微震監測系統在煤礦沖擊地壓預警中的應用＊

周俊文

（中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039）

隨著經濟的發展，煤礦的開采強度增大，相應的開采深度增加，因此，煤礦沖擊地壓災害發生的強度和頻率明顯增加。20世紀80年代后，不同國家的學者對如何有效利用微震監測技術監測、監控此類災害進行了大量的研究。法國的Senfaute等發現礦山支護與微震事件分布之間具有直接聯系；Shen等利用微震技術研究了澳大利亞某長壁工作面頂板垮落時位移、應力的變化規律以及頂板垮落時的微震前兆信息；潘一山等[3-4]開發研制出礦區千米尺度破壞性的礦震監測定位系統；唐禮忠等[5]通過優化多個微震監測系統傳感器站網的空間位置來提高微震事件震源定位精度和系統靈敏度。

鑒于傳統微震監測技術在定位和能量計算方面存在一定的誤差[6]，本文采用KJ768微震監測系統，建立相應的預警模型，實現對躍進煤礦沖擊地壓災害預警。

1 示范礦井概況

示范礦井為躍進煤礦，該礦含煤地層為侏羅系的義馬組，可采煤層為2-1和2-3兩層。其中，2-1煤層厚度變化較大，為0.85～8.55 m，平均3.78 m，可采性指數0.98，煤層厚度變異系數33.2%.2-1煤層直接頂板為泥巖，厚20 m左右，底板為中、細粒砂巖，厚0～25 m，為2-3煤層的頂板。2-3煤層位于2-1煤層下部，距2-1煤層0～26.54 m，平均6.7 m，在+170 m水平賦存穩定，煤層厚度平均6.60 m，可采性指數為1，煤層厚度變異系數為16.3%.

煤礦開采進入深部采區后，沖擊地壓造成大量設備損壞、人員傷亡。躍進礦沖擊地壓發生的強度大、危害嚴重，發生前沒有明顯的前兆，回采面巷道和掘進巷道發生沖擊地壓災害都很頻繁，并且沖擊位置以底板沖擊為主。圖1是沖擊地壓現場破壞情況。沖擊地壓災害給躍進礦帶來巨大的影響，且隨著開采向深部的轉移，該災害的威脅會更大，將成為制約礦井安全高效生產的首要難題。

圖1 沖擊地壓破壞的巷道

2 基于微震監測的沖擊地壓預警

2.1 微震監測系統

KJ768微震監測系統相比于傳統的被動式監測技術，增加了自激震動波速反演計算功能，因此，對微震的監測精度更高。本項目采用的KJ768微震監測系統，其具有自動優化參數、監測結果三維動態顯示等功能，且能實時、連續、自動采集原始震動信號，進行波形濾波處理。KJ768的頻率范圍為0～150 Hz，動態范圍小于等于110 dB，傳輸速率為100 Mbps，傳輸距離高達20 km，采樣頻率介于500 Hz～10 kHz，定位最小震動能量為100 J。

2.2 沖擊地壓預警

建立沖擊地壓預警模型，把每天KJ768的監測結果代入模型，得到能夠判斷當前工作沖擊危險狀態的結果。在此，以2014-09-05的監測數據為例，說明基于該微震監測系統的沖擊地壓預警模型的建立過程及相應的預警過程。

2.2.1 建立因子集合及評價集合

考慮指標因子對預警結果的影響作用，并結合現場監測情況，同時選取微震頻次N、總能量E和震源集中度ξ建立預警模型因子集合U，即U＝（N，ξ，E）。

評價結果集合用V表示，V＝（無沖擊危險，弱沖擊危險，中等沖擊危險，強沖擊危險），這表明各種可能的總評判結果分為4類危險等級。用I，II，III和IV分別代表無、弱、中、強4個危險等級，則V＝（I，II，III，IV）。

2.2.2 建立權重集合

基于該礦工作面微震監測數據的歷史數據分析，得到不同危險等級的各評價因子數據范圍如表1所示。

表1 各評價因子分級閾值

對躍進礦23070工作面2014-09-05當天的微震監測數據進行分析，得到各評價因子結果如表2所示，微震系統定位的事件坐標及能量如表3所示。由表1和表2數據，結合權重計算公式（5.19），可求得權重集合為：W＝（w1，w2，w3）＝（0.43，1.10，0.07），然后進行歸一化處理得到模糊權重向量 A＝（0.27，0.69，0.04）。

表2 2014-09-05各微震評價因子結果

表3 2014-09-05微震事件定位結果及能量

2.2.3 建立評判矩陣

將監測結果及各評價因子不同等級的分級閾值代入隸屬度函數計算公式（1），可求得各個評價因子的單因素評判矩陣，并組成模糊矩陣R：

2.2.4 評判結果

將模糊權重向量A和模糊矩陣R進行M（·，＋）運算，得到沖擊地壓預警的模糊綜合評判向量B＝（0，0.846 6，0.159 9，0）。根據最大隸屬度原則，判斷該工作面此次的沖擊危險等級為II級，即具有弱沖擊危險性。建議對該工作面采取沖擊地壓解危措施，2014-09-06，躍進礦組織防沖隊相關人員實施大孔徑卸壓、煤層卸載爆破卸壓措施，以降低工作面沖擊危險性，確保安全。

3 應用效果

采掘過程中，利用KJ768微震監測系統開展沖擊地壓監測結果，當監測結果顯示具有沖擊危險性時預警，并實施大孔徑卸壓、煤層卸載爆破等沖擊地壓解危措施。措施實施后，再根據KJ768微震監測系統開展沖擊地壓監測結果判別是否消除了沖擊危險，如果沒有消除沖擊危險，繼續實施解危措施，直到微震監測結果顯示消除沖擊危險后，再實施采掘作業。預警具體流程如圖2所示。

圖2 沖擊地壓預警工作流程

KJ768監測系統在該礦23070工作面監測以來，前后26次對工作面開展了沖擊地壓預警，其中3次強沖擊危險預警，9次中等沖擊危險預警，14次弱沖擊危險預警。監測預警結果對指導沖擊地壓災害防治起到了非常重要的作用。

4 結論

應用KJ768微震監測技術，在河南義馬躍進煤礦開展了沖擊地壓監測預警實踐。KJ768微震監測結果準確、穩定?，F場實踐期間，KJ768微震監測預警結果對指導躍進煤礦沖擊地壓災害防治起到了非常重要的作用。