微震分析軟件在沖擊地壓監測預警中的應用

林 飛，王 萍，陳 娜，王娟娟

(華亭煤業集團華亭煤礦，甘肅 華亭 744100)

0 引言

近年來，受地質條件和開采條件等眾多因素的影響，華亭煤礦多次發生沖擊地壓災害事故，使礦井生產和人身安全受到很大影響。沖擊地壓是由于人工開采而引發的區域性動力活動，除了會摧毀井巷及設備，造成人員傷亡，還可能誘發煤與瓦斯突出、瓦斯煤塵爆炸等次生災害，是我國煤礦最嚴重的災害之一[1-3]。在礦井開采的后期，由于開采條件的不斷惡化和開采深度的增加，沖擊礦壓在發生的頻度和強度方面顯著增強。

華亭煤礦煤層厚，且煤層厚度變化大，受構造影響，煤層起伏，呈多個向斜、背斜相互交替連接的空間形態。同時，煤田西部為唐家山逆斷層，受區域構造的影響，使井田位于應力集中區。因此，對沖擊地壓發生規律進行專題研究，尋求監測預警技術對策，做到“對癥下藥”、防患于未然，既是關系到現場生產安全的重要課題，也是重要的環境問題和社會問題，對于保持礦井生產的連續性和穩定性具有重要意義[4-6]。

1 監測預警體系

1.1 判斷指標及預測系統

判斷指標：華亭煤礦專業技術人員經過多年的沖擊地壓理論學習和防治經驗積累，目前形成了以微震監測為主，聲發射監測、鉆屑檢測為輔的監測預警體系[7-10]。而在微震監測中又以“MapRAS 3.0分析預測系統”中篩選優化出來的“震動頻次、震動能量、活動率偏差指數、巖體破裂速率指數、頂底板損傷深度指數”5個指標作為主要分析判斷指標，為華亭煤礦沖擊地壓防治工作提供科學可靠的參考依據。

預測系統：MapRAS 3.0分析預測系統是在Windows操作系統的MapInfo8.0平臺開發，是基于GIS(即地理信息系統)的采動微震數據分析系統。“MapRAS”軟件是通過微震觀測數據對微震震源分布和震中分布可視化、微震事件時間域和空間域可視化進行靜態和動態分析，從而對礦井的沖擊地壓進行預測預報。

1.2 指標及其分析方法

震動頻次：震動頻次反映了巖層破斷周期，采動應力強弱[11-12]。在MapRAS 3.0分析預測系統震中分布圖中選取要分析區域1～2月的微震數據，選取時間步長1 d，窗長1 d，生成震動頻次圖。

震動能量：震動能量反映了巖體在破斷時所釋放出的能量。同樣選取要分析區域1～2月的微震數據，設置時間步長1 d，窗長1 d，生成震動能量圖。

活動率偏差：①活動率偏差又稱為Z-Map，是基于某個區域較長歷史背景中的微震活動速率，來研究某一時段的微震活動速率變化。0值以下活動率較低，0值以上活動率較高。Z-Map參數定義為

(1)

式中，R1—所選區域整個歷史時段的平均微震發生率，即單位時間內的微震個數；R2—某個時段上的平均微震發生率(設W為窗長或預測時間，則有Ti-W≤R20時，該時段微震發生率下降，以此來判斷強能量釋放前的微震活動平靜。

②指標分析方法。在MapRAS 3.0分析預測系統震中分布圖中選取要分析區域1～2月的微震數據，選取時間步長1 d，窗長2 d，生成活動率偏差圖。

巖體破裂速率：即單位時間巖體破裂面積的總和，0線上、下分別代表破裂速率高、破裂速率低。若巖體破裂速率由高速破裂后轉為低速破裂，沖擊地壓危險性升高。在MapRAS 3.0分析預測系統震中分布圖中選取要分析區域1～2月的微震數據，選取時間步長8 h，窗長3 d，生成巖體破裂速率圖。

頂底板損傷深度指數：頂底板損傷深度代表頂底板巖石受采動損傷的深度，是一個單位。深度指數是相對量，是頂底板損傷深度與計算時間窗內頂底板損傷深度平均數的比值，無量綱。0線上、下分別代表破裂帶發生在頂板、底板。指標分析方法：在震中分布圖中選取要分析區域1～2月的微震數據，選取時間步長8 h，窗長3 d，生成頂底板損傷深度指數圖。

2 沖擊地壓案例分析

2.1 震源定位

2019年9月29日23時28分，250107-1工作面回風順槽發生沖擊地壓顯現，造成990～1 020 m共30 m范圍內底鼓0.2～0.3 m，頂部有掉渣現象，軌道略有位移。震源位于250107-1實體煤內，距250107-1工作面回風順槽內幫40 m，距聯絡巷口1 058 m，如圖1所示。

圖1 震源定位

2.2 指標分析

震動頻次分析：如圖2所示，18日～28日震動頻次整體呈上升趨勢，且在28日指標值上升到近期最高值，表明沖擊地壓危險性較高。此次的沖擊地壓顯現發生在破斷高峰期附近(破斷高峰期危險性較高)。

圖2 工作面震動頻次

震動能量分析：如圖3所示，25日～29日震動能量連續5 d呈上升趨勢，且29日指標值上升到均值以上。由于能量高時危險性較高，圖3表明沖擊地壓危險性持續上升，且上升到高值危險范圍，此次的沖擊地壓顯現發生在能量峰值當天。

圖3 工作面震動能量

活動率偏差分析：如圖4所示，29日活動率偏差指數急劇上升，且上升到0線以上。由于指標值處在0線上時危險性較高，此次的沖擊地壓顯現發生在0線以上，表明當天沖擊地壓危險性較高。

圖4 活動率偏差

巖體破裂速率指數分析：如圖5所示，巖體破裂速率指數持續幾天呈上升趨勢，且指標值明顯大于0，表明沖擊地壓危險性較高，此次的沖擊地壓顯現發生在高速破裂過程。

圖5 工作面巖體破裂速率指數

頂底板損傷深度指數分析：如圖6所示，從22日起指標值一直處在0線下。由于指標值處在0線下時危險性較高，即表明頂底板破裂帶一直發生在底板損傷過程，近期沖擊地壓危險性較大，此次的沖擊地壓顯現發生在底板損傷過程。

圖6 工作面頂底板破裂帶演化指數

總體分析：從沖擊地壓顯現前的監測指標來看，2019年9月28日，震動頻次達到破斷高峰期，表明沖擊地壓危險性較高；震動能量持續4 d呈上升趨勢，表明沖擊地壓危險也在持續上升；活動率偏差指數指標值處在0線下，表明沖擊地壓危險性不高；巖體破裂速率指數持續幾天上升，且指標值明顯大于0，表明沖擊地壓危險性較高；頂底板破裂帶演化指數連續8 d指標值處在0線下，即破裂帶持續8 d處在底板損傷過程。5項指標中4項指標出現異常，已經達到預警程度，于2019年9月29日發生沖擊地壓顯現，表明“MapRAS 3.0分析預測系統”中篩選優化出來的“震動頻次、震動能量、活動率偏差指數、巖體破裂速率指數、頂底板損傷深度指數”5個指標較為敏感，作為沖擊地壓監測預警指標實踐效果較好。

2.3 監測指標應用總結

震動頻次指標：通常是作為第一監測指標，也是一個較為敏感的監測指標之一，為沖擊地壓監測預警提供重要的參考數據。因為它反映的是巖層破斷周期，采動應力強弱。在多數沖擊地壓顯現前震動頻次都會有一個持續上升或波動上升的過程，在頻次上升到峰值或峰值過后1～3 d內沖擊地壓的危險性高。

震動能量指標：與震動頻次指標在多數情況下會表現為同步，即同時上升或同時下降。在沖擊地壓顯現前震動能量都會有一個持續上升或波動上升的過程，在能量上升到峰值或峰值過后1～3 d內沖擊地壓的危險性高。

活動率偏差指數：在沖擊地壓顯現前活動率偏差指數表現為持續高值或由低值轉為0值以上且有繼續上升的趨勢，這表明危險性高。

巖體破裂速率指數：巖體破裂速率指數由高速破裂轉為低速破裂時危險性高。

頂底板損傷深度指數：0線上、下代表破裂帶發生在頂板、底板。沖擊地壓顯現大多發生在底板損傷過程中，因此在頂底板損傷深度指數在0線以下的時候危險性高。

3 結論

(1)“震動頻次”指標作為第一監測指標，如果“震動頻次”指標異常，應及時采取鉆屑進行驗證，并做好解危卸壓工作。

(2)“震動能量、活動率偏差指數、巖體破裂速率指數、頂底板損傷深度指數”4項指標中3項指標出現異常，應及時采取鉆屑進行驗證，并做好解危卸壓工作。

(3)“震動頻次”異常，且“震動能量、活動率偏差指數、巖體破裂速率指數、頂底板損傷深度指數”4項指標中2項指標出現異常，應做好預警工作，并做好解危卸壓工作。