基于微震監測技術的煤炭開采臨斷層區沖擊礦壓預測研究

龍 御

(中國煤炭地質總局地球物理勘探研究院，河北 涿州 072750)

0 引言

沖擊礦壓是煤礦礦井內嚴重的自然災害之一。沖擊礦壓災害通常是由于開采造成，具有突然、猛烈的特點，是一種煤巖體變形能大量釋放所造成的自然災害，其直接表現形式是巖體震動以及巨大聲響[1]，沖擊礦壓震動時間可從幾秒持續至幾十秒。沖擊礦壓災害可造成建筑物毀壞、人員傷害、井巷破壞等嚴重后果，并且可能造成煤塵爆炸以及瓦斯爆炸等衍生災害。沖擊礦壓災害形成原因過于復雜[2]，災害的誘發受大量因素造成，災害發生強度以及發生地點無法精準預估，是巖石力學領域的重要難題。

沖擊礦壓災害主要在堅硬頂板工作面、煤柱高應力區以及斷層帶附近誘發，臨斷層區是沖擊礦壓極為嚴重與復雜區域[3-5]，煤炭開采臨斷層區沖擊礦壓預測具有較高的必然性。我國煤炭需求不斷提升，煤礦開采深度逐年向下延伸，煤炭開采環境逐漸復雜，由于深部開采誘發的動力所造成的突發性礦震更加明顯[6]，礦震嚴重時將造成沖擊礦壓，沖擊礦壓威脅礦山安全，沖擊礦壓災害發生時將造成巨大的人員傷亡和經濟損失。

微震檢測技術是檢測煤礦動力狀態的重要技術，近30年來，微震監測技術在煤礦安全高效生產中得到了廣泛應用。國內外學者應用微震監測技術研究礦震活動規律，沖擊地壓、煤與瓦斯突出、突水等煤巖動力災害監測預警，應力監測與巖層控制，煤巖體水力壓裂監測與評價等，取得了大量的研究成果。崔峰等[7]結合微震檢測儀器來研究沖擊傾向性頂板破斷及其能量釋放規律，賀虎等[8]提出了基于動靜應力分析的沖擊危險評價方法，其在回采前定量評價復雜條件工作面沖擊危險等級及劃分沖擊危險區域。

以上方法具有較高的工程量，局限性強，科學合理的巖層監測方法是目前急需解決的重要難題。研究基于微震監測技術的煤炭開采臨斷層區沖擊礦壓預測，利用開采區域內波速大小反演臨斷層區應力分布。將微震監測技術應用于沖擊礦壓突變模型中，建立沖擊危險預警指標，利用沖擊變形能指數獲取沖擊礦壓空間域變化情況，實現煤炭開采過程中沖擊危險區域以及能量聚散程度的預測，以期為沖擊礦壓的精準預測提供技術依據。

1 微震監測技術的煤炭開采臨斷層區沖擊礦壓預測

1.1 沖擊礦壓非均質應變損傷軟化本構模型

煤炭礦區內的煤巖材料內部由于非均質性，導致眾多缺陷存在隨機分布的差異力學性質[9-10]。設煤巖材料的微元強度服從Weibull分布，煤巖材料概率密度函數見公式(1)：

(1)

式(1)中，ε*表示抗拉強度、應變、彈性模量等參數的微元強度；m表示Weibull分布的形狀參數；F表示Weibull分布的尺度參數，為其中力學參數ε*的均值。

設固定荷載下總微元體數量N與已破壞微元體數量N*的比即為統計損傷參量D，當受到損壞的微元數量在隨機強度區間 [N*(ε*)] 內時用NP(ε*)dε*表示，可知已損壞的微元體在加載至ε*水平時，見公式(2)：

(2)

設D=N*/N，可得

(3)

式(3)即為損傷演化方程。當D=0以及D=1時，分別表示煤巖材料為完整材料以及完全破壞材料。

樣本已損傷部分無承載能力[11]，未損傷部分的應變ε以及應力σ滿足虎克定律，可得公式(4)：

σ=Eε(1-D)

(4)

式(4)中，E表示未損傷煤巖材料的彈性模量。

煤巖的損傷變量用D表示，煤巖受壓公式(5)：

σ=Eε(1-RnD)

(5)

式(5)中，Rn表示損傷比例系數。

設置僅考慮內摩擦角φ以及黏結力c軟化情況下的應變損傷軟化本構模型見公式(6)：

(6)

式(6)中，c0表示未破壞微元的初始黏結力；φ0表示未破壞微元的初始內摩擦角，εP表示塑性應變。

1.2 臨斷層區沖擊礦壓的突變模型

基于沖擊礦壓非均質應變損傷軟化本構模型建立臨斷層區沖擊礦壓的突變模型。利用長度與厚度分別為L與D的半條帶設置為臨斷層區沖擊礦壓突變模型，可得該研究區域的臨斷層區以及圍巖之間的剪力-切向位移關系圖(圖1)。

可得關系公式(7)和(8)：

(7)

P=H=ksvH

(8)

式(7)、(8)中，λ=gDL/b，ks=GDL/B；B表示圍巖邊界至斷層距離，g表示臨斷層區的初始剪切彈性模量；G表示圍巖的初始剪切彈性模量；m與v分別表示臨斷層區的軟化參數以及相對切向位移；v0與vH分別表示圍巖的軟化參數以及相對切向位移。

Q(vc)=λvc·exp(-m-1/m)

(9)

(10)

圖1 圍巖作用下臨斷層區巖體本構關系Fig.1 Constitutive relation of rock mass nearfault zone under the action of surrounding rock

沖擊礦壓非均質應變損傷軟化本構模型為

(11)

關于“話語”，復旦大學教授范曉認為:“話語是由兩個互相依存的部分組成的:一部分是話語內容，也就是言語表達的思想內容;另一部分是話語形式，也就是言語者借以表達思想的形式，這種形式就是語言。”［3］3這樣看來，“話語”不僅是一種交流和傳播的“中介”，還是一種“語言和思想的結合體”［3］4。“話語權”即“話語”與“權”。“權”不僅是指“權利”，也指“權力”。換言之，話語權既是一種表征資格與利益的“話語的權利”，也是一種象征權威與力量的“話語的權力”。據此，輔導員在大學生思想政治教育中的話語權也應包含兩個方面，它既可被理解為作為權利的“話語權”，同時也是象征權力的“話語權”。

1.3 微震監測技術下沖擊礦壓預測

在對沖擊礦壓進行預測前，利用微震監測技術對沖擊震源進行定位，震源定位能夠確定煤巖體破裂時間和空間坐標，是采用微震監測技術研究煤巖體破裂機制、礦震活動規律、煤巖動力災害監測預警以及裂縫微震監測成像的基礎，通過波速大小呈現應力分布狀態，煤巖體應力越高，傳輸振動速度越大[13]。

沖擊震源定位算法的實施主要包括以下幾個步驟：

1)在微震監測空間中選擇任意4點，以這4個點為頂點構造初始單純形；

2)采用L1范數統計準則或L2范數統計準則計算每個頂點的事件殘差；

3)比較4個點的事件殘差，選出最小值和最大值；根據4種變換準則在誤差空間中尋找新的頂點，從而組成新的單純形；

4)重復以上步驟，不斷移動單純形，直到給出最佳的震源位置或者滿足迭代終止條件時，此時迭代終止，同時給出定位結果。

用L表示煤礦礦震震源與微震監測臺間距離，T表示微震監測臺站所接收的初始傳播時間，用V(x，y，z)與S(x，y，z)=1/V(x，y，z)分別反演煤炭開采區域的波速分布以及慢度；設Li與Ti分別表示震動波的傳播路徑以及傳播時間，可得：

(12)

(13)

(14)

式(12)(13)(14)中，Ti與Li分別表示震動波i傳輸時間以及震動波的射線路徑；V(x，y，z)與S(x，y，z)分別表示震動波傳播速度以及震動波傳播慢度；di，j表示震動波射線i穿射網格j的路徑長度；Sj表示震動波射線i穿射網格j的慢度；n與m分別表示射線總數以及網格數量。

高應力集中區域的波速梯度以及震動波波速容易出現異常[14]，建立波速梯度異常以及以P波波速異常的沖擊危險預警指標見公式(15)和(16)：

(15)

(16)

基于時間充分考慮沖擊變形能情況預測沖擊礦壓危險建立指標Zε：

(17)

(18)

式(17)(18)中，N與Ei分別表示前次宏觀破裂后礦震事件總數以及礦震事件所釋放的能量；Eεt與Eεl分別表示沖擊變形能當前值以及臨界值；Zε表示沖擊變形能初始值。

沖擊危險等級在該值越高時越危險[15]，沖擊變形能指數εE見公式(19)：

(19)

式(19)中，Ei表示預測區域礦震能量值；S與T分別表示預測區域總面積以及預測時間。

2 實例分析

選取某地某煤礦作為實例分析對象，并從煤炭開采臨斷層區采集煤樣，利用切割機和巖石取心機將所采集煤樣加工至φ100×100的標準試樣，利用MTS815伺服材料試驗器，對其進行應變應力試驗，統計采用本文方法研究煤炭開采臨斷層區煤樣與實際煤樣的實驗曲線與理論曲線相似度，統計結果見圖2。由圖2可見，本文方法所獲取煤炭開采臨斷層區煤樣理論曲線與實際曲線值極為相近，有效驗證本文方法所研究理論知識具有較高的有效性。

統計采用本文方法優化所獲取微震監測系統臺網監測數據，優化結果見圖3。由圖3可見，采用本文方法優化微震監測系統所獲取數值的水平定位誤差可控制在8 m以內，垂直定位誤差控制在8 m以內，驗證本文方法可滿足高精度的煤炭開采臨斷層區震源定位需求。微震監測系統臺網應隨著掘進和回采工作面的進尺增加而及時挪移或增設，確保微震監測系統臺網對礦震的定位精度。

圖2 理論曲線與實際曲線對比Fig.2 Comparison between theoretical curve and actual curve

從該礦區中隨機選取1個能量為1×103J～1×104J級別的礦震進行頻譜分析，波形記錄結果見圖4。由圖4可見，隨機選取的能量為1×103J～1×104J級別的礦震微震事件，信號持續時間約為0.3 s，信號衰減速度；從實驗結果的頻譜上可以看出，能量1×103J～1×104J的礦震頻率分布范圍廣，主頻在20～45 Hz之間。

不同能量級別下，微震信號所對應波形形態和頻譜特征存在較大差異，表1統計不同能量級別下微震信號波形和頻譜特征。由表1可知，能級越高的礦震波形持續時間越長，衰減越慢；礦震波形振幅越大時，所接收的測站越多。不同能量級別微震信號具有相應波形頻譜特征，波形振幅隨著釋放能量級別的提升而有所提升，持續時間越長，主頻越低；反之，波形振幅隨著釋放能量級別的降低而有所降低，震動持續時間越短，頻帶分布越寬，主頻越高。

圖3 定位誤差評價圖Fig.3 Evaluation diagram of positioning error

圖4 能量1×103 J～1×104 J波形形態和頻譜特征Fig.4 Energy 1×103 J - 1×104 J waveform shape and spectrum characteristics(a)微震信號速度-時間圖 (b)微震信號幅值-頻率圖

表1 不同能量級別下微震信號比較Table 1 Comparison of microseismic signals atdifferent energy levels

統計實驗礦區采用本文方法預測煤炭開采臨斷層區沖擊礦壓，2019年8月共31天煤炭開采臨斷層區微震監測數據統計結果見表2。由表2可見，在全礦監測煤炭開采臨斷層區共監測到有效礦震2992個，其中最大能量為7.55×104J，震動能量主要集中在0～1×102J與1×102J～1×103J之間，分別占礦震總數的41.61%與37.91%，說明全礦微震強度比較小，以小能量釋放的礦震事件為主，煤炭開采臨斷層區沖擊礦壓自然災害發生次數較少。

表2 礦震數據統計Table 2 Statistic result of mine earthquake data

統計該礦區2019年8月共31天期間礦震事件能量、震動頻次時間序列見圖5。由圖5可見，該礦區煤炭開采臨斷層區的礦震能量釋放主要集中在兩個時間段，分別是20：00至22：00、8：00至10：00。煤炭開采臨斷層區礦震頻度變化整體趨勢呈緩和曲線狀，峰值分別對應兩個能量釋放時間段。隨著采掘活動，礦震時刻存在，生產時礦震頻度明顯較交接班時增多，能量釋放也較檢修時增大。應力釋放存在滯后性，礦區停采后礦震頻度及能量釋放不會立即停止，存在一定的應力穩定調整時間。

圖5 煤炭開采臨斷層區礦震能量(a)與礦震頻次(b)Fig.5 Mine earthquake energy (a) and frequency of mine earthquake (b) near fault zone in coal mining

3 結論

將微震監測技術應用于預測煤炭開采臨斷層區沖擊礦壓中，分別從時序以及從空間上定量體現煤炭開采臨斷層區的沖擊危險狀態以及危險等級，并通過實驗驗證該預測方法具有較高的有效性。煤巖體受應力的影響，煤巖體應力越高，傳輸振動速度越大，說明礦井地質條件以及礦區的采掘活動影響礦震的活動規律，以上規律可較好體現沖擊礦壓礦震規律，不同礦區的開采強度、開采布置以及煤礦地質區域存在較高變化，同樣影響礦震規律變化，預測結果隨時間存在較大變化。通過持續的總結歸納礦震規律可精準預測煤炭開采臨斷層區沖擊礦壓。利用該方法所獲取微震監測系統臺網監測數據將水平定位誤差和垂直定位誤差控制在20 m和50 m以內，可滿足高精度的煤炭開采臨斷層區震源定位需求，確保微震監測系統臺網對礦震的定位精度。