微震監(jiān)測(cè)在煤巖層突水預(yù)測(cè)的應(yīng)用研究

倪 飛 李全宇 劉亞磊

(河南神火集團(tuán) 劉河煤礦，河南 永城 476600)

1 引言

煤層底板突水是威脅礦井安全生產(chǎn)的重大隱患。開采過程中煤層底板突水，對(duì)煤礦的正常生產(chǎn)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。近些年來(lái)，隨著礦井開采深度不斷加深，礦井突水問題更顯突出［1］。研究表明，煤層底板含水情況、水壓以及底板隔水層厚度等是底板突水的主要影響因素。目前，對(duì)礦井突水預(yù)測(cè)已經(jīng)有了初步的研究，例如才用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和聲發(fā)射技術(shù)對(duì)煤巖層突水進(jìn)行預(yù)測(cè)［2］。但是，預(yù)測(cè)的可靠程度與實(shí)際情況存在很大的差距。

作為一種新的預(yù)測(cè)手段，微震監(jiān)測(cè)技術(shù)具有非常廣闊的應(yīng)用前景。微震定位監(jiān)測(cè)與傳統(tǒng)的技術(shù)相比較，它主要的特點(diǎn)包括動(dòng)態(tài)性、三維性以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等等。此外，我們可以對(duì)震源情況進(jìn)行分析，掌握破裂的尺度與性質(zhì)。它可以為煤層底板破裂形態(tài)提供更多的參考，并為采煤動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)分布提供了一些新的方法。

2 微震監(jiān)測(cè)技術(shù)的原理

2.1 監(jiān)測(cè)原理

微震監(jiān)測(cè)技術(shù)堅(jiān)持的主要原理是:由于應(yīng)力作用，巖石就會(huì)發(fā)生破壞，這時(shí)就會(huì)產(chǎn)生一定的聲波與微震現(xiàn)象。在采動(dòng)區(qū)頂板與底板中放置一些檢波器，主要作用是收集微震的數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過分析處理，根據(jù)震動(dòng)定位的原理然后就可以發(fā)現(xiàn)破裂的位置，然后在三維空間上表示出來(lái)。微震檢測(cè)技術(shù)主要可以分為三個(gè)類別:第一個(gè)類別主要是在大范圍的檢測(cè)區(qū)域內(nèi)以厭食震動(dòng)為主的系統(tǒng)，頻率在一百赫茲以上的振動(dòng)，關(guān)鍵點(diǎn)為測(cè)震，定位要精確到一百至五百米。第二個(gè)類別的系統(tǒng)主要為監(jiān)測(cè)工作附近的一些巖層振動(dòng)，頻率在二十到三百赫茲，關(guān)鍵問題在于巖層破裂，定位的時(shí)候要精確到五米至十米。第三個(gè)類別主要為小范圍的巖層破裂系統(tǒng)，頻率主要在三百赫茲以上。

根據(jù)相關(guān)研究表明，巖體在破裂之前，一定會(huì)持續(xù)相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間，在這段時(shí)間中會(huì)釋放出很大的能量。而這些能量的強(qiáng)度由于結(jié)構(gòu)的變化也開始改變，不管是什么樣的聲發(fā)射與微震，其中的巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)已經(jīng)出現(xiàn)了巨大的變化。所以，我們分析和處理得到的相關(guān)信號(hào)，可以對(duì)巖體穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)和判斷。所以，我們可以根據(jù)巖體發(fā)聲與微震的特性來(lái)檢測(cè)巖體的穩(wěn)定性情況，這樣才能避免巖體出現(xiàn)塌方、滑坡以及冒頂?shù)痊F(xiàn)象。

不管是聲發(fā)射還是微震現(xiàn)象都說(shuō)明了巖體穩(wěn)定性是非常復(fù)雜的，我們通過對(duì)聲發(fā)射與微震進(jìn)行檢測(cè)，可以根據(jù)信號(hào)的波形判斷和預(yù)測(cè)巖體的穩(wěn)定性變化以及其中的其他信息。

聲發(fā)射與微震信號(hào)的特點(diǎn)主要根據(jù)巖體、震源以及監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置等進(jìn)行確定。基本參數(shù)與巖體穩(wěn)定性有密切的關(guān)系，它反應(yīng)的是巖體破環(huán)以后的基本狀況。而事件率和頻率的變化主要表現(xiàn)的是巖體的形態(tài)變化以及破壞過程;振幅與能率的變化主要體現(xiàn)的是巖體形態(tài)變化與破壞的范圍大小。當(dāng)巖體比較穩(wěn)定的時(shí)候，事件率、頻率等參數(shù)都是比較小的，變化也不明顯。但是如果受到外界干擾，巖體就會(huì)出現(xiàn)破壞，微震活動(dòng)變得越來(lái)越激烈，事件率、頻率等都會(huì)變得很高，在沖擊地壓出現(xiàn)以前，微震活動(dòng)開始明顯增加，在將要發(fā)生沖擊低壓的時(shí)候，微震活動(dòng)頻數(shù)卻慢慢減少。巖體內(nèi)部的應(yīng)力開始慢慢平穩(wěn)下來(lái)，數(shù)值也開始慢慢降低。

震源周圍需要放置一些傳感器，并且組成傳感器的陣列，一旦監(jiān)測(cè)體中有聲發(fā)射與微震出現(xiàn)的時(shí)候，傳感器就可以接收到信號(hào)，然后將這些信號(hào)轉(zhuǎn)化成電壓量或者是電荷量，在不同的點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集可以對(duì)接受信號(hào)的時(shí)間段進(jìn)行測(cè)定，與各個(gè)傳感器坐標(biāo)、所得到的波速等一起進(jìn)行計(jì)算，也就是計(jì)算出聲發(fā)射源的時(shí)空參數(shù)，最后才能對(duì)其進(jìn)行定位。

2.2 微震監(jiān)測(cè)的定位原理

巖體在出現(xiàn)聲發(fā)射和微震的時(shí)候，我們只能知道傳感器的坐標(biāo)，還有接收到信號(hào)的時(shí)間，對(duì)于聲發(fā)射與微震的發(fā)生位置和時(shí)間是難以確定的。假設(shè)震源的位置坐標(biāo)為(x，y，z)，發(fā)生微震的時(shí)間為t，在第i 個(gè)傳感器的坐標(biāo)為(xi，yi，zi)，傳感器所檢測(cè)到的時(shí)間為t，聲波傳播的平均速度為v，那么，在震源與第i 個(gè)傳感器之間的走時(shí)方程為:

這里的m 主要表示的是接收到傳感器的個(gè)數(shù)，(x，y，z，t)主要表示的是震源的時(shí)間、空間參數(shù)。這一方程主要為非線性系統(tǒng)，如果要直接求解是比較困難的，因此，我們需要用一線性系統(tǒng)來(lái)代替這一系統(tǒng)。

3 微震監(jiān)測(cè)精度的影響因素分析

能否將監(jiān)測(cè)的結(jié)果應(yīng)用到采礦工程中去，主要是看微震定位監(jiān)測(cè)的精準(zhǔn)度是否能夠得到要求，對(duì)精準(zhǔn)確產(chǎn)生影響的所有因素都進(jìn)行分析能夠較好的控制其中容易產(chǎn)生誤差的因素，將能夠有效提高定位的精準(zhǔn)度。影響定位監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)度的因素主要有開采、地質(zhì)、測(cè)站等等方面。

(1)開采方面的因素對(duì)定位精度錯(cuò)產(chǎn)生的影響主要是在開采之后所引起的地層離層以及所行成的采空區(qū)，在進(jìn)行微震監(jiān)測(cè)的時(shí)候一定要避開這些區(qū)域。否則，監(jiān)測(cè)目標(biāo)區(qū)與傳感器之間一旦存在著采空區(qū)或者是離層，那將會(huì)加大程度的降低測(cè)量的精度。

(2)地質(zhì)因素對(duì)定位精度所產(chǎn)生的影響主要是指，煤系地層通常都比較軟，所以為了能夠提高信號(hào)的質(zhì)量，應(yīng)該要盡可能將檢波器放置在比較堅(jiān)硬的巖石層中;另外，還需要將檢波器控制在同一個(gè)巖層中，讓波能夠穿過相同的地層，這樣才能夠減少將地層看作是同樣均勻的速度場(chǎng)所產(chǎn)生的誤差。

(3)測(cè)站對(duì)定位精確度產(chǎn)生的影響主要是包括對(duì)檢波器的分?jǐn)?shù)量、間距、空間性以及剪破其余破裂去相對(duì)位置的影響。為了能夠降低由于波傳播的方向與檢波器的方向不一致所出現(xiàn)的遺漏測(cè)量、激發(fā)之后等等情況所產(chǎn)生的誤差，通常都需要使用三分量檢波器。檢波器的間距與定位精度之間的關(guān)系都比較明確;檢波器的空間性主要是指檢波器若是在同一個(gè)平面內(nèi)進(jìn)行布置，那破裂高度定位就會(huì)增加，甚至嚴(yán)重的時(shí)候還會(huì)出現(xiàn)病態(tài)方程。所以，在這種情況下，想要能夠利用平面監(jiān)測(cè)區(qū)獲得精度比較高的定位就比較困難。檢波器與破裂區(qū)的相對(duì)位置主要是指檢波器在空間上能夠?qū)⑵屏褏^(qū)包含在內(nèi)，尤其是對(duì)一些重點(diǎn)目標(biāo)去的包含，效果更明顯。

4 煤層底板斷裂引起的突水微震監(jiān)測(cè)分析

根據(jù)破裂—沖擊地壓這種關(guān)系評(píng)價(jià)的相關(guān)原理，主要是在應(yīng)力差比較大的區(qū)域發(fā)生巖層破裂的情況。所以，通常巖層破裂區(qū)域應(yīng)力差較高區(qū)域都會(huì)出現(xiàn)重合的情況，并且還有可能與高應(yīng)力場(chǎng)區(qū)域接近。通過這我們就可以發(fā)現(xiàn)，只要檢測(cè)到了巖層破裂區(qū)，那么就可以找到高應(yīng)力場(chǎng)區(qū)域以及高盈利差區(qū)域。經(jīng)過實(shí)際測(cè)量，教過發(fā)現(xiàn)采用高精度微地震監(jiān)測(cè)儀能夠?qū)?jiān)硬巖層的斷裂情況進(jìn)行詳細(xì)清晰的跟蹤，高應(yīng)力場(chǎng)和高盈利擦汗區(qū)域也就能夠進(jìn)行動(dòng)態(tài)的結(jié)合，對(duì)于沖擊地壓發(fā)生的位置以及力量來(lái)源都可以進(jìn)行預(yù)測(cè)。根據(jù)國(guó)內(nèi)煤礦所進(jìn)行的微震監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看，通過微震監(jiān)測(cè)能夠?qū)τ诓蓜?dòng)所引起的破裂場(chǎng)進(jìn)行準(zhǔn)確的定位，然后在根據(jù)破裂場(chǎng)內(nèi)存在的裂隙發(fā)育程度以及含水層分布的情況，準(zhǔn)確的確定出采場(chǎng)周圍的導(dǎo)水裂隙帶所具有的三維空間分布。另外，以及底板突水的可能性也可以根據(jù)底板破裂的深度進(jìn)行估計(jì)。采用微地震定位監(jiān)測(cè)不僅能夠?qū)ぷ髅嫔系牡顾严稁У母叨群托螤钸M(jìn)行確定，還能夠?qū)τ谕凰途㈤_采方案設(shè)計(jì)的優(yōu)化以及提高開采的餓上限提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)依據(jù)。

5 結(jié)論

本文探討了微震監(jiān)測(cè)技術(shù)在煤層底板突水預(yù)測(cè)中的應(yīng)用，并對(duì)微震監(jiān)測(cè)技術(shù)的原理進(jìn)行了分析，認(rèn)為將微震監(jiān)測(cè)技術(shù)用于煤層底板的突水在理論上是完全可行的。分析了影響煤巖微震定位精度的因素，即開采因素、地質(zhì)因素、測(cè)站因素、監(jiān)測(cè)因素和算法因素，給出了相應(yīng)的解決方法。通過對(duì)煤層底板斷裂引起的突水分析，提出了高精度微震監(jiān)測(cè)技術(shù)用于解決煤礦災(zāi)害的方法，①對(duì)水裂隙貸的范圍以及其高度進(jìn)行監(jiān)測(cè);②對(duì)巖層斷裂引起的水質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測(cè);③對(duì)巖體活動(dòng)、采動(dòng)壓力分布的規(guī)律進(jìn)行監(jiān)測(cè)，然后進(jìn)行巖體開采的指導(dǎo)。對(duì)于微震監(jiān)測(cè)煤層頂板突水預(yù)測(cè)中的作用進(jìn)行了初步分析，認(rèn)為微震監(jiān)測(cè)可以對(duì)突水等煤礦地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行有效的預(yù)測(cè)。

［1］江東，王建華.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的煤礦底板突水預(yù)測(cè)〔J〕災(zāi)害學(xué)，1999，(14):29－32.

［2］來(lái)興平，張勇.基于AE 的煤巖破裂與動(dòng)態(tài)失衡特征實(shí)驗(yàn)及綜合特征分析〔J〕西安西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，(26):290－292.