王秀元,李少剛,王永仁

(1.神華神東煤炭集團石圪臺礦，陜西 榆林 719315；2.煤炭科學技術研究院有限公司安全分院，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學研究總院)，北京 100013)

1 微地震監(jiān)測技術及設備

1.1 微地震監(jiān)測技術簡介

巖體破裂時會釋放彈性波，通常頻率范圍在300 Hz以下的稱為微地震。巖體破裂所產(chǎn)生的震動信號，相對于較大尺度的巖體會呈現(xiàn)出高頻信號衰減迅速，低頻信號衰減緩慢的規(guī)律，所以拾取到的信號中以中低頻率為主。微地震監(jiān)測技術已在美國、澳大利亞、南非和波蘭等國得到廣泛的應用，自90年代引入國內(nèi)以來，除應用于礦山進行日常監(jiān)測外，還應用在對沖擊地壓、煤與瓦斯突出和透水等災害預測方面[1-6]。

1.2 KJ768微震監(jiān)測系統(tǒng)

KJ768煤炭微震監(jiān)測系統(tǒng)是實時監(jiān)測煤礦微震事件的計算機在線測量系統(tǒng)。系統(tǒng)將計算機監(jiān)測技術、數(shù)據(jù)通訊技術和傳感器技術融為一體。實現(xiàn)了復雜環(huán)境條件下對煤礦井下的微震事件變化情況的自動監(jiān)測和分析。

系統(tǒng)包括六個組成部分：1)計算機及數(shù)據(jù)處理軟件；2)GPS授時裝置；3)KJJ185礦用網(wǎng)絡交換機；4)KJ768-F礦用本安型監(jiān)測分站；5)配接傳感器；6)KDW127/12B礦用隔爆兼本安電源，如圖1所示。

圖1 KJ768煤礦微震監(jiān)測系統(tǒng)組成圖

2 微震系統(tǒng)應用方案

2.1 工作面

31201工作面長311.4 m，推進長度為1865 m，傾角1～3°，平均采高3.9 m，3-1煤與上層2-2煤層平均間距為38 m，上覆巖層以中粒砂巖、細砂巖和粉砂巖為主。

2.2 工作面布置方式

31201工作面共設測點81個，其中膠運順槽31個測點，回風順槽31個測點，主回撤通道4個測點，地面布設15個測點。系統(tǒng)共布置3個分站，其中工作面的膠運和回風順槽各1個分站，地面布置1個分站。井下每個分站配置8個通道拾振器，以滾動方式按測點向前移動；地面分站配置5個通道拾振器，整體移動3次完成15測點。

2.3 定位精度驗證

為計算微震波波速，于2014年02月26日12時13分在31201工作面放標定炮，裝藥量18 kg，材料為乳膠炸藥，表1為及微震監(jiān)測系統(tǒng)計算結(jié)果對比：放炮地點實際坐標為：(26377，64218，1096)。

從表1中可以看出，校驗誤差為：△X2=4.35，△Y2=18.37，△Z2=2.34。微震監(jiān)測定位精度可控制在平均8.35 m，可以滿足現(xiàn)場工作的需要。

表1 微震系統(tǒng)定位精度對比

3 微震監(jiān)測預警規(guī)律

根據(jù)2014年2月27日至2014年3月19日期間微震事件分布的數(shù)量和能量變化情況，總結(jié)出其中，3月3日為工作面3煤頂板發(fā)生了周期來壓，3月6日地面發(fā)生大范圍沉陷。

3月7日至15日工作面停采前，微震事件數(shù)量和能量共有4次達到了31煤頂板周期來壓的預警值，微震事件數(shù)量和總能量未發(fā)生突變。由于工作面3月15日停采，3月16日和3月17日的微震事件數(shù)量和能量都較小，但單個微震事件能量都較大，為5.0 E+04J，支架壓力為不斷下沉的上覆巖層自重。微震監(jiān)測結(jié)果與工作面支架阻力變化對比可知：工作面頂板來壓前，微震事件數(shù)量和總能量提前1～2天達到極大值或極小值，甚至發(fā)生突變，而且在此期間，工作面支架平均阻力不大，見圖2。

圖2 微震事件預警指標圖

基于此，綜合考慮工作面每日推進速度，給出了周期來壓和發(fā)生地面沉陷的微震事件數(shù)量指標預警值和能量指標預警值，分別為：

1) 3-1煤頂板發(fā)生周期來壓時，數(shù)量指標為15個，總能量指標為4.0E+105J；

2) 2-2煤頂板發(fā)生來壓時，數(shù)量指標為30個，總能量指標為8.0E+105J。

4 動載礦壓預測預報

2014年4月21日微震事件數(shù)量為30個，總能量為1.3E+06J，微震事件分布如圖3(1)所示，微震事件分布于工作面超前170 m左右范圍，根據(jù)微震監(jiān)測系統(tǒng)設定的能量及數(shù)量指標，超過了2-2煤頂板巖層來壓的預警值，預計當日中夜班生產(chǎn)時面臨動載礦壓危險，如圖3(1)所示。

4月22日中班22:45左右，工作面22煤頂板巖層發(fā)生大范圍斷裂下沉，誘發(fā)動載礦壓發(fā)生，表現(xiàn)為第58#、67#和68#支架下縮大于1000 mm，剩余行程不足300 mm， 25#-75#支架、95#-113#支架壓力大部分超過450 bar，最大490 bar，地表超前工作面130 m內(nèi)左右發(fā)生沉降(最大下沉相對值1637 mm)，范圍基本與微震系統(tǒng)預測區(qū)域一致，如圖3(2)所示。

5 結(jié)語

1) 量化了微震事件的能量與數(shù)量，提出了適用于31201工作面動載礦壓的微震預測指標；

2) 31201工作面微震監(jiān)測時間表明，微震事件的能量和數(shù)量與頂板的活動有密切的關系，可以對動載礦壓進行準確預測預報；

3)KJ768微震監(jiān)測系統(tǒng)為動載礦壓事故的預測預報提供了一種有效手段，保障了礦井的安全高效生產(chǎn)。

[1] 楊承祥,羅周全,唐禮忠.基于微震監(jiān)測技術的深井開采地壓活動規(guī)律研究[J].巖石力學與工程學報, 2007, 26(4):818-824.

[2] 汪華君,姜福興,成云海, 等.覆巖導水裂隙帶高度的微地震監(jiān)測研究[J].煤炭工程, 2006(3): 74-76.

[3] 陸菜平,竇林名,吳興榮,等.煤巖沖擊前兆微震頻譜演變規(guī)律的試驗與實證研究[J].巖石力學與工程學報, 2008,27(3): 519-525.

[4] 趙興東,唐春安,李元輝,等.基于微震監(jiān)測及應力場分析的沖擊地壓預測方法[J].巖石力學與工程學報, 2005,24( 增刊 1): 4745-4749.

[5] 苗小虎,姜福興,王存文,等.微地震監(jiān)測揭示的礦震誘發(fā)沖擊地壓機理研究[J].巖土工程學報, 2011, 33(6): 971-976.

[6] 姜福興,XUN Luo,楊淑華.采場覆巖空間破裂與采動應力場的微震探測研究[J].巖土工程學報, 2003, 25(1): 23-25.