微震信號現場監測試驗及特征研究

魏利娜，薛世鵬，周春艷，丁慧哲，李靜

（1.河北工程大學 資源學院，河北邯鄲 056038;2.河北省煤炭礦井建設工程技術研究中心，河北邯鄲 056038;3.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧沈陽 110016;4.紅河學院 商學院，云南 紅河州蒙自市 661199）

煤巖的斷裂破壞、沖擊地壓等煤巖災害，極大影響了煤礦安全生產。在發生煤巖斷裂時，均伴有微震事件的發生［1－3］。20世紀30年代末，微震現象由美國的 L.阿伯特及 W.L.杜瓦爾發現［4］。20世紀90年代以來，微震監測技術是在計算機技術和數據采集技術發展的基礎上得以發展的［5］。20年前微震監測在煤礦災害監測方面已開始大范圍的使用［6］。

微震監測技術原理是利用在煤巖體破裂過程中產生的聲、能原理，同時還依據地震監測、聲發射監測技術的原理。國內外對煤巖中微震信號現場的測試還處于初步的研究階段。

1 礦井概況

躍進煤礦位于義馬市南2 km，地理坐標為東經111°50'37″～111°56'15″，北緯34°39'0″～34°43'13″。試驗地點選擇在躍進煤礦25110工作面。該工作面自西向東預計依次揭露F2504、2509等斷層。預計從工作面整體看，該面兩頭構造簡單，中間構造復雜。而所在區域內地層為一寬緩的單斜，構造以斷裂為主、褶曲次之地質結構復雜，加之頂底板存在厚硬巖層，因此煤巖動力現象發生較頻繁。

為了更好監測沖擊地壓等煤巖動力災害的發生，躍進礦安裝布置了微震監測系統，并對監測區域的現場環境及監測試驗系統進行分析，研究了微震信號的變化規律。從而，為煤巖動力災害的研究提供基礎資料。

2 微震監測試驗方法及試驗步驟

2.1 試驗方法

由于在井下測試時，通常為了采集井下微震的典型信號，每次測試時都選擇連續的實時監測，詳細記錄測試過程中的各種工序及干擾因素，主要包括監測環境中煤巖的性狀及煤炮、機械設備的開停狀況及各種人為干擾等影響因素。在測試過程中，關鍵問題是盡量采集到煤礦井下產生的各種典型的微震信號，并且對信號進行實時連續采集。本次試驗的傳感器選擇MS－1型微震傳感器，用特制固定夾具把傳感器固定在錨桿或錨索上，保證現場試驗的進行。

2.2 試驗步驟

本次試驗是為在井下環境中，設置微震監測儀的門限值和采頻等各項參數。試驗主要步驟如下:

（1）先把微震傳感器固定好，并與監測主機連接好;

（2）打開監測儀器，設置好各項監測參數（門限值、報警值等），然后對監測儀器預熱一分鐘;

（3）按開始鍵后，可以進行測試，測試到微震信號強度及脈沖數，記錄微震信號波形;

（4）測試過程中，記錄各種微震信號產生時間及類型;

（5）測試完成并結束后，按任意鍵停止測試;

（6）每天監測完升井后，及時處理監測數據、打印曲線，并依據預報指標進行沖擊危險性預報。

3 煤巖破裂微震信號特征

3.1 煤巖破裂微震信號變化規律

在煤巖微震現場監測試驗中，不同時間內監測的微震信號的實驗結果有很大不同，同時由于煤巖破裂微震信號的產生與煤巖體內部裂紋的產生、擴展以及斷裂過程都存在密切的聯系［7－8］。本測試是2012年8～10月在義馬躍進煤礦25110工作面開展的，微震采集儀采集到的微震信號強度實驗結果見圖1、圖2、圖3。

從圖1發現，微震信號強度繼續增加，在出現波峰時，煤巖發生一次破裂，微震信號分布趨勢并沒有發生大規模改變，波峰值升高。之后，強度有所下降，然后繼續上升，逐漸逼近臨界值，震幅值繼續升高，達到最大值;在破裂發生后，隨時間的增加，監測到的微震信號強度急劇下降，整個波形分布趨勢沒有太大變化，如圖1（a）、2（b）、2（c）、1（d）所示。

在同樣的監測條件下，2012年9月煤巖微震信號強度比8月份有了很大的不同，從圖1、圖2微震發生的位置及信號強度上來看，9#－16#監測到的微震信號變化較大，17#－25#監測到的微震信號變化趨勢相似。

通過對比圖2（a）、圖2（b）微震傳感器實際所測得到的微震信號，從中可以看出二者之間也有一定差異。首先，兩個微震傳感器實際測得到的微震信號強度變化趨勢有所不同，這主要是因為二者在工作面上的布置位置不同;再則由于煤巖石材料的各向異性，在相同的監測條件下，煤巖層內部不同位置處的變形破裂過程是不同的，同時，微裂紋的出現位置也是隨機的。通常，當破裂發生位置與傳感器放置的位置距離較遠時，微震傳感器所測得的信號強度相比位置較近處的微震傳感器測得的信號強度就會弱，而當微震傳感器恰好布置在有裂紋的位置時，微震傳感器測得到信號最豐富。而圖2（c）與前面兩個信號變化趨勢差異性更大。微震傳感器測得到的信號基本上處于很弱，在25000處驟然增強，隨即又變弱，這和8月份測得到的信號變化趨勢相似。

通過對比，2012年10月份監測到的微震信號強度的變化趨勢和8月份監測到的微震信號強度相似，但和9月份差別較大，主要在9#～16#信號變化差異較大。由于微震傳感器放置的位置是不變的，實際所測得到的微震信號，從中總體上呈現相同的變化趨勢，但是二者之間也有一定差異。

3.2 煤巖破裂微震信號試驗結果分析

從上面連續三個月的實驗結果及三個月微震事件發生的位置及能量變化（見圖4、圖5所示）中可以看出，微震事件發生的位置比較集中，多在距離工作面的區域內，較大能量的微震事件集中8月份發生的微震事件中;同時由圖1、圖2、圖3可以得出，在同樣的監測條件下，煤巖層破裂過程中產生的微震信號是呈現間歇式、陣發性的特征，而不是連續均勻的。這是由于煤巖石內部富含微裂隙，而且原始缺陷是不均勻的。在發生破裂時，裂紋端部的應力不斷變化集中，裂紋交替進行張開、閉合，使煤巖層的裂紋擴展呈現出一種間歇式、不均勻的特點。另一方面，煤巖內部彈性能的釋放是微震信號產生的基礎，而且能量的集聚是能量的釋放的前提，這也說明了煤巖在發生破裂時，內部的能量是一個不斷集聚和釋放的過程。

另外，對比圖1、圖2及圖2發現，微震信號強度總體上具有同樣的變化趨勢，但也有一些差異;煤巖動力災害發生的位置比較接近。在監測的結果中，微震信號類型主要有三種:中高壓突增型、高壓突增型和低高壓突增型。

綜上所述，微震信號強度的變化規律可以反映煤巖的破裂過程。根據微震定位原理，通過對不同煤巖層微震信號的監測，可以對煤巖層的應力變化規律進行分析，進而更好的防止煤巖動力災害的發生。

4 結論

（1）煤巖能量的釋放是微震信號產生的基礎，而且能量的集聚是能量的釋放的前提，這也說明了煤巖在發生破裂時，內部的能量是一個不斷集聚和釋放的過程。

（2）煤巖在發生微破裂之后，隨著破裂程度的加大，微震信號也隨之增強。在破裂的初始階段，微震信號很弱，傳感器幾乎測試不到任何的微震信號;在破裂程度達到最大主破裂時，微震信號逐漸增加，大多為突發性，此時微震信號最為豐富。而且當煤巖發生較大破裂之后，微震信號逐漸減少，總體上處于一個相對平靜期。但是，隨著時間的增長，能量逐漸減小，微震信號也明顯減弱，至到最后傳感器監測不到信號。

（3）通過對連續三個月微震事件進行定位，可以發現，微震事件發生的位置比較集中，而且較大能量的微震事件發生在八月這表明八月煤巖破裂能量較大，煤巖動力災害較嚴重。

［1］吳永勝，余賢斌.單軸壓縮條件下巖石聲發射特性的實驗研究［J］.金屬礦山，2008（10）:25－28.

［2］許曉陽，王恩元，許福樂，等.煤巖單軸壓縮條件下微震頻譜特征研究［J］.應用聲學，2010，2（29），148－153.

［3］米利華，許風娟，侯立國.臨汝煤田構造控煤作用［J］.中國煤田地質，2001，13（4）:4 －6.

［4］DYER B C，JONES R H，COWLES J F.Microseismic survey of a North Sea reservoir［J］.World oil，1999，74（5）:74－78.

［5］PHILLIPS W S，HOUSE L S.Micro － seismic mapping of a Cotton Valley HydraulicFracture using decimated downhole arrays［C］//International Exposition and Sixty－Eighth Annual Meeting，1998，56（9）:13－18.

［6］WOLHART S L，ODEGARD C E，WILLIAMS P，et al.Microseismic Fracture Mapping Optimizes Development ofLow－Permeability Sands of the Williams Fork Formation in the Piceance Basin［C］//SPE Annual Technical Conference and Exhibition，2006，62（10）:9 －12.

［7］高明仕，竇林名，張 農，等.巖土介質中沖擊震動波傳播規律的微震試驗研究［J］.巖石力學與工程學報，2007，26（7）:1365 －1371.

［8］成云海.微震定位監測在采場沖擊地壓防治中的應用［D］.青島:山東科技大學，2006.