微震監測系統在預測桃山煤礦沖擊礦壓中的應用

曲宏偉

（七臺河礦業精煤集團有限責任公司桃山煤礦，黑龍江 七臺河 154600）

煤礦沖擊礦壓災害是一種開采誘發的礦山地震，不僅造成井巷破壞、人員傷害、地面建筑物破壞，而且會引發瓦斯、煤塵爆炸，嚴重威脅煤礦的安全生產。由于這種災害發生的時間、地點、震源等具有復雜多樣性和突發性，對其針對性的預測是世界性難題。微震監測技術在國外的深井礦山得到了廣泛應用，并取得了較好的研究成果，已成為地壓監測及礦山安全管理的重要手段，在國內應用則相對較少。

本文以波蘭SOS微震監測系統在桃山煤礦的安裝應用為研究背景，介紹微震監測系統建設，探求薄煤層礦井微震波形的頻譜特征，微震活動與工作面回采過程相對應，研究礦震活動規律，對沖擊破壞事件進行分析，研究破壞前后微震能力頻次的變化趨勢，從而預測預報礦井沖擊礦壓，為后期生產安全提供保障，也為其他煤礦應用微震監測技術提供借鑒。

1 礦井概況

七臺河礦業精煤(集團)有限責任公司桃山煤礦建井時間早，開采時間長，經多次技術改造和建設，2003年核定生產能力118萬t/a。礦井地表呈丘陵地貌，南高北低，平均海拔+200m，目前主要開采-400m水平，開采深度較大。可采煤層層位多，現主要開采68層、79層、85層、93層，采取片盤斜井群開采，巷道布置復雜。井田范圍內，褶曲、斷層等構造較發育。薄硬煤層、堅硬厚頂板、大傾角是其明顯的特點。桃山煤礦2005年5月份發生第1次沖擊礦壓，隨著開采深度的逐年增加，礦井深部壓力顯現日趨明顯，發生多次沖擊礦壓現象，并且沖擊礦壓發生次數和強度都有明顯增加趨勢。2009年4月，桃山煤礦與中國礦業大學合作，安裝了波蘭礦山研究總院采礦地震研究所設計制造的SOS微震監測系統，對井下微震活動進行實時監測。

2 SOS微震監測系統工作原理

SOS微震監測系統主要由井下、井上硬件以及處理軟件等3大部分組成，于井下、井上兩個空間相互配合形成一個完整的系統進行工作。

DL M-SO采集站與DL M2001檢波測量探頭配合工作共同實現對微震信號的監測、傳輸和采集。檢波測量探頭通過避雷設備串聯連接到采集站上，采集站經礦井電纜分別向每個檢波測量探頭提供本質安全供電電壓，檢波測量探頭則將微震物理信號轉置形成電流調制信號，經礦井電纜傳輸至采集站，傳輸線中的電流大小由二極管控制。在信號傳輸過程中，主要電纜噪音可通過有可控開關的50Hz帶通濾波器消除。在采集站內，本質安全型信號和非本質安全型信號隔離，通過運算放大器和2個傳輸器將電流調制信號準確復制，并轉換為相應的電壓信號。檢波電路中的各電壓信號進一步傳輸到濾波器中進行濾波處理，處理后信號的幅頻響應便可確定，經過輸出放大電路實現1～10倍的信號放大處理，最后輸出至AS-1 Seisgram信號記錄儀，對微震信號進行記錄和保存。AS-1 Seisgram信號記錄儀是基于內嵌多通道A/D轉換卡的計算機設計，該設備能連續自動地探測、采集和記錄從DLM-SO采集站獲取到的微震數據，有助于對沖擊礦壓危險狀態進行分析和評估，通過局域網與數據后處理計算機連接使用。

3 微震活動監測與分析

桃山礦開采煤層頂底板均為粗到細砂巖，頂底板中地震波傳播條件好，衰減較慢。SOS微震監測系統自2009年4月17日正常監測以來，共接收到超過10000個有效震動，包含104 J及其以下各能級的礦震事件。從震動結果分析來看，微震監測系統監測質量較好，能夠對-0.2級以上的礦震進行準確定位和能量計算。

3.1 85#左三片工作面微震活動監測

85#層煤0.9 m厚，構造簡單，傾角23°，開采深度大，約740 m。后退式走向長壁采煤方法，高檔普采工藝，全部垮落法管理頂板。2009年6月25日開始回采到2010年3月28日，85左三片工作面共觀測到有效震動1163個，礦震分布較為密集，礦震能級較大。85左三片礦震活動較為典型，分析85左三片礦震活動特點能夠較好的掌握桃山煤礦礦震規律。

3.1.1 從礦震能級構成和發生次數分析，該面礦震事件發生頻繁，礦震能級較高，104 J大震動較多。

3.1.2 85左三片工作面礦震分布隨工作面的回采逐步推進，工作面在進行回采期間，人工開采活動破壞了采場周圍原巖應力場的平衡狀態，使得高地應力發生轉移和重新分布，并可能在某處產生地應力的疊加集中，誘使微震活動在工作面回采時間段內頻繁發生。

3.1.3 85左三片工作面礦震能量及次數呈現周期性，具分形特征，工作面開采過程中有2次能量釋放高峰期：2010年1、2月份工作面處在上方護巷煤柱影響區內。

3.2 沖擊礦壓事故分析

79左六片煤層產狀穩定，厚1.37 m，傾角 22°，開采深度為 630－670 m，面長 186 m。主要用后退式走向長壁采煤法，高檔普采工藝，全部垮落法管理頂板。2010年3月27日12:38時，79左六片工作面過上層煤柱影響區域期間，工作面上巷附近因采空區懸臂頂板斷裂誘發沖擊礦壓事故。沖擊區域為工作面上出口向下6－22 m范圍，震感明顯，拋出煤量30 t，上巷下幫推倒6棵液壓支柱。沖擊釋放7.8×104J能量。結合現有地質資料，分析可知，79左六片上順槽3.27沖擊礦壓的發生主要受開采深度大、上層遺留煤柱、臨近采空區和瓦斯壓力等因素影響。3.27沖擊發生前后79左六片日震動能量對數、次數變化趨勢如圖1所示。

圖1 日震動能量對數、次數變化趨勢

礦震每日釋放能量和震動次數變化與強礦震發生的時間有較好的規律性，能量、次數持續攀升或持續下降預示著將有沖擊危險，沖擊危險的強弱則與持續的時間相關，持續時間越長沖擊危險性越高。

4 結論

4.1 桃山煤礦建立的SOS微震監測系統，可實現對礦井包括沖擊礦壓在內的礦震信號進行遠距離（最大10k m）、實時、動態、自動監測，給出沖擊礦壓等礦震信號的完全波形。監測系統運行一年多來對拾取事件波形的分析與處理結果表明，SOS微震監測系統監測質量較好，能夠對能量＞26 J的礦震準確定位和能量計算，對增加煤礦開采量和保證煤礦生產安全等具有重要使用價值。

4.2 不同能量級別的微震信號所對應的波形形態和頻譜存在著不同的特征，能量越高，震幅越大。

4.3 沖擊礦壓不是突然發生的，能量、次數持續攀升和持續下降則將有沖擊危險，且持續時間越長沖擊危險性越高。