礦內-礦間微震監測技術研究

辛崇偉，姜福興，樊 碩，魏向志，張立明

(1.北京科技大學 土木與資源工程學院，北京 100083；2.北京安科興業科技股份有限公司，北京 100083；3.義馬煤業集團股份有限公司，河南 義馬 472300)

微震(MS)是指由巖石破裂或流體擾動產生的微小震動[1，2]。在微震監測過程中根據監測范圍的不同分為區域微震、全礦微震和礦間微震。區域微震和全礦微震的監測范圍分別對應井田內的某一重點區域和全礦井；礦間微震是為了提高井田邊界的監測能力，相鄰礦井在礦內微震的基礎上進行的聯合監測。

煤礦的傳統監測方法大多采用巷道或工作面表觀變形特征作為監測對象，難以得到煤礦巷道或工作面動力災害預測所必需的信息。作為一種動態時空監測方法，微震監測技術能夠及時發現煤巖體內部破裂[3]。利用煤巖體內部破裂產生的微震活動，以動力顯現前的微震前兆信息作為失穩判據，監測煤礦沖擊地壓的產生。20世紀40年代美國礦業局就應用聲發射技術來監測采場的冒頂，片幫等災害[4]。此后，國內外學者開始應用微震監測技術研究煤礦井下煤巖體破裂的活動規律，上覆巖層破壞規律，沖擊地壓、煤礦突水、煤與瓦斯突出等煤巖動力災害監測等方面取得大量的成果[5-11]。我國煤礦間的微震監測系統相互獨立，使得各礦為了提高監測精度和監測范圍必須增加微震傳感器的數量，但微震監測臺網受制于本礦的巷道分布導致無法實現井田邊界覆蓋。隨著我國煤礦開采深度和強度的增加，多個礦區出現了礦間開采擾動引起的動力顯現，但市場上并無礦間微震監測系統，因此研發了礦間微震監測系統。

1 礦內-礦間微震原理及系統組成

早在20世紀40年代美國礦業局開展的研究中發現，應力作用下的巖石會發射可探測的地震能，其發射率隨應力值的增大而提高[12]。一般來說，聲發射速率的增長超前于巖石破裂。根據震動波到達多個震動傳感器的時間差可確定震中位置。

礦內-礦間微震監測系統主要包括兩套KJ551全礦微震監測系統和礦間微震的數據處理系統兩個部分，為了保證兩套礦內微震監測系統的同步性，本系統采用GPS授時實現多節點時間同步。系統包括微震傳感器、通信電纜和光纜、信號采集系統、微震信號處理系統等。在常村煤礦和躍進煤礦分別安裝11和9個微震傳感器，可在監測礦內回采造成的微破裂的同時，監測常村和躍進礦井邊界煤巖體的破裂。井下的信號通過電纜和光纜傳輸到地面微震主機，實現礦內微震信號的分析處理。礦內微震系統主機實時存儲井下通過光纖傳輸的震動信號，以云傳輸方式將兩個套礦內微震系統的數據進行共享。利用礦間微震監測處理系統，在單獨監測某一礦井的微震信息的同時，將兩個礦的信號整合分析，實現礦井邊界區域的巖層斷裂的監測。

2 工程背景

根據義煤集團采掘安排，常村煤礦21162工作面和躍進煤礦23092工作面同時回采，可能會對礦井邊界區域產生擾動。義馬煤田煤層頂板礫巖厚度大、巖性堅硬、完整性好、抗變形能力強，為彈性能的大量積蓄提供了條件。為了避免事故發生，礦內-礦間微震監測系統安裝于常村和躍進煤礦井田邊界的21162和23092工作面，兩個工作面的開始回采時間分別為2018年10月和2018年5月。躍進煤礦與常村煤礦邊界區域的工作面回采情況如圖1所示，躍進煤礦23092工作面和常村21162工作面中間全部為采空區或煤柱，礦內-礦間微震傳感器將在該兩個工作面布置測點，對23092工作面和21162工作面開采對井田邊界及采空區進行實時監測。通過布設礦內-礦間微震監測系統，對采集到的微震事件進行分析研究，利用人工爆破標定試驗進行礦內微震和礦間微震的定位誤差分析并確定彈性波在義馬煤田煤巖體中的傳播速度。

圖1 常村躍進煤礦井田邊界區域開采情況

3 臺網布設及優化

研究表明，微震臺網的監控能力和定位精度主要取決于臺站的密度、幾何布局、臺站的時間服務精度等諸多因素[13]。臺網布設方式將直接影響礦內-礦間微震監測系統的定位精度。下面將介紹當前臺網布設方式及現場定位精度誤差，并通過微震誤差標定檢驗臺網的可靠性。

3.1 臺網布設方式

綜合兩個礦井內的生產實際與礦井間的相互位置，最終確定礦內-礦間微震監測臺網的布設方式。躍進煤礦微震監測系統共布置9個測點，23采區軌道下山3個，23092工作面6個，兩條工作面回采巷道的傳感器交叉布置；常村煤礦微震監測系統共布置測點11個，21采區下山5個，21162工作面6個，兩條工作面回采巷道的傳感器交叉布置，間距約為300m。具體布設位置如圖2所示。

圖2 微震臺網布設方案

3.2 定位誤差數值模擬分析。

Kijko基于D值最優設計理論提出設計微震臺網的方法[14，15]。D值理論認為震源參數協方差矩陣行列式大小正比于誤差橢球體體積，行列式越小，橢球體體積越小，震源參數分布越集中，參數估計就越準確。根據D值最優設計理論對礦內和礦間微震臺網布設結果進行礦內-礦間微震監測系統定位誤差數值模擬，結果如圖3所示。

圖3 震中定位誤差理論計算結果

由定位誤差數值模擬計算結果可以看出，常村煤礦和躍進煤礦的礦內微震在本工作面的定位精度較高，其他區域定位精度明顯降低。但是礦間微震在兩個工作面及井田邊界區域定位精度平均提高2～5倍。

3.3 系統工作狀態標定

在常村煤礦21162回采工作面及躍進煤礦23093回采工作面各進行兩次標定爆破，爆破位置與礦內微震定位結果見表1、表2。

表1 常村煤礦微震監測系統標定結果

表2 躍進煤礦微震監測系統標定結果

采用人工定位爆破檢驗微震監測系統的震源定位精度，結果表明礦內微震監測系統的定位誤差小于15m，反映出礦內微震監測系統在礦井內的性能良好、微震傳感器空間布置合理，能夠滿足礦山微震監測的需要。

為驗證礦間微震的可靠性，根據工程條件，于2019年3月6日與2019年3月11日分別在原21220綜放工作面運輸巷進行兩次定位爆破。爆破方案如圖4所示，具體爆破位置坐標見表3。

圖4 礦間微震人工爆破位置

表3 人工爆破點位置

表4 礦內與礦間微震定位坐標

由21220綜放工作面運輸巷道進行的兩次人工定位爆破結果中可以看出，躍進煤礦僅有兩個微震傳感器接收到該人工爆破的信號，但未能對人工爆破事件進行定位。常村煤礦礦內微震監測結果顯示兩次爆破的定位誤差均超過40m，誤差較大。在利用礦間微震進行定位后明顯看出，礦間微震對兩次人工定位爆破的定位精度明顯比常村礦內微震的定位精度高，兩次定位誤差均小于20m。

上述人工爆破標定表明，在不增加微震傳感器的情況下，利用礦間微震監測系統可以定位到更多、更準確的微震事件，提高了礦井的監測精度和監測范圍，尤其對于本礦的巷道分布無法實現覆蓋或監測精度較低的井田邊界區域具有良好的效果。

4 高位覆巖破裂位置研究

義馬煤田巨厚礫巖頂板特厚煤層開采相互干擾條件下，利用礦間微震監測范圍廣、監測精度高等優點，對井田邊界區域的巨厚礫巖上覆巖層進行有效監測，通過對井田邊界上覆巖層破裂產生的微震事件進行分析，研究巨厚礫巖上覆巖層冒落發育高度及對工作面可能產生的影響。

4.1 井田邊界覆巖空間結構

通過分析特厚煤層井田邊界煤柱區域覆巖空間結構，研究井田邊界上覆巖層的空間破裂過程。特厚煤層井田邊界煤柱區域覆巖空間結構如圖5所示。覆巖空間結構存在高位巖層結構和低位巖層結構，低位巖層隨著回采的進行而垮落，高位巖層結構中存在尚未斷裂的堅硬巖層。當新的工作面開始回采，高位堅硬巖層尚未斷裂的井田邊界區域受工作面回采擾動，高位覆巖出現離層和斷裂，巨厚礫巖的斷裂將釋放大量能量，能量的沖擊可能會對巷道及工作面安全產生影響[16]。

圖5 井田邊界煤柱高低覆巖空間結構

4.2 微震空間分布規律

礦間微震事件的空間分布規律對研究躍進煤礦和常村煤礦井田邊界巨厚礫巖上覆巖層破裂集中區的發育高度有重要作用。以2018年12月1日～2018年12月31日的礦間微震數據為例，重點針對躍進煤礦23092回采工作面和常村煤礦21162回采工作面之間的采空區微震定位結果進行分析。躍進煤礦和常村煤礦礦間微震事件平面和剖面分布如圖6(a)～(b)所示，圖中圓球代表微震事件。從圖中可看出，12月份礦間微震在共接收到礦間微震事件36個，其中超過104J的大能量事件為13個，但礦內微震接收到的該區域的微震事件分別為9個和7個，由于常村煤礦21220工作面開采時間為2015年12月～2018年4月，上覆巖層未完全穩定，導致多數微震事件發生于常村煤礦21220采空區靠近井田煤柱的一側，最上方的微震事件約在煤層上方300m處，大能量事件主要集中在工作面上方140-300m之間。根據現場地質條件，大能量事件發生區域為巨厚礫巖層。

圖6 微震事件定位結果

為了有效的驗證礦間微震監測空間分布規律的合理性，利用FLAC3D模擬軟件建立數值模型，模擬兩個目標工作面開采對井田邊界上覆巖層的影響。

按照圣維南原理，一般研究區域選開挖尺寸的3～5倍較為合理，既能滿足求解精度要求，又可以滿足計算速度要求。因此，本數值計算模型尺寸為1000m×1000m×900m，單元格數量192500個，根據現場實際地質條件共分為8個地層，其中煤層組又分為未開采部分、采空區和回采工作面三個部分。義馬煤田地層傾角一般為6°～25°，常村-躍進煤礦區域的煤層平均傾角12°，數值模型中煤層傾角設置為12°；煤層直接頂板一般為泥巖，厚度約為22m，之上為中侏羅統馬凹組，為砂礫巖-泥砂巖互層，平均厚度166m。再向上為發育到地表或接近地表的上侏羅統巨厚礫巖層。2-1煤層及2-3煤層厚度變化較大，2-1煤層厚度0～8.15m，平均4m左右，2-3煤層厚度0～21.86m，平均厚度約為8m，為了簡化模型，在模型中煤層厚度設置為12m。

首先開挖常村煤礦及躍進煤礦的采空區，利用有限差分法計算平衡后再開挖常村煤礦21162回采工作面和躍進煤礦23092回采工作面的已回采部分，得到工作面開挖前后的井田邊界的塑性區分布如圖7所示。

圖7 塑性區分布

由圖7可知，兩工作面開采之前上部塑性區高度約180m，兩工作面開采后上部塑性區高度約為270m，數值模擬得到的井田邊界上覆巖層塑性區分布與礦間微震監測系統監測到的數據基本一致。由此可知，數值模擬結果與微震監測結果基本吻合，證明了微震監測結果的可靠性。

4.3 井田邊界微震事件分析

從礦間微震事件定位平面圖和剖面圖可以看出，微震事件主要集中在井田邊界上方，大能量事件主要分布在工作面上覆巖層較高位置，且大能量事件占總事件數的比例高達36%，從常村煤礦和躍進煤礦的礦內微震數據可以看出，兩套礦內微震系統監測的井田邊界的微震事件均不超過10個。由此可知，礦間微震對井田邊界煤巖體破裂產生的震動接收能力強。

由2018年12月份的礦間微震數據可知，21220工作面靠近井田邊界的一側，其上覆巖層隨常村煤礦21162工作面和躍進煤礦23092工作面的開采而冒落高度逐漸增高，具體表現為上覆巨厚礫巖的離層和斷裂。巨厚礫巖的斷裂往往造成大的能量釋放，如果巷道或工作面處于沖擊的臨界狀態，則巨厚礫巖的斷裂可能導致沖擊地壓的發生，因此需要特別注意井田邊界大能量事件的發生。

5 結 論

1)礦間微震系統在井田邊界區域利用的微震檢波器數量更多，可定位到更多的微震事件。

2)礦井邊界區域位于礦間微震監測系統臺網內，監測精度較礦內微震監測系統更高。

3)礦間微震監測手段在常村-躍進煤礦井田邊界取得良好的監測效果。

4)礦間微震對義煤集團井田邊界高位覆巖運動監測發現，微震事件主要集中在21220采空區后方的邊界煤柱附近，且在高位覆巖中出現較多的大能量事件。