SOS微震檢測系統在防治沖擊礦壓中的應用

王 坤

（大同煤礦集團有限責任公司馬脊梁礦,山西大同 037003)

1 引言

我國井工開采深度不斷下探,井下的環境多變,不可預測性擴大,隨之而來的可能的地質災害[1-3]、煤礦事故發生的概率增高,并造成了大量設備損壞、巷道破壞與人員傷亡,對各礦安全生產與工人生命財產造成重大威脅。然而目前我國對井下的檢測系統卻一直未能有顯著地改進,由于多方面條件的制約,許多地區的煤礦檢測依然沿用比如鉆屑通過觀察多次煤粉含量的變化來判斷井下地質活動的活躍程度、不僅技術方法落后,得到的數據干擾性較大并不具有很高的研究價值,因此井下檢測設備的更新迭代顯得尤為重要。本文主要介紹SOS 微震監測系統的現場應用,對煤巖層微震事件進行了分析,得到其礦壓顯現的時間和位置規律,對沖擊礦壓的預警防治起到了關鍵作用,增加了煤礦安全生產的可靠性。

2 概況

山寨煤礦位于華硯煤田西北部,井田走向平均長3 km,傾斜平均寬3.43 km,井田面積10.29 km2。目前主采一采區5#煤層,已開采至+1 150 m 水平。1104 工作面位于井田東翼一采區,北部為1103綜放工作面采空區；其西部為二采區回風下山、二采區軌道下山及二采區膠帶下山；東部及南部暫無采掘活動。走向長度1 270 m,傾斜長度150 m,面積190 500 m2。地面標高為+1 572 m～+1675m,井下標高為+1 168 m～+1 235 m。采深為337 m～507 m。

該工作面設計開采煤層為煤5 層,煤層總體結構比較簡單,煤層厚度在9 m～29.9 m 之間,平均厚度為16.6 m,沿走向東厚西薄。煤層傾角5°～15°,硬度f＝2～3。

圖1 一采區綜合柱狀圖

3 SOS微震系統的介紹

山安煤礦安裝了SOS 微震監測系統,該設備是波蘭礦壓研究院采礦地震研究所專門為煤礦安全生產所設計制造的。它能夠針對礦井范圍發生頂底板破斷,斷層滑移等產生礦震的信號進行監測,具有實時、連續、動態、最遠可達10 km 等特點進行監測,能夠給出礦震包括沖擊礦壓在內的完整波形。根據地震學原理可以確定每次震動發生的能量(最小能量為100 J)、時間和空間位置。對每次震動和趨勢性進行分析,可以判斷礦震發生的力源并評價礦井沖擊危險程度,確保煤礦在安全的前提下進行生產。SOS微震監測系統如圖2所示。

圖2 SOS微震監測系統

SOS 微震監測系統主要有硬件和軟件兩大部分,硬件主要包括信號采集站,記錄儀系統,分析儀系統,檢波測量探頭等。軟件主要包括SEISGRAM 軟件,它具有提取微震信號和可視化分析等功能；MULTILOK軟件,它具備有對煤巖體微震信號三維定位和能量計算等功能。SOS微震監測系統具有以下功能:采集、記錄和分析微震信號；處理多通道的波形；計算礦震的空間三維坐標和能量等功能。根據P 和S 波相比,初次進入時間的確定誤差較小,定位精度較高,因此采用人工對波形進行P波定位,其它工作有計算機完成。

微震臺網合理布置的目的主要是提高震源定位精度,盡可能多的獲取有用信息,減少干擾,覆蓋目前重點區域并兼顧其他潛在危險區域,微震拾震器布置的一般原則:

(1)拾震器布置應對重點區域形成空間包圍,避免成為一條直線或一個平面。

(2)拾震器盡可能靠近重點監測區域,保證重點監測區域有4個以上可接收到震動信號的拾震器。

(3)拾震器盡可能避免較大斷層,破碎帶,機電設備的影響。

(4)既要對重點監測區域進行較好的監測,又要兼顧其他區域。

(5)布置位置拾震器,盡量利用現有的巷道和硐室等,減少施工,維修費用。

4 應用

1104工作面開始回采,分別在回風順槽和運輸順槽布置3 個微震拾震器。隨著工作面的回采,拾震器的布置位置也會發生改變,下圖3為1104工作面剛開始回采時,工作面及附近布置的拾震器微震平面圖。表1為拾震器布置的三維坐標。

圖3 SOS微震拾震器布置圖

表1 SOS微震拾震器位置坐標表

本次節取山安煤礦微震數據庫2016 年10 月8 日至2018 年1 月1 日的數據。并對1104 工作面進行分區,監測區域共檢測到礦震7 907次,其中最大能量為4.21E+05 J,平均能量為3.137E+04 J,震動能量分級統計見表2。

表2 微震數據統計

由表2中可以看出,震動能量主要集中在10E+04 J以下,占總礦震95.98%,由于1104工作面平均埋深在450 m 左右,老頂為堅硬細砂巖,因此容易儲存彈性能,而且頂板形成的側向支撐壓力和超前支承壓力也很大,因此發生的微震多為中高能量的震動。現場記錄的多數強礦壓顯現的能量都在10E+4 J 以上,并且工作面附近微震活動比較強烈,工作面回采過程中應該加強沖擊礦壓的防治。

通過SOS 微震監測系統的實時,連續的監測,記錄了1104工作面自2016年10月開始回采至工作面推進至轉角后200 m 左右所記錄的震動事件,主要包括震動發生的時間,平面位置,能量大小。通過對1104回采期間發生的震動時間,進行時間序列分布和微震事件平面分布規律分析,得到其礦壓顯現的時間和位置規律,如圖4。

圖4 1104工作面回采期間礦壓顯現位置

結合1104工作面具體地質條件和開采技術條件,強礦壓顯現總體特征為：

(1)1104工作面強礦壓顯現總計10次,小于10E+4 J 能量以下發生一次,大于10E+5 J 能量以上發生倆次,大于10E+4 J 且小于10E+5 J 能量發生7 次。說明小能量微震事件不易發生礦壓顯現。

(2)1104 工作面強發生礦壓顯現時,巷道的破壞形式主要以頂板下沉為主,同時也有底鼓等現象,并經常伴隨支護結構的損壞導致破壞性加劇,治理難度很大。

(3)1104 工作面強發生礦壓顯現時,運輸順槽發生3次,回風順槽發生7次。距離停采線附近,回風順槽發生2 次礦壓顯現。說明在地質構造變化區,即工作面轉采轉角處應力較集中,強礦壓顯現較集中,并且重復發生強礦壓顯現,應注意進行重點監測和防護。在1104工作面轉角處,回風順槽礦壓顯現次數比運輸順槽處較多,說明該處受上采空區影響較大,應力較為集中。

5 結論

通過加裝了SOS 檢測系統,較好的監測和記錄了山寨煤礦一采區1104工作面回采期間,井下礦壓顯現的時間和位置規律,為煤礦安全提供了清晰、可靠的理論支持,對沖擊礦壓的預警防治起到了關鍵作用。