大同忻州窯礦“三硬”煤層開采微震規律及監測技術

樊繼強

大同忻州窯礦“三硬”煤層開采微震規律及監測技術

樊繼強

針對大同礦區忻州窯礦典型的堅硬頂-煤-底“三硬”條件的特點，分析研究了沖擊礦壓發生時微震信號變化規律，建立了適合大同礦區的沖擊危險監測技術體系，取得了較好的效果。

沖擊礦壓；微震；監測技術

礦井開采過程中，由于應力的集中和巖層的運動，將會導致煤巖體的震動，從而釋放出大量積聚的能量，形成微震（礦震），嚴重時將導致沖擊礦壓的發生。大同煤礦集團公司忻州窯煤礦位于大同煤田的東北部，開采侏羅系煤層，已有60多a的開采歷史。采用多煤層聯合開拓，層間距0 m～30 m，頂板普遍存在有10 m～25 m的厚層狀整體砂巖，普氏系數f=8～16；煤層厚度0.80 m～13.02 m，普氏系數f=3.0～4.5，屬典型的堅硬煤層、堅硬頂底板的“三硬”條件。忻州窯煤礦發生過30多起典型的沖擊礦壓事故，表現為巷道煤幫突然猛烈拋出，造成巷道嚴重破壞和人員傷亡事故，成為忻州窯煤礦的重大動力災害之一。為保證礦井的安全，礦井基于SOS微震監測系統建立了適合大同礦區的沖擊危險監測技術體系，分析了工作面沖擊礦壓顯現發生的原因、類型、機理、特征，以及主要影響因素，圈定了礦壓顯現危險性大的區域和重點防治區域，取得了較好效果。

1 現場微震規律分析

沖擊礦壓發生前，微震信號的頻譜主要分布在0 Hz～70 Hz，低頻成分較多，且震動速度較低，此時微震信號的主頻帶為10 Hz～35 Hz，震動速度高于沖擊之前的微震信號。當煤體發生沖擊礦壓時，微震信號的主頻帶為0 Hz～10 Hz，且震動速度較高，達到10 m/s～3 m/s。沖擊礦壓發生后，由于頂板內部重新產生了大量的微裂紋以及煤體產生強烈的震動，導致微震信號的頻譜又呈現出多峰值型的高頻特征，主頻帶分布在0 Hz～50 Hz，其中高頻成分急劇增加。

微震平面定位結果表明，震源主要位于工作面及相鄰未采面和采空區內，影響范圍為采空區后方100 m～150 m，工作面前方100 m左右。能量數量級103J的震動多發生在采空區及工作面頂底板，能量數量級104J的震動多發生在采空區，能量數量級105J的震動多發生在靠近區段煤柱及工作面前方100 m范圍內。整體層位上，大能量震動多發生在15 m內的頂板和震動區域底板向下50 m范圍。

沖擊發生前震動的能量及次數明顯變化，幅度較大，接著出現幾天的平靜期，能量及頻次降至很低水平，變化趨勢比較異常，急劇上升急劇下降，預示著沖擊危險性很高。根據現場分析，當日均累計能量為3.77E+05J，日平均能量2.15E+04J，日平均震動次數16次，沖擊危險性極大，須采取必要措施治理。

2 監測技術研究

巖層破裂造成工作面開采區域周圍總是形成一側應力降低區與一側高應力集中區，如圖1所示。在沒有外力的作用下，兩者的存在總是相輔相成的。由縱波波速與應力的實驗關系模型，裂隙帶區域對應低波速區，而應力集中區域則對應高波速區，從高波速向低波速的過渡帶也是沖擊危險的區域。應力在超過煤巖體的極限強度時將發生破壞，可能造成煤巖體的動力性失穩，從而發生沖擊礦壓，危害礦井的安全生產。

微震CT反演計算選取2008年5月至7月的震動波形作為研究數據。危險指標及波速反演結果表明8929工作面存在3個沖擊危險區域。8929工作面推進的兩邊各存在一個沖擊危險區域，相比5929巷道，2529巷附近的危險區域更偏向實體煤側。第三個危險區距工作面前方230 m左右，而且前方還存在一個負異常帶。綜合3個危險指標確定5929巷與2529巷上的危險帶為中等沖擊危險，第三個區域為強沖擊危險區域。下一時段的大部分高能量震動都發生在預警的3個危險區域內，而其中3個沖擊礦壓事件全部發生在預警的強沖擊危險區域內，體現了微震CT預警技術的有效性和沖擊危險預警指標的準確性。

3 實施效果分析

選取忻州窯煤礦8929工作面作為微震CT預警的應用實踐典型。首先評價了研究區域內的震源定位能力，對工作面回采過程中記錄的礦震信號進行了最優通道個數選擇和P波波速確定的研究。根據反演波速分布，利用3個沖擊危險指標預警了下一個時段的沖擊危險區域及危險級別，其后的監測結果顯示沖擊礦壓大部分都發生在預警的危險區域內，并且很好地對應了應力集中區位置，表明微震CT技術用于沖擊危險預警是可行且準確的。在具有沖擊礦壓危險的8929工作面，實現了工作面回采全過程的安全生產，安全采出煤炭約170萬t。提高了大同礦區沖擊礦壓災害的監測水平，減少了沖擊礦壓監測的盲目性，為大同礦區制定防御、減輕和控制沖擊礦壓動力災害提供了可靠的科學依據，提高了礦井開采的安全性，減少了經濟損失。

On Microseismic Rules and Monitoring Technology of“Three Hard” Coal Bed Mining in Xinzhou Kiln Ore,Datong Mine

Fan Jiqiang

For the characteristics of typical“three hard” (top-coal-bottom)in Xinzhou kiln ore and Datong mine,this article analyses and studies microseismic signal change rules when rock-burst occurs,sets up the impact risk monitoring and technical system for Datong mine,and achieves good results.

rock-burst;microseism;monitoring technology

TD323

A

1000-4866（2011）04-0008-02

樊繼強，男，1972年6月出生，1997年6月畢業于山西礦院（采礦專業），現在大同煤礦集團公司安監局工作，工程師。

2011-09-08

2011-09-29