò)電纜和光纜傳輸?shù)降孛嫖⒄鹬鳈C(jī)，實(shí)現(xiàn)礦內(nèi)微震信號(hào)的分析處理。礦內(nèi)微震系統(tǒng)主機(jī)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)井下通過(guò)光纖傳輸?shù)恼饎?dòng)信號(hào)，以云傳輸方式將兩個(gè)套礦內(nèi)微震系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行共享。利用礦間微震監(jiān)測(cè)處理系統(tǒng)，在單獨(dú)監(jiān)測(cè)某一礦井的微震信息的同時(shí)，將兩個(gè)礦的信號(hào)整合分析，實(shí)現(xiàn)礦井邊界區(qū)域的巖層斷裂的監(jiān)測(cè)。

2 工程背景

根據(jù)義煤集團(tuán)采掘安排，常村煤礦21162工作面和躍進(jìn)煤礦23092工作面同時(shí)回采，可能會(huì)對(duì)礦井邊界區(qū)域產(chǎn)生擾動(dòng)。義馬煤田煤層頂板礫巖厚度大、巖性堅(jiān)硬、完整性好、抗變形能力強(qiáng)，為彈性能的大量積蓄提供了條件。為了避免事故發(fā)生，礦內(nèi)-礦間微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝于常村和躍進(jìn)煤礦井田邊界的21162和23092工作面，兩個(gè)工作面的開始回采時(shí)間分別為2018年10月和2018年5月。躍進(jìn)煤礦與常村煤礦邊界區(qū)域的工作面回采情況如圖1所示，躍進(jìn)煤礦23092工作面和常村21162工作面中間全部為采空區(qū)或煤柱，礦內(nèi)-礦間微震傳感器將在該兩個(gè)工作面布置測(cè)點(diǎn)，對(duì)23092工作面和21162工作面開采對(duì)井田邊界及采空區(qū)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過(guò)布設(shè)礦內(nèi)-礦間微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)采集到的微震事件進(jìn)行分析研究，利用人工爆破標(biāo)定試驗(yàn)進(jìn)行礦內(nèi)微震和礦間微震的定位誤差分析并確定彈性波在義馬煤田煤巖體中的傳播速度。

圖1 常村躍進(jìn)煤礦井田邊界區(qū)域開采情況

3 臺(tái)網(wǎng)布設(shè)及優(yōu)化

研究表明，微震臺(tái)網(wǎng)的監(jiān)控能力和定位精度主要取決于臺(tái)站的密度、幾何布局、臺(tái)站的時(shí)間服務(wù)精度等諸多因素[13]。臺(tái)網(wǎng)布設(shè)方式將直接影響礦內(nèi)-礦間微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的定位精度。下面將介紹當(dāng)前臺(tái)網(wǎng)布設(shè)方式及現(xiàn)場(chǎng)定位精度誤差，并通過(guò)微震誤差標(biāo)定檢驗(yàn)臺(tái)網(wǎng)的可靠性。

3.1 臺(tái)網(wǎng)布設(shè)方式

綜合兩個(gè)礦井內(nèi)的生產(chǎn)實(shí)際與礦井間的相互位置，最終確定礦內(nèi)-礦間微震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)的布設(shè)方式。躍進(jìn)煤礦微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)共布置9個(gè)測(cè)點(diǎn)，23采區(qū)軌道下山3個(gè)，23092工作面6個(gè)，兩條工作面回采巷道的傳感器交叉布置；常村煤礦微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)共布置測(cè)點(diǎn)11個(gè)，21采區(qū)下山5個(gè)，21162工作面6個(gè)，兩條工作面回采巷道的傳感器交叉布置，間距約為300m。具體布設(shè)位置如圖2所示。

圖2 微震臺(tái)網(wǎng)布設(shè)方案

3.2 定位誤差數(shù)值模擬分析。

Kijko基于D值最優(yōu)設(shè)計(jì)理論提出設(shè)計(jì)微震臺(tái)網(wǎng)的方法[14，15]。D值理論認(rèn)為震源參數(shù)協(xié)方差矩陣行列式大小正比于誤差橢球體體積，行列式越小，橢球體體積越小，震源參數(shù)分布越集中，參數(shù)估計(jì)就越準(zhǔn)確。根據(jù)D值最優(yōu)設(shè)計(jì)理論對(duì)礦內(nèi)和礦間微震臺(tái)網(wǎng)布設(shè)結(jié)果進(jìn)行礦內(nèi)-礦間微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)定位誤差數(shù)值模擬，結(jié)果如圖3所示。

圖3 震中定位誤差理論計(jì)算結(jié)果

由定位誤差數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果可以看出，常村煤礦和躍進(jìn)煤礦的礦內(nèi)微震在本工作面的定位精度較高，其他區(qū)域定位精度明顯降低。但是礦間微震在兩個(gè)工作面及井田邊界區(qū)域定位精度平均提高2～5倍。

3.3 系統(tǒng)工作狀態(tài)標(biāo)定

在常村煤礦21162回采工作面及躍進(jìn)煤礦23093回采工作面各進(jìn)行兩次標(biāo)定爆破，爆破位置與礦內(nèi)微震定位結(jié)果見表1、表2。

表1 常村煤礦微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)標(biāo)定結(jié)果

表2 躍進(jìn)煤礦微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)標(biāo)定結(jié)果

采用人工定位爆破檢驗(yàn)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的震源定位精度，結(jié)果表明礦內(nèi)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的定位誤差小于15m，反映出礦內(nèi)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在礦井內(nèi)的性能良好、微震傳感器空間布置合理，能夠滿足礦山微震監(jiān)測(cè)的需要。

為驗(yàn)證礦間微震的可靠性，根據(jù)工程條件，于2019年3月6日與2019年3月11日分別在原21220綜放工作面運(yùn)輸巷進(jìn)行兩次定位爆破。爆破方案如圖4所示，具體爆破位置坐標(biāo)見表3。

圖4 礦間微震人工爆破位置

表3 人工爆破點(diǎn)位置

表4 礦內(nèi)與礦間微震定位坐標(biāo)

由21220綜放工作面運(yùn)輸巷道進(jìn)行的兩次人工定位爆破結(jié)果中可以看出，躍進(jìn)煤礦僅有兩個(gè)微震傳感器接收到該人工爆破的信號(hào)，但未能對(duì)人工爆破事件進(jìn)行定位。常村煤礦礦內(nèi)微震監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示兩次爆破的定位誤差均超過(guò)40m，誤差較大。在利用礦間微震進(jìn)行定位后明顯看出，礦間微震對(duì)兩次人工定位爆破的定位精度明顯比常村礦內(nèi)微震的定位精度高，兩次定位誤差均小于20m。

上述人工爆破標(biāo)定表明，在不增加微震傳感器的情況下，利用礦間微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以定位到更多、更準(zhǔn)確的微震事件，提高了礦井的監(jiān)測(cè)精度和監(jiān)測(cè)范圍，尤其對(duì)于本礦的巷道分布無(wú)法實(shí)現(xiàn)覆蓋或監(jiān)測(cè)精度較低的井田邊界區(qū)域具有良好的效果。

4 高位覆巖破裂位置研究

義馬煤田巨厚礫巖頂板特厚煤層開采相互干擾條件下，利用礦間微震監(jiān)測(cè)范圍廣、監(jiān)測(cè)精度高等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)井田邊界區(qū)域的巨厚礫巖上覆巖層進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，通過(guò)對(duì)井田邊界上覆巖層破裂產(chǎn)生的微震事件進(jìn)行分析，研究巨厚礫巖上覆巖層冒落發(fā)育高度及對(duì)工作面可能產(chǎn)生的影響。

4.1 井田邊界覆巖空間結(jié)構(gòu)

通過(guò)分析特厚煤層井田邊界煤柱區(qū)域覆巖空間結(jié)構(gòu)，研究井田邊界上覆巖層的空間破裂過(guò)程。特厚煤層井田邊界煤柱區(qū)域覆巖空間結(jié)構(gòu)如圖5所示。覆巖空間結(jié)構(gòu)存在高位巖層結(jié)構(gòu)和低位巖層結(jié)構(gòu)，低位巖層隨著回采的進(jìn)行而垮落，高位巖層結(jié)構(gòu)中存在尚未斷裂的堅(jiān)硬巖層。當(dāng)新的工作面開始回采，高位堅(jiān)硬巖層尚未斷裂的井田邊界區(qū)域受工作面回采擾動(dòng)，高位覆巖出現(xiàn)離層和斷裂，巨厚礫巖的斷裂將釋放大量能量，能量的沖擊可能會(huì)對(duì)巷道及工作面安全產(chǎn)生影響[16]。

圖5 井田邊界煤柱高低覆巖空間結(jié)構(gòu)

4.2 微震空間分布規(guī)律

礦間微震事件的空間分布規(guī)律對(duì)研究躍進(jìn)煤礦和常村煤礦井田邊界巨厚礫巖上覆巖層破裂集中區(qū)的發(fā)育高度有重要作用。以2018年12月1日～2018年12月31日的礦間微震數(shù)據(jù)為例，重點(diǎn)針對(duì)躍進(jìn)煤礦23092回采工作面和常村煤礦21162回采工作面之間的采空區(qū)微震定位結(jié)果進(jìn)行分析。躍進(jìn)煤礦和常村煤礦礦間微震事件平面和剖面分布如圖6(a)～(b)所示，圖中圓球代表微震事件。從圖中可看出，12月份礦間微震在共接收到礦間微震事件36個(gè)，其中超過(guò)104J的大能量事件為13個(gè)，但礦內(nèi)微震接收到的該區(qū)域的微震事件分別為9個(gè)和7個(gè)，由于常村煤礦21220工作面開采時(shí)間為2015年12月～2018年4月，上覆巖層未完全穩(wěn)定，導(dǎo)致多數(shù)微震事件發(fā)生于常村煤礦21220采空區(qū)靠近井田煤柱的一側(cè)，最上方的微震事件約在煤層上方300m處，大能量事件主要集中在工作面上方140-300m之間。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件，大能量事件發(fā)生區(qū)域?yàn)榫藓竦[巖層。

圖6 微震事件定位結(jié)果

為了有效的驗(yàn)證礦間微震監(jiān)測(cè)空間分布規(guī)律的合理性，利用FLAC3D模擬軟件建立數(shù)值模型，模擬兩個(gè)目標(biāo)工作面開采對(duì)井田邊界上覆巖層的影響。

按照圣維南原理，一般研究區(qū)域選開挖尺寸的3～5倍較為合理，既能滿足求解精度要求，又可以滿足計(jì)算速度要求。因此，本數(shù)值計(jì)算模型尺寸為1000m×1000m×900m，單元格數(shù)量192500個(gè)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地質(zhì)條件共分為8個(gè)地層，其中煤層組又分為未開采部分、采空區(qū)和回采工作面三個(gè)部分。義馬煤田地層傾角一般為6°～25°，常村-躍進(jìn)煤礦區(qū)域的煤層平均傾角12°，數(shù)值模型中煤層傾角設(shè)置為12°；煤層直接頂板一般為泥巖，厚度約為22m，之上為中侏羅統(tǒng)馬凹組，為砂礫巖-泥砂巖互層，平均厚度166m。再向上為發(fā)育到地表或接近地表的上侏羅統(tǒng)巨厚礫巖層。2-1煤層及2-3煤層厚度變化較大，2-1煤層厚度0～8.15m，平均4m左右，2-3煤層厚度0～21.86m，平均厚度約為8m，為了簡(jiǎn)化模型，在模型中煤層厚度設(shè)置為12m。

首先開挖常村煤礦及躍進(jìn)煤礦的采空區(qū)，利用有限差分法計(jì)算平衡后再開挖常村煤礦21162回采工作面和躍進(jìn)煤礦23092回采工作面的已回采部分，得到工作面開挖前后的井田邊界的塑性區(qū)分布如圖7所示。

圖7 塑性區(qū)分布

由圖7可知，兩工作面開采之前上部塑性區(qū)高度約180m，兩工作面開采后上部塑性區(qū)高度約為270m，數(shù)值模擬得到的井田邊界上覆巖層塑性區(qū)分布與礦間微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)基本一致。由此可知，數(shù)值模擬結(jié)果與微震監(jiān)測(cè)結(jié)果基本吻合，證明了微震監(jiān)測(cè)結(jié)果的可靠性。

4.3 井田邊界微震事件分析

從礦間微震事件定位平面圖和剖面圖可以看出，微震事件主要集中在井田邊界上方，大能量事件主要分布在工作面上覆巖層較高位置，且大能量事件占總事件數(shù)的比例高達(dá)36%，從常村煤礦和躍進(jìn)煤礦的礦內(nèi)微震數(shù)據(jù)可以看出，兩套礦內(nèi)微震系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的井田邊界的微震事件均不超過(guò)10個(gè)。由此可知，礦間微震對(duì)井田邊界煤巖體破裂產(chǎn)生的震動(dòng)接收能力強(qiáng)。

由2018年12月份的礦間微震數(shù)據(jù)可知，21220工作面靠近井田邊界的一側(cè)，其上覆巖層隨常村煤礦21162工作面和躍進(jìn)煤礦23092工作面的開采而冒落高度逐漸增高，具體表現(xiàn)為上覆巨厚礫巖的離層和斷裂。巨厚礫巖的斷裂往往造成大的能量釋放，如果巷道或工作面處于沖擊的臨界狀態(tài)，則巨厚礫巖的斷裂可能導(dǎo)致沖擊地壓的發(fā)生，因此需要特別注意井田邊界大能量事件的發(fā)生。

5 結(jié) 論

1)礦間微震系統(tǒng)在井田邊界區(qū)域利用的微震檢波器數(shù)量更多，可定位到更多的微震事件。

2)礦井邊界區(qū)域位于礦間微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)臺(tái)網(wǎng)內(nèi)，監(jiān)測(cè)精度較礦內(nèi)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)更高。

3)礦間微震監(jiān)測(cè)手段在常村-躍進(jìn)煤礦井田邊界取得良好的監(jiān)測(cè)效果。

4)礦間微震對(duì)義煤集團(tuán)井田邊界高位覆巖運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，微震事件主要集中在21220采空區(qū)后方的邊界煤柱附近，且在高位覆巖中出現(xiàn)較多的大能量事件。