特殊空間結構條件下微震活動規律研究

孫雪亮 杜濤濤 藍 航

（1.神華新疆能源有限責任公司，新疆維吾爾自治區烏魯木齊市，830084；2.天地科技股份有限公司，北京市朝陽區，100013）

1 地質概況

W1143綜采工作面開采煤層為B4-1 煤層。B4-1 煤層平均埋深317 m，工作面走向長1495 m、傾斜長162m，煤層傾角10°～16°，煤層平均厚度為4.2m，采高3m。煤層頂板從下向上依次為：直接頂為粉砂巖，厚度5.7 m；煤層B4-2，平均厚2.5m；基本頂為粗砂巖，厚度大。底板巖層從上向下依次為：直接底為層狀中砂巖，厚度5.2m；基本底為粗砂巖，厚度12.99m。

W1143綜采工作面與上覆B4-2 煤層層間距平均為9.4m。一采區西翼B4-2煤層已回采了兩個工作面，即W114 （2）1、W114 （2）3工作面。W1143綜采工作面上順槽以南為實體煤 （巖）層，下順槽以北為W1141采空區，兩工作面之間留設28m 煤柱。工作面在回采區域初期發生了一次嚴重沖擊地壓。特殊空間結構區域：相鄰W1141采空區，工作面上方存在W114 （2）1、W114 （2）3采空區，幾個采空區形成了特殊的空間結構。

2 ARAMIS M／E微震監測系統

2.1 ARAMIS M／E微震監測系統簡介

ARAMIS M／E微震監測系統集成數字DTSS傳輸系統，實現了礦山震動定位、震動能量計算及震動的危險評價。微震監測原理：監測傳感器監測震動事件，經NSGA 發射器處理后，將其轉化為數字信號，然后由數字信號傳輸系統DTSS傳送到地面。ARAMIS M／E監測系統可監測震動能量大于100J、頻率范圍在0～150Hz，以及低于30dB的震動事件。

ARAMIS M／E 微 震 系 統 （見 圖1）包 括：ARAMIS＿WIN 軟件 （震動定位和震動能量計算）、包含ARAMIS＿REJ軟件 （DTSS傳輸系統監測軟件）的震動信息記錄儀、系統信息傳輸系統DTSS （該部分包括地面SP／DTSS 信息收集站，其由OCGA 數字信號接收裝置、配備GPS時鐘的ST／DTSS傳輸系統控制模塊、主通道切換模塊，以及SR 15-150-4／11I型配電裝置）、井下分站（包括NSGA 震動信號發射裝置和拾震器、頂板震動傳感器GVu、底板震動傳感器GVd、水平震動傳感器GH）。

2.2 ARAMIS M／E微震臺網布置

ARAMISM／E微震臺網的布置，依據以下原則進行：

（1）高質量安裝傳感器。臺基應選擇在無風化、無破碎夾層、完整大面積出露的基巖上，巖性要致密、堅硬，如花崗巖、輝綠巖、石英砂巖或灰巖等，如不能滿足以上條件，則需在安裝地點構筑水泥平臺。

圖1 ARAMIS M／E微震監測系統結構

（2）在滿足經濟支出能力的同時，應盡可能增加觀測站數目，使觀測站圍繞震源均勻分布，保證多數觀測站可以獲得記錄信息，避免定位臺站數量不足，影響觀測精度和可靠性。

（3）觀測站布置采用空間立體形式，必須考慮已建立的方程組性質，找出監測臺站最優幾何分布，避免出現 “病態”方程，得不到正確的震源位置或使方程組解發散。

（4）根據礦井生產實際，要使微震監測系統構成一個空間網絡，拾振器的布置要確保當前開采區域和其他重點監測區域處于監測網絡的中心，傳感器盡可能接近待測區域，避免大斷層及破碎帶的影響，同時遠離機械和電氣等干擾。

（5）既要照顧當前開采區域，又要考慮未來一定時期內的開采活動。盡量利用現有巷道、硐室進行通風，測站硐室要避開開采活動影響范圍，以減少施工、通風及維修費用。

依據以上原則，微震監測臺站圍繞W1143工作面進行布置，寬溝煤礦微震系統臺站空間布置如圖2 所示，具體如下：①微震臺站主要布置在W1143工作面兩順槽，有3 個臺站，分別為1＃、3＃、9＃臺站。其中，W1145工作面上順槽有2個臺站，分別為10＃、11＃臺站，W1121聯絡巷布置16＃拾震器。②E1146 工作面周圍布置3 個拾震器，分別為2＃、4＃、5＃拾震器。③增加垂直方向的高差，地面布置3個拾震器，分別是位于風井的13＃拾震器、風井以西800m 的14＃拾震器、風井以東800m 的15＃拾震器；W1121下順槽布置8＃拾震器。④永久硐室布置3 個拾震器：1432 回風立眼以北150 m 處的12＃拾震器、1255水平單軌石門處的6＃拾震器和1355架空行人巷處的7＃拾震器。

圖2 寬溝煤礦微震系統臺站空間布置圖

3 特殊空間結構條件下微震活動規律分析

3.1 微震活動分布規律

如圖3 所 示，2011 年11 月16 日 前，W1143工作面距特殊空間結構區域 （距離W114 （2）3停采線）504m 以外，ARAMIS M／E 微震監測結果表明，微震次數較少、分布分散、巖層活動的高度也較低。

圖3 W1143工作面遠離特殊空間結構時微震事件分布

如圖4 所示，W1143工作面靠近特殊空間結構區域時，微震事件開始顯著增多，微震事件主要集中在W1143采空區后方頂板巖層、W1141采空區頂板巖層和W1143工作面中上部前方頂底板巖層中，高位巖層微震事件明顯增多。

微震事件時空分布結果表明，W1143 工作面靠近特殊空間結構區域時，圍巖活動顯著增強，活動范圍顯著增大，引起該工作面以及相鄰采空區上方覆巖劇烈活動，揭示了在靠近特殊空間結構的過程中，覆巖逐漸不穩定。

如圖5所示，W1143 工作面過特殊空間結構區域時，進入覆巖結構的卸壓區，在該區域雖然微震事件頻次多，但微震事件的能量明顯降低，以小能量事件居多，而且工作面上方高位巖層微震事件明顯降低，高位巖層微震以低能量事件為主，揭示了覆巖活動劇烈程度降低。

圖4 W1143工作面靠近特殊空間結構時微震事件分布

圖5 W1143工作面過特殊空間結構時微震事件分布

綜上所述，ARAMIS M／E 微震監測系統揭示了特殊空間結構區域覆巖運動、能量釋放及位置。工作面由不受特殊空間結構影響區域到進入特殊空間結構卸壓區下方，微震監測到覆巖活動產生的微震事件能量和頻次呈先增加后降低的特點，表明覆巖由穩定，到劇烈活動，再到穩定的過程。

3.2 微震活動能量和頻次的關系

2011年11月4日，開始進入特殊空間結構區域。進入初始階段，微震事件頻次和能量維持在較低的水平；接近特殊結構區域，微震事件能量和頻次大幅增加，微震活動頻繁增加，釋放的能量劇烈增加；過特殊結構區域后微震活動開始減弱，微震能量和頻次開始降低。

圖6為特殊空間結構區域微震事件日平均釋放能量。2011年11月3日微震事件日平均釋放能量突然變化，主要因為推進度突然增加，2011年11月3日推進度為6m／d。2011年11月11日，能量突然增加，是停止的工作面恢復推進后能量的大量釋放的結果。自2011年11月20日開始，工作面越來越靠近特殊空間結構區域，因此，日釋放能量呈現不斷增加的趨勢，直至進入特殊空間結構后，微震能量達到最大。2011年12月4日，進入特殊空間結構的卸壓區后，微震事件能量明顯降低，表明巖層活動劇烈程度開始減弱。

通過ARAMIS M／E微震監測系統的監測，可以實時獲得工作面距離特殊結構由遠及近過程中覆巖活動的情況，揭示覆巖活動集中的巖層層位、微震事件集中的位置、覆巖活動釋放的能量，以及回采強度對覆巖能量釋放的影響，能夠有效指導工作面過特殊空間結構區域時的沖擊地壓防治工作，當監測到覆巖能量大量釋放，工作面具有沖擊危險時，應及時采取措施進行卸壓，同時合理控制工作面推進速度，以有效控制沖擊地壓的發生機率。

圖6 特殊空間結構區域微震事件能量和頻次關系

4 結論

（1）寬溝煤礦建立的ARAMIS M／E微震監測系統，可實現對礦井采掘工作面覆巖活動產生的微震事件實時、動態、自動監測，并通過軟件進行準確定位和能量計算，對工作面覆巖活動和沖擊危險的研究具有重要參考價值。

（2）揭示了特殊空間結構區域微震活動時空演化規律。工作面過特殊空間結構區域時，覆巖活動劇烈程度明顯增加，覆巖活動產生微震事件的能量和頻次呈現先增加，后減少的趨勢。微震監測結果表明，工作面距特殊空間結構較遠時，工作面受特殊空間結構活動影響較小；工作面逐漸靠近特殊空間結構時，覆巖開始變得不穩定，活動程度變劇烈，穩定性變差，造成工作面沖擊危險性升高；進入空間結構一定距離后，覆巖活動逐漸減弱，釋放的能量和頻次降低，巖層活動區域穩定。

（3）由工作面過特殊空間結構區域微震事件能量和頻次關系得到以下結構：開始進入特殊空間結構區域階段，微震事件頻次和能量維持在較低水平；接近特殊空間結構，區域微震事件能量和頻次大幅增加，微震活動頻繁增加，釋放的能量劇烈增加；過特殊空間結構區域后，覆巖活動劇烈程度開始減弱，微震能量和頻次開始降低。

（4）對特殊空間結構微震監測結果表明，巖層的空間結構是工作面回采過程頂板活動劇烈程度的重要影響因素，ARAMIS M／E 微震監測系統可有效揭示覆巖運動、能量釋放時間、位置等，對沖擊地壓危險監測預警、防治具有重要作用。

［1］ 竇林名，何學秋.采礦地球物理學 ［M］.北京：中國科學文化出版社，2002

［2］ 竇林名，何學秋.沖擊礦壓防治理論與技術 ［M］.徐州：中國礦業大學出版社，2001

［3］ 齊慶新，竇林名.沖擊地壓理論與技術 ［M］.徐州：中國礦業大學出版社，2008

［4］ 楊志國，于潤滄，郭然等.微震監測技術在深井礦山中的應用 ［J］.巖石力學與工程學報，2008 （5）