基于微震監測的上覆巖層裂隙帶分布規律研究

陳建國 周鴿

（四川川煤華榮能源有限責任公司，四川廣安 638507）

0.引言

隨著礦井開采的深度與力度不斷加深，工作面以及采空區由于巖體失穩造成一系列災害，如透水，煤與瓦斯突出，頂板冒落等，對煤礦生產工作造成很嚴重的安全問題。微震監測技術是有效巖體穩定性監測預警的一種方法。本文結合四川南二井微震監測數據，采用YTZ-(3)B監測系統定位方法，根據現場安裝采集儀可對捕獲到的微震信號進行采集和記錄，主機可對采集到的微震信號進行查看分析和處理，為礦井采空區的微震監測定位提供參考與指導[1]。

1.工程概況

四川南二井位于四川省鄰水縣壇同鎮、椿木鄉，2004年4月6日開工建設，2015年6月正式投產。設計生產能力30萬t/a，核定生產能力30萬t/a。礦井開采龍潭組K1煤層，煤質以瘦煤為主，3103南工作面斜長127m～142m，開切巷實際142m，平均傾斜長135m；運輸巷長1236m，回風巷長1196m，可推進長度1200m。煤層平均傾角48°，最大傾角49°，最小傾角46°。工作面斜面積160650m2，地質儲量55.42萬t，可采儲量52.65萬t。礦井瓦斯涌出量測定：絕對瓦斯涌出量28.26m3/min，相對瓦斯涌出量43.78m3/t，絕對二氧化碳涌出量7.56m3/min，相對二氧化碳涌出11.71m3/t[2-4]。

2.微震監測原理

煤巖體受外界因素影響而發生微破裂，微破裂逐漸聚集，相互貫通，形成裂隙；微破裂發生時，會釋放出彈性波，形成一個微震事件。彈性波產生后，在周圍煤巖介質中傳播，利用微震監測系統，將彈性波進行識別、捕獲和采集，并對彈性波進行處理和分析，進而可對微震事件（微破裂）位置進行三維空間定位。根據微震事件的空間分布情況，可分析得出裂隙的分布狀態、演化過程和趨勢等[5-6]。

3.YTZ-3(B)型微震監測系統

3.1 系統原理

微震監測系統的關鍵組成包括傳感器、采集儀和主機3大部分。傳感器可識別并捕獲煤巖體破裂產生的彈性波，采集儀可對捕獲到的微震信號進行采集和記錄，主機可對采集到的微震信號進行查看、分析和處理。YTZ-3(B)型微震監測系統，硬件部分主要由采集儀、傳感器和電纜線等部件組成；軟件部分主要包括采集儀配置軟件、數據解編軟件和數據顯示處理軟件[7-8]。

3.2 微震監測技術可行性分析

獲取常規的煤與覆巖的方法無法高效與每一個部分的煤與覆巖應力，應變以及位移發展情況，無法得到煤與覆巖裂隙地主要特征及其本質。導致在礦山作業過程中，人員無法進入危險的采空區進行檢測。由此微震監測技術的誕生解決了這一問題，對采空區進行全天候，高精度，實施狀況的檢測，從而可以對煤與覆巖由于應力產生的裂隙的初始階段到后期覆巖斷裂產生的能量大小、時間、位置進行準確的得出[9-11]。

4.現場監測

4.1 傳感器安裝方案

該工作面共布置4臺采集儀、12個傳感器，在3103南運輸巷和3103南回風巷分別布置2臺采集儀和6個傳感器，其中每臺采集儀配備3個傳感器，首次布置傳感器超前工作面50m，傳感器間距50m。

傳感器布置在煤幫上，采用錨桿連接安裝法，如圖1所示，傳感器通過傳感器轉接頭與錨桿連接，錨桿相當于傳感器尾椎，利于接收微震信號。

圖1 檢波器—錨桿安裝方法

4.2 監測數據處理

本次監測采用的儀器為YTZ-3(B)型微震監測儀。數據處理過程如圖2所示。

圖2 數據處理過程

4.2.1 數據下載

當數據采集儀由井下取出后，數據收集人員及時下載采集儀中數據。通過數據采集儀的網絡接口與電腦相連，登錄數據采集儀，完成數據下載。由于數據量十分龐大，需使用專用的大容量移動硬盤存儲。收集的微震數據如圖3所示。

圖3 微震數據文件

4.2.2 數據解編

由于采集儀同時記錄三個通道數據，所下載的原始數據文件中，同一道記錄的相鄰參數值相距很遠，處理起來很不方便。這時就需要數據重排，也稱為解編。就是為了便于后面的處理工作，將數據格式化改變成按道分時的數據格式，使得同一道采集的數據放在一起。數據解編采用YTZ-3(B)專用的數據解編軟件完成，如圖4所示。

圖4 微震數據解編

4.2.3 事件識別

由于采煤工作面周邊干擾大，每個工作班識別出的事件數據達數千個，絕大多數都是無用信號，有用信號的選取需要人工識別和挑選，如圖5所示。

圖5 微震事件識別

4.2.4 位置解算

YTZ-3（B）系統軟件有定位計算功能，將人工識別挑選的事件數據導入到系統中，系統自動完成信號發生時刻計算，并解算出震源坐標和能量值。

5.監測結果分析

在微震監測系統中，對于采空區覆巖裂隙演化形成過程進行24h的無間斷監測，尤其對采空區的微震活動進行分析。通過采集相關微震活動波形圖，坐標位置和能量大小來研究采動裂隙場的形成過程和采空區“三帶”的分布狀況[12-13]。

選取典型的主要在8月初監測到的微震波形。信噪比比較高，波形質量較好。由于礦井采空區很難構建精準的波速模型，微震監測臺網覆蓋范圍較小，不考慮巖體各向異性帶來的波速不均勻影響，通過微震監測系統主動震源技術得到單一速度范圍在1000m/s～5000m/s。經過數據處理，識別出的有效事件發生地點在采空區位置如圖6所示。

圖6 采空區微震事件平面分布

利用以上得到的微震源位置坐標，可建立微震源位置與煤層相互位置關系。得出震源點距煤層的垂直距離。計得較大典型微震事件發生最大高度為34.2m，最小高度為6.8m，平均高度為23.6m。

6.結論

利用微震監測技術，對采空區上覆巖層微震活動進行了監測，得出較大典型微震事件發生最大高度為34.2m，最小高度為6.8m，平均高度為23.6m，即冒落帶高度為6.8m，裂隙帶高度為34.2m。