微震監測技術應用研究

　　摘要：震動現象是由于礦山開采使巖層產生應力應變過程的動力現象，采礦微震主要是記錄礦山震動，并分析和利用這些信息，對礦山動力危險進行預測和預報。
　　關鍵詞：沖擊礦壓；微震監測；沖擊危險性預測；礦山動力危險
　　
　　“SOS”是Seismological Observation System的簡稱，該系統是從波蘭引進的，主要用于礦山震動監測。沖擊礦壓現象是嚴重威脅煤礦安全生產的災害之一，它是聚積在礦井巷道和采場周圍煤巖體中的能量突然釋放，在井巷發生的爆炸性事故。動力將煤巖拋向巷道，同時發出強烈聲響，造成煤巖體震動和破壞，支架與設備損壞，人員傷亡，部分巷道垮落破壞等情況。沖擊礦壓常見的情況有“巖爆”、“煤爆”、“礦山沖擊”、“沖擊礦壓”等。
　　
　　一、硯北煤礦現狀概述
　　
　　硯北煤礦隸屬于甘肅華亭煤電股份有限公司，年產600萬噸。目前正在開采二水平2502采區250205上工作面，該工作面為2502采區首采第一分層，所采煤層為煤5層，開采深度450-462米。工作面南部為背斜軸部，北部位于向斜西翼，傾角13-16度。煤層底板沿走向次級褶曲發育，底板起伏不平。工作面在向斜軸部附近，水平應力達到垂直應力的1.7倍左右。厚度近40米的煤層，具有強沖擊傾向性。老頂為堅硬的粉砂巖，厚度18米，工作面內無斷層、巖漿浸入體等其他構造。另外，地表是山區，山谷落差達100多米。250205上工作面自2006年3月10日開始回采以來至今，累計發生強礦壓顯現多達30次，對礦井安全生產造成了嚴重的威脅。
　　由于硯北煤礦強礦壓災害嚴重，強礦壓災害與褶曲構造、煤層的厚度及力學特性、頂板巖層、地表形態等密切相關，而我國對于強礦壓的研究起步較晚，沒有完全成熟的強礦壓防治理論和控制經驗提供參考。為此，硯北煤礦在中國礦業大學的配合下，對強礦壓的預測與控制進行了長期的理論研究和實踐探索，對工作面進行了強礦壓的監測與防治，實現了安全生產，取得了較好的效果。
　　
　　二、監測原理
　　
　　一臺DLM-SO信號采集站由16個“OS”微震信號采集器組成，每個采集器與一個DLM2001型檢波測量探頭相連，也就是說1套采集站能夠控制16個DLM2001型檢波測量探頭。硯北煤礦使用了1套采集站，其中井下安裝15個探頭，地面安裝1個探頭，覆蓋了礦井的各個采區，每個探頭與采集站之間的最大距離為10km。為了接收到明顯的震動信號，測站盡可能接近待測區域，避免較大斷層及破碎帶的影響，并且能和其他探頭構成環形包圍（包括主站在內的至少3個探頭），盡量在重點區域多布置探頭，按監測環境與要求選擇探頭監測方向，這樣定位結果的準確性將會大大提高，為進一步分析預報奠定堅實基礎。
　　由于硯北井田面積較大，所以在工作面回采過程中，要根據需要移動探頭。微震監測系統的主要功能是對全礦范圍進行微震監測，是一種區域性監測方法。自動記錄微震活動，對實時記錄的震動信號進行震源定位和微震能量計算，能為評價全礦范圍內的沖擊礦壓危險提供依據。
　　
　　三、監測方式
　　
　　震動是由地下開采引起的，是煤巖體斷裂破壞的結果。與大地地震相比，震動震中淺，強度小，震動頻率高，影響范圍小，故稱之為微震。微震法就是記錄采礦震動的能量，確定和分析震動的方向，具體來說，就是記錄震動的地震圖，確定已發生的震動參數，例如震動發生的時間，震中的位置，釋放能量的大小等。其原理是利用拾震儀站接收的直達P波起始點的時間差，在特定的波速場條件下進行二維或三維定位，以判定破壞點，同時利用震相持續時間計算所釋放的能量和震級，并標入采掘工程圖，圈定出震動頻繁的區域，以便及時采取措施。
　　“SOS”微震監測儀用于礦山震動監測，可以對礦井工作面前方及其周圍微震事件通過連接的DLM2001型檢波測量探頭，把接收到的震動信號以電流的形式傳輸到地面的DLM-SO信號采集站，進而對記錄的震動信號進行定位和能量計算，可以較準確地確定10-100焦的低能量震動的位置，從而為礦山震動危險性的分析預測提供可靠資料。
　　
　　
　　四、“SOS”微震監測系統的優點
　　
　　微震監測系統監測范圍可大可小，且具有較高的定位精度，已成為礦山開采誘發動力災害監測的主要技術手段。利用微震監測系統，在發生微震活動的礦區內布設微震探頭（傳感器），探測微破裂所發出的地震波，確定發生地震波的位置，還可以給出地震活動性的強弱和頻率，通過微震監測獲得的微破裂分布位置，判斷潛在的礦山動力災害活動規律，通過識別礦山動力災害活動規律實現預警。
　　
　　五、應用結果
　　
　　“SOS”微震監測系統自2007年6月25日在硯北煤礦運行以來，在250205上工作面，共發生103焦以上的震動1763次，其中有1次強沖擊發生在2007年7月1日10：26分，震動能量達1.9×107焦，來壓位置在工作面附近輔運順槽側，對巷道和設備造成嚴重破壞，有7次弱沖擊，震動能量在5.3×106焦左右，這些沖擊將早晨惡搞巷道同程度的底鼓或頂下沉。下面以1次典型的來壓為例分析來壓規律：
　　圖1是2007年7月1日的來壓前震動變化趨勢，日震動總能量和震動次數之間的變化在正常情況下很吻合，并且直線變化斜率基本相同，6月28日到6月30日震動總能量變化趨勢較大，結合圖2，6月29日到6月30日，產量和推進度出現變化趨勢相反的情況，7月1日早班10：26分來壓，來壓位置在250205輔運順槽側工作面前方20米，震動能量1.9×107焦，致巷道嚴重底鼓和頂下沉，部分設備壓壞，未造成人員受傷。
　　六、總結
　　通過對硯北礦區各采區的多次來壓分析總結，用“SOS”微震監測系統預測、預報沖擊礦壓，可以得出以下結論：
　　第一，震動與煤巖體的變形破壞存在一定的耦合關系，通過對采掘工作面的震動進行自動連續監測，利用煤巖體的動態變化特性，為沖擊危險性提供可靠信息。
　　第二，正常情況下，每天震動總能量與震動次數、產量和推進度的變化斜率或變化趨勢是一致的，偶爾有一天出現異步變化，但只是短暫的。如果震動參數的變化出現連續一天以上的異步趨勢（一般3天左右），再結合其他兩種變化曲線，如果有一種曲線出現不同步的現象時，近日就有沖擊危險發生。
　　第三，微震法聯合電磁輻射法、鉆屑法及采煤工作面支架阻力法，成功預報出了多次沖擊危險，效果較好。
　　第四，煤層地質構造以及煤柱區，對沖擊礦壓有直接影響，在此區域震動次數明顯增多，來壓頻繁，來壓造成的破壞性也大。
　　第五，來壓位置以工作面輔運順槽前后30米為主，回風順槽很少來壓。
　　
　　參考文獻：
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