微震監測在煤礦開采優化及災害防治中的應用?

張會軍 楊 磊

(天地科技股份有限公司開采設計事業部,北京市朝陽區,100013)

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微震監測在煤礦開采優化及災害防治中的應用?

張會軍 楊 磊

(天地科技股份有限公司開采設計事業部,北京市朝陽區,100013)

摘 要微震監測技術是一種先進的動力災害實時監測技術,目前在我國眾多沖擊地壓礦井得到應用,但其主要用于動載、礦震的監測,作用并沒有得到充分的發揮。針對這一問題,通過成功實例研究了微震監測技術在煤礦開采優化及災害防治中的應用,研究結果表明,微震監測可以為工作面開采確定合理的推進度,以此來控制圍巖活動及礦壓顯現;微震事件的分布從一定程度上揭示了工作面煤巖破裂范圍及應力分布特征,為卸壓過程、支護設計以及煤柱留設等工程提供了準確的指導依據;應用微震b值、η值、Mm值評價沖擊危險取得了較好的效果。

關鍵詞微震監測 開采優化 災害防治 沖擊危險評價

Application of microseismic monitoring in coal mining optimization and disaster prevention

Zhang Huijun,Yang Lei
(Coal Mining& Designing Department,Tiandi Science& Technology Co.,Ltd.,Chaoyang,Beijing 100013,China)

Abstract Microseismic monitoring technology was an advanced real-time monitoring technology for dynamic disasters,currently it had been applied in many mines with rock burst in our country,but it was mainly used for monitoring dynamic loads and mine earthquakes,its functions had not been fully exploited.Aiming at the problem,the authors studied the applications of microseismic monitoring technology in coal mining optimization and disaster prevention through successful examples.The research results showed that microseismic monitoring could determine a reasonable advance progress for working face mining,so it could control the surrounding rock activities and strata behaviors.The distribution of microseismic events revealed the rock fracture range and stress distribution characteristics in working face to a certain extent,provided exact guidance for pressure relief,supporting design and coal pillar setting.The b-value,η-value and Mm-value of microseismic had achieved good effects in impact danger evaluation.

Key words microseismic monitoring,mining optimization,disaster prevention,impact danger evaluation

1　引言

微震是煤巖體破裂的萌生、發展、貫通等失穩過程,并伴隨有彈性波在周圍巖體快速釋放和傳播的動力現象.微震監測就是采用微震網絡進行井下現場實時監測,通過計算微震震源位置和發生時間來確定一個微震事件,計算釋放的能量,進而統計微震活動性的強弱和頻率,并結合微震事件分布的位置判斷潛在的礦山動力災害活動規律.微震監測技術在我國的深部礦山得到了廣泛的應用,并取得了較好的研究成果,已成為煤礦安全管理及災害防治的重要手段.

隨著我國煤礦開采深度日益增加,高應力作用下的煤巖動力災害愈發頻繁,微震監測技術也因此得到越來越多的現場應用,目前我國煤礦應用微震監測技術主要集中在沖擊地壓的監測防治方面,其作用并沒有得到充分的發揮,本文利用從波蘭引進的ARAMIS M/E微震監測系統,通過對微震事件的能量、頻次與開采參數的相關性分析,研究微震監測技術在指導煤礦開采工藝優化方面的應用效果,通過對微震事件的定位顯示統計分析,研究微震事件揭示煤巖破裂及應力分布及評價沖擊危險方面的應用效果,從而指導煤巖動力災害的防治,研究成果擴大了微震監測技術的應用范圍,為國內其他礦井應用微震監測技術提供借鑒.

2　微震監測指導開采參數優化

為了有效控制圍巖活動及礦壓顯現劇烈程度,優化推進度等開采參數,采用微震系統對烏東煤礦南采區B3＋6工作面進行實時監測,B3＋6工作面煤層平均傾角87°,煤層平均厚度48.87 m,采用水平分段綜放開采,在現開采分段及下分段布置了16通道的ARAMIS M/E微震監測系統,形成了傳感器全覆蓋工作面的布置方式.2014年9月15日至9月25日期間微震事件頻次與工作面進刀數關系的統計曲線見圖1,從圖中可以看出,9月20日之前推進度控制在6刀/d左右期間工作面微震活動相對比較平穩,20日－21日進刀數減小微震事件頻次隨之降低,9月22日進刀數達到8刀時微震事件的頻次也隨之升高,由此可見微震事件頻次與工作面推進度緊密聯動,表明礦井圍巖活動的劇烈程度與推進度呈正相關關系.

圖1　微震事件頻次與進刀數關系曲線

微震事件能量與工作面進刀數關系曲線見圖2,從圖中可以看出,9月20日前,工作面進刀數維持在6刀/d左右時,工作面微震事件能量釋放較平穩,維持在2×106J左右,20日－23日,工作面進刀數開始增加,微震事件釋放的能量隨之呈現明顯增長趨勢,并于23日、25日發生大能量事件,井下出現明顯震感,表明當工作面推進度較平穩時,微震事件釋放能量偏低,圍巖活躍程度較緩和;當工作面推進度發生較大變化時,微震事件釋放能量升高,圍巖活動趨于活躍.由此可見,圍巖活動及礦壓顯現與工作面推進度有著密切的關系,因此,通過微震監測可以確定合理的推進度來控制圍巖活動及礦壓顯現情況,從而指導開采參數的優化.

圖2　微震事件能量與進刀數關系曲線

3　微震監測揭示煤巖破裂及應力分布

煤巖體破裂過程中釋放彈性能并以震動波的形式向外傳播,通過在煤巖體內安裝一定數量的微震傳感器可以有效接收此類震動波,并實現震源能量計算和震源位置的確定,而震源能量反映了煤巖體受力破壞程度,震源位置則反映了煤巖破壞的主要區域,因此,可通過微震監測開采過程中震動事件能量、頻次及發生位置等參數來分析煤巖破壞范圍及應力分布特征,從而掌握巖層運動規律并進行礦山壓力災害評價,為礦井災害防治提供依據.

3.1微震監測揭示煤巖破裂范圍

義馬千秋煤礦21141工作面微震事件沿工作面走向方向的投影效果如圖3所示,該工作面煤層埋深629.5～694 m,傾角11.4°～12.8°,煤層平均厚度為21 m,共布置14個微震傳感器.圖中的圓點代表微震事件,圓點越大表明微震事件能量越大.從圖中可以看出微震事件主要分布在煤層底板以下65 m至頂板以上88 m范圍內,表明受煤層開采擾動影響,在該層位范圍內的煤層頂底板活動較為明顯,能量釋放較為頻繁.此外,根據分類統計,煤層底板中的微震事件達到總事件的65％,表明底板中能量釋放明顯,底板易發生突然破斷甚至沖擊等災害,為需要重點關注的災害源.因此,通過微震事件的分布可確定煤巖活動及破裂范圍,并劃分主次災害源,從而有針對性的對頂底板采取卸壓措施進行防治解危,減小災害發生的概率.

圖3　微震監測揭示煤巖破裂高度

3.2微震監測揭示超前應力分布特征

工作面超前支承壓力分布是指導工作面超前支護及卸壓解危的重要依據,目前眾多礦井主要通過煤層鉆孔應力計獲取超前支承壓力的分布范圍及峰值位置,微震監測同樣可以較準確地獲得超前應力的分布特征.圖4為微震事件與21141工作面的相對位置關系,從中可以看出高能量的微震事件主要分布在煤壁前方50～300 m范圍,面前50 m微震事件很少,表明該工作面開采造成的破裂區為50 m左右;超前工作面100 m處微震事件最為密集,且事件能量較大,表明該位置位于超前應力峰值,根據微震事件分布及能量分布可擬合出超前支承壓力曲線,見圖4,依此來指導工作面的超前支護及卸壓解危措施實施.

圖4　微震監測揭示超前應力分布特征

3.3微震監測揭示側向支承壓力分布特征

沿工作面傾向方向微震事件定位結果投影效果見圖5,定位結果顯示21141工作面運輸巷附近微震事件較為集中,其中運輸巷實體煤側12 m處聚集了較多的高能量事件,表明該位置煤體應力最為集中,為側向支承壓力峰值位置,為運輸巷卸壓解危措施的實施提供指導依據,此外,下區段工作面巷道設計掘進時應避開應力峰值,選取合理的煤柱寬度,以保證巷道掘進與回采過程中均處于應力降低區域.

圖5　微震監測揭示側向應力分布特征

4　應用微震監測評價沖擊危險

目前微震監測評價沖擊危險采用較多的指標有b值、η值、Mm值等,眾多實踐證明,使用上述3個評價指標進行沖擊地壓預測與危險性評價時具有較好的效果.本文簡單介紹b值、η值和Mm值在該礦沖擊危險評價中的應用效果.

b值源于著名的地震震級－頻度關系,可簡稱為G-R關系,其反映區域性的震級≥M的地震的累計次數N (≥M)的對數與震級M成線性關系:

式中:M——地震震級;

N——地震的累計次數;

a、b——與區域有關的經驗常數.

G-R關系是地震學的基本定律之一,已廣泛應用于地震活動性、地震區域以及地震預測研究中.大量研究表明G-R關系不僅描述了大小地震的比例,其中的常數b還能刻畫震源區的應力及介質條件.b值主要代表著介質內部應力水平的高低,介質應力值越高,在巖石斷裂面的邊界上處于高水平的應力點所占的比重越大,破裂前沿變得更容易推進,此時大破裂的比例也越大,b值越小.基于G-R關系擬合中出現的明顯偏離下彎的曲線形態,提出了G-R修正式,即η值,η值實際上反映了G-R關系式的偏離程度,如果實際資料完全滿足G-R關系式時,η值等于2;若較大地震較多,曲線表現為上凸,η＜2;反之,η＞2.

缺震是指地震活動規律在事件分布上的反映,如果某一地區一定時間內平均最大震級低于該地區長期最大平均震級,那么這個地區在未來一段時間內就應該發生一些較大的地震來缺補,即這個區域就可能發生一些較大微震來補足這個長期平均震級的缺額,缺震就意味著將要發生較大震級的地震,這就是缺震的基本含義.根據G-R公式,當N＝1 時,Mm＝a/b這一最大微震事件尚未發生時的缺震性,具有明顯的預測意義,追蹤Mm或其它震級檔次上的缺震隨時間的變化是有預報意義的重要信息.

對該礦微震數據進行時間掃描分析,根據ARAMIS微震系統拾震器的靈敏程度及監測數據量大小,初始震級取ML＝0,滑動增量為0.2,b值與η值計算結果如圖6、圖7所示,圖中表明沖擊事件大都發生在相對低b值和低η值期間,因此低b值和低η值異常將預示沖擊危險.Mm值計算結果如圖8所示,圖中表明沖擊事件大都發生在相對高Mm值期間,因此高Mm值異常將預示沖擊危險.通過對b值、η值和Mm值的綜合分析,可以提高評價沖擊危險的準確性.

圖6　采用b值預測沖擊危險效果圖

圖7　采用η值預測沖擊危險效果圖

圖8　采用Mm值預測沖擊危險效果圖

5　結論

(1)微震監測顯示圍巖活動及礦壓顯現與工作面的推進度有著密切的關系,通過對微震事件頻次及能量的分析,平穩及合理的推進度能有效控制圍巖活動,降低了動力災害的危險性.

(2)微震事件從一定程度上揭示了工作面煤巖破裂范圍及應力分布特征,為卸壓工程、支護設計以及煤柱留設等工程提供了準確的指導依據,擴大了微震監測在煤礦領域的應用.

(3)應用微震b值、η值、Mm值評價沖擊危險取得了較好的效果.

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(責任編輯 郭東芝)

作者簡介:張會軍(1983－),河南輝縣市人,2009年畢業于煤炭科學研究總院北京開采所,現任天地科技股份有限公司采礦技術研究所副主任,研究方向為礦壓及巖層控制。

基金項目:?國家自然科學基金資助項目(51474128),天地科技股份有限公司技術創新基金資助項目(KJ－2015－TDKC－05)

中圖分類號TD324

文獻標識碼A