兩種微震監測系統協同印證模式下的對比分析

白俊杰 呂玉磊

（中煤西北能源公司烏審旗蒙大礦業，內蒙古 鄂爾多斯 017300）

目前正值我國能源戰略西移的歷史階段，鄂爾多斯市已成為全國煤炭工業的主陣地。伴隨著一批高產高效的千萬噸級礦井、億噸級礦區相繼規劃、建成投產，沖擊地壓災害問題也日趨嚴重[1]。微震監測是沖擊地壓礦井中區域監測手段的重要一種[2]，目前主要有三種微震監測系統：天地科技ARAMIS M/E、北京安科興業KJ551 和中國礦業大學SOS，多數礦井采用ARAMIS M/E 和KJ551。鑒于礦井沖擊地壓監測的復雜性，為了確保安全生產，納林河二號礦井安裝兩套微震監測系統，形成了相互協同、印證的監測預警模式。本文通過對比同時間、同區域回采期間，煤層及上覆巖層內產生的能量事件頻次、釋放總能量和上覆巖層中微震事件分布規律[3]，結合頂板取芯柱狀圖，從多個角度對KJ551和ARAMIS 兩套微震監測系統進行分析，為礦井微震監測設備選型提供有益的借鑒。

1 監測工作面概況

31103-1 工作面為首采盤區南翼的第三個工作面，工作面長241 m，走向長度1787 m，煤層厚度5.5 m，為近水平煤層。東側為31102 工作面采空區，區段煤柱寬度25 m。31103-1、31102 和31101工作面切眼呈外錯布置，分別外錯355 m、345 m。31103-1 工作面兩側順槽掘進過程中未揭露斷層等地質構造。經鑒定3-1 煤頂板、煤層屬于強沖擊傾向性，底板為弱沖擊傾向性。

2 微震監測系統布置情況

為了提高微震監測系統的監測精確性和可靠性[4]，在31103 工作面安裝KJ551 和ARAMIS 兩套微震監測系統。兩種微震監測系統在協同、印證模式下，通過對比能量事件的個數、釋放總能量和分布規律，多方面對工作面沖擊危險程度進行預測。

2.1 KJ551 微震監測系統

KJ551 微震監測系統為48 通道，在回采工作面兩側順槽分別布置4 個檢波器，相鄰的檢波器距離100 m，工作面開采至距離檢波器40 m 左右及時將檢波器和纜線移組。井下監測分站通過環網連接至地面監測室的監測主機。

2.2 ARAMIS 微震監測系統

ARAMIS 微震監測系統[5]為24 通道，在回采工作面兩側順槽分別布置1 個底板拾震器及1 個頂板探頭。拾震器作為半永久設備一般不予移動，探頭隨著工作面推進移組，工作面開采至距離探頭60 m 左右及時將探頭和纜線移組。井下監測分站通過環網連接至地面監測室的監測主機。

2.3 微震監測設備布置情況

KJ551 微震監測系統檢波器布置在工作面兩順槽超前300 m 范圍內，ARAMIS 微震監測系統在31103回風順槽布置底板拾震器一個、頂板探頭一個，在31103 膠運順槽及31104 主回撤通道內布置底板拾震器一個，另外在31103 膠運順槽布置頂板探頭一個。微震監測設備布置位置示意圖如圖1 所示。

3 監測結果對比分析

31103 工作面于2019 年4 月25 日開始回采，2019 年12 月1 日—2019 年12 月30 日回采區域對應距離切眼915.3～999.6 m 范圍（84.3 m）。該區域主要受采空區側向支撐壓力、本工作面采動應力、雙面見方、二次見方等因素影響，經沖擊危險等級評價為強。該區域回采期間采場上覆巖層破斷、運移較劇烈，因此選擇該區域為監測區域，對KJ551和ARAMIS M/E 微震監測結果進行對比分析。監測對比區域如圖1 所示。

3.1 區域密集監測

監測范圍比較：KJ551 微震監測系統檢測到能量事件最高發育至煤層上方168 m 處；ARAMIS 微震監測系統檢測到能量事件最高發育至煤層上方314 m 處。

（1）KJ551 微震監測結果，如圖2 所示。

（2）ARAMIS 微震監測結果，如圖3 所示。

圖1 微震監測設備布置位置示意圖

圖2 工作面頂板上方巖層頻次、釋放總能量分布圖（KJ551，2019.12.1—2019.12.30）

圖3 工作面頂板上方巖層頻次、釋放總能量分布圖（ARAMIS M/E,2019.12.1—2019.12.30）

（3）對比分析

數 量 比 較：2019.12.1—2019.12.30 期 間，ARAMIS 監測系統共接收到微震事件2361 個，釋放總能量1.53×106J，單個事件平均能量648.03 J；KJ551 監測系統共接收到微震事件2335 個，釋放總能量1.3×107J，單個事件平均能量5 567.45 J。

各級事件頻次比例：KJ551 微震監測結果以三次方事件為主，占比達到88%，四次方事件占比9%；ARAMIS 微震監測結果以一次方和二次方事件為主，占比達到93%，四次方事件占比1%，三次方事件占比僅為6%。各級微震事件頻次占比分布如圖4 所示。

圖4 各級微震事件頻次占比分布

3.2 頂板巖層重點層位觀測對照

采用對頂板巖層取芯的方式，對附近已有的NL51、MD28 鉆孔柱狀圖進行重新修正、編錄。如圖4 所示為在31103 工作面主回撤通道進行的60 m高度范圍內的頂板巖層柱狀圖。結合頂板取芯巖層柱狀圖對KJ511 和ARAMIS 微震監測事件數據進行分析，如圖5 所示，初步結論如下所述。

圖5 回采區域煤層上方60 m 取芯柱狀圖與微震事件頻次、能量分布對比圖

（1）KJ551 監測系統對煤層上方60 m 范圍內的各堅硬巖層內的破斷微震事件辨識度相對較為清晰。

（2）KJ551 監測系統對煤層及17 m 范圍內近距離頂板巖層內微震事件的區分度較好，對煤層內的微震事件尤為明顯。

（3）KJ551 監測系統對各區域的微震事件能量與頻次監測結果，基本呈“能-頻同步”；ARAMIS 監測系統對煤層至10 m 高度范圍的頂板巖層內的微震事件能量與頻次監測不協調，煤層及上方5 m 高度范圍呈“低能-高頻”現象，煤層上方5～10 m 范圍由“低頻高能”向“高頻低能”轉換；煤層上方10 m 以外，未見明顯規律。

4 結 論

（1）KJ511 和ARAMIS 微震在協同印證模式下，有一定的互補作用。相比較之下，ARAMIS 微震監測系統監測結果側重于高頻次、低能量事件，KJ551 微震監測系統監測結果側重于較低頻次、較高能量事件。

（2）ARAMIS 微震監測系統對監測區域上方巖層的監測范圍較KJ551 更廣，但KJ551 對上覆巖層內堅硬巖層的破斷引發的能量事件識別更具區分度。

（3）ARAMIS 微震監測系統采用底板拾震器與頂板探頭相結合的方式布置后，對煤層有一定的地音監測功能。

（4）今后現場實施過程中，應盡量做到三維立體監測，確保微震監測系統對垂直空間范圍的巖層破斷事件進行有效監測、反饋。