“三硬”煤層沖擊礦壓的微震信號特征分析

王俊光，田利軍，梁　冰，汪北方（.遼寧工程技術大學，遼寧阜新3000；.山西省大同煤業集團，山西大同03704）

?

“三硬”煤層沖擊礦壓的微震信號特征分析

王俊光1，田利軍2，梁冰1，汪北方1
（1.遼寧工程技術大學，遼寧阜新123000；2.山西省大同煤業集團，山西大同037041）

摘要：為研究頂板、底板和煤層相對較硬的“三硬”煤層工作面微震活動規律，以忻州窯煤礦微震監測系統為工程背景，針對震源分布特征、微震能量及頻次與采動的關系、典型沖擊礦壓微震信號特性分析等方面進行研究，揭示工作面微震活動總體規律，特別是沖擊礦壓前兆的微震效應，為建立“三硬”沖擊礦壓微震預測技術、評價礦井沖擊礦壓提供依據，具有一定理論意義與實用價值。

關鍵詞：振動與波；三硬煤層；沖擊礦壓；微震監測；波形特征

微震監測技術作為一種先進、實時動態巖爆預報手段，近年來，在理論研究和應用方面取得長足進步。在國外[1，2]，特別是南非、加拿大等國的深井礦山中得到了廣泛的應用，已作為礦山安全的重要措施。在國內，李庶林等用加拿大ESG的設備建立監測凡口鉛鋅地壓的微震監測系統[3，4]；姜福興等用澳大利亞設備在煤礦建立微震監測系統，研究煤礦深部采場爆破地震波的傳播規律及采場地應力分布[5–7]；魯振華和張連城在門頭溝煤礦進行微震監測，評估微震的近場監測效能[8]；唐春安等在紅透山銅礦等金屬礦山開展大量的微震監測研究[9–11]；為監測冬瓜山銅礦的深部開采巖爆問題，唐禮忠利用南非IS的設備建立微震監測系統[12]。我國僅有極少數礦山進行微震監測，研究“三硬”條件下的煤層沖擊地壓預測處于起步階段，為此，以典型的“三硬”煤礦—忻州窯煤礦西二盤區8929綜放工作面和東三盤區8512工作面為背景，鑒于忻州窯煤礦微震監測系統處于初期運行的情況，對微震活動規律的研究主要針對震源的分布特征、微震能量及頻次與采動的關系、典型沖擊礦壓微震信號的特性分析等方面展開，揭示工作面采動過程中微震活動的總體規律，特別是沖擊礦壓前兆的微震效應，可為礦井評價沖擊礦壓提供依據，具有一定的理論意義與實用價值。

1　微震震源分布特征

忻州窯煤礦工作面頂板、底板、煤層相對較硬，屬典型“三硬”煤層，極易發生沖擊地壓，采用SOS微震監測系統對沖擊地壓進行預警預報。SOS微震監測系統能對礦井包括沖擊礦壓在內的礦震信號進行遠距離、實時、動態、自動監測，準確計算出能量大于102J的震動及沖擊礦壓發生的時間、能量及空間坐標，且系統運行穩定可靠。能給出沖擊礦壓等礦震信號的完全波形，能確定出每次震動的震動類型，判斷出沖擊礦壓發生力源。SOS微震監測系統由1 Hz～600 Hz震動記錄性能、帶嵌入式信號傳輸模塊的震動檢波器實時測量探頭、中心信號數據接收器、信號監測和分析模塊的數字信號記錄器、中心計算機組成。井下布置非常簡單，只有探頭和傳輸線。探頭安裝在錨桿上，便于施工、維護和移動。采用獨立的干線式數據傳輸系統，實現雙向控制傳輸。

通過布置傳感器位置，觀測并采集發生震動時的微震信號，根據這些傳感器的坐標及到時信息，確定微震發出位置及發出時刻，即確定微震震源。通過監測，忻州窯煤礦微震震源主要集中在兩個采動區域：

（1）西二盤區8929綜放工作面；

（2）東三盤區8512工作面。

能量為105～107J的震動主要發生在上述兩個區域。并且東三盤區8512工作面震動能級較大。西二盤區8929綜放工作面為震動多發區。根據監測結果，在井下工作面上共布置16個測點，在地面布置一個探頭，重點布置在8929工作面以及8512工作面，如圖1所示。

圖1　微震震源的分布

2　微震能量及頻次與采動的關系

聲發射與微震信號的特征決定于震源性質、所經巖體性質及監測點到震源的距離等。基本參數與巖體穩定狀態密切相關,基本反映了巖體的破壞現狀[13-15]。能率大小,主要反映巖體變形和破壞范圍，頻率變化則反映巖體變形和破壞過程。圖2給出了微震總能量、頻次與時間的關系，以西二盤區8929工作面為例，8929綜放工作面老頂初次破斷步距為工作面長度的85%～110%。8929工作面傾斜長度為120 m，則老頂的初次來壓步距為102～132，老頂的初次來壓步距為周期來壓步距的2.45～2.5，則工作面老頂的周期來壓步距為40.8 m～53 m。8929工作面推進速度為3 m/天，則老頂的周期來壓時間為13—17天，平均為15天。從圖2中可以看出，忻州窯煤礦的微震活動規律與老頂巖層的周期來壓密切相關，每一次老頂周期來壓時，均造成工作面附近微震的總能量以及頻次突然增加。

圖2　微震總能量及頻次與時間的關系

圖3　不同工作面微震總能量及頻次的統計曲線

圖3給出了不同工作面微震總能量及頻次的統計曲線。根據不同采動工作面微震信號總能量以及頻次的統計分布曲線，利用微震臺網的三維定位和能量計算結果，發現能量較大的震源多處于8929工作面區段煤柱區域內，工作面煤壁前方震動能量及頻次比采空區要多。

（1）震動頻繁發生區域在西二盤區，東三盤區8516面和8518面是震動能量異常區，每次震動能量普遍在105J以上。

（2）西二盤區是震動的多發區域，工作面的尾巷震動能量比其它地方要高，并且沖擊礦壓發生概率高。

3　沖擊礦壓前兆微震效應規律

忻州窯煤礦2010年7月12日發生了沖擊礦壓事故，給礦井的安全生產造成了一定的影響。經SOS微震監測系統的定位和能量計算，7月12日的微震能量達到2.5×107J，遠遠超過沖擊礦壓發生的最小能量極限。圖4所示為沖擊礦壓的微震信號波形圖。

圖4　沖擊礦壓微震波形圖

由圖4可知，沖擊礦壓微震信號的振動速度均接近10-3m/s，信號持續時間3s～4s，且能量較高。

（1）沖擊前兆微震能量及頻次效應

由圖5可知，在7月12日發生沖擊礦壓的前幾天，微震能量開始增加后下降再增加，并且震動次數總體上處在增加趨勢，能量經過釋放和積聚過程，應力處于極限狀態的區段煤柱煤體在12號夜班采礦活動的擾動下誘發沖擊。同理，7月17日沖擊礦壓發生前，直至在工作面采動影響下誘發沖擊礦壓。這就說明沖擊礦壓屬于典型的堅硬頂板型。當沖擊礦壓發生之前，由于頂板的周期破斷，巖層內部形成眾多的微裂紋，此時微震信號呈現多峰值型的高頻特征（微震信號能量及頻次較高）。隨著頂板內部微裂紋的匯合、貫通，此時微震信號呈現低頻特征（微震信號能量與頻次下降）。當頂板內部形成宏觀主裂紋，誘發煤體沖擊礦壓前兆，此時微震信號呈現超低頻（＜10 Hz）特征，能量有所增加，頻次下降。當沖擊礦壓發生之后，微震又呈現多峰值型的高頻特征，頻次開始增加，能量降低。

（2）沖擊前兆微震頻譜效應

圖6所示為2010年7月12沖擊礦壓發生之前微震監測系統1通道采集的微震信號的頻譜分布。從圖6可知，沖擊礦壓發生之前，微震信號的頻譜主要分布在0～150 Hz，高頻成份較多，且振動速度較低。說明8929工作面上方的堅硬砂巖頂板正處于周期的破斷活動之中。

圖5　沖擊礦壓發生前后微震能量及頻次統計曲線

圖6　沖擊礦壓之前微震信號頻譜分布

圖7所示為2010年7月12沖擊礦壓發生時微震監測系統1通道采集的微震信號頻譜分布。由圖7可知，當堅硬頂板巖層內部形成宏觀主裂紋時，微震信號主頻帶為10 Hz～35 Hz，振動速度高于沖擊之前的微震信號。當煤體發生沖擊礦壓時，此時微震信號主頻帶為0～10 Hz，且振動速度較高，達到10-3m/s。

圖8所示為2010年7月12沖擊礦壓發生之后微震監測系統1通道采集的微震信號頻譜分布。由圖8可知，沖擊礦壓發生之后，由于頂板內部重新產生了大量的微裂紋以及煤體產生強烈振動，導致微震信號的頻譜又呈現出多峰值型的高頻特征，主頻帶分布在0～300 Hz，其中高頻成份急劇增加。

圖7　沖擊礦壓微震信號頻譜分布

圖8　沖擊礦壓之后微震信號頻譜分布

綜上，堅硬頂板型沖擊礦壓的微震頻譜效應為沖擊之前微震信號呈現高頻、低振動速度的特征；沖擊前兆為微震信號呈現低頻、較高振動速度的特征；沖擊發生時，微震信號呈現較低頻（＜10 Hz）的特征，振動速度達到極值；沖擊發生之后，微震信號呈現高頻、低振動速度的特征。

4　結語

（1）根據微震能量的統計結果可知，在空間上忻州窯煤礦微震震源主要集中8929綜放工作面以及8512工作面。其中8512工作面接近斷層以及構造區域，造成大部分高能級的微震信號集中在該區域，但頻次較低。8929工作面因區段煤柱的高應力集中，為震源多發區。

（2）在時間上，忻州窯煤礦的微震活動規律與老頂巖層的周期來壓密切相關，每一次老頂周期來壓時，均造成工作面附近微震的總能量以及頻次突然增加。

（3）忻州窯煤礦沖擊礦壓微震前兆能量及頻次效應為微震能量開始增加后下降再增加，并且震動次數總體上處在增加趨勢，能量經過釋放和積聚過程，應力處于極限狀態的區段煤柱煤體在采礦活動的擾動下誘發沖擊。

（4）忻州窯煤礦沖擊礦壓微震前兆頻譜效應為沖擊之前微震信號呈現高頻、低振動速度的特征；沖擊前兆為微震信號呈現低頻、較高振動速度的特征；沖擊發生時，微震信號呈現較低頻（＜10 Hz）的特征，振動速度達到極值；沖擊發生之后，微震信號呈現高頻、低振動速度的特征。

參考文獻：

[1] Unander T E. The effect of attenuation on Bvalues in acousticemissionmeasurements:A theoreticainvestigation [J]. International Journal of Rock Mechanics and Mine Sciences, 1994, 31(1):947-950.

[2] Calder PN, Madsen D. High frequency precursor analysis prior to arockburst[J]. Rockburst an Seimicity in Mines, 1990(1):117-131.

[3]李庶林，伊賢剛，鄭文達，等.凡口鉛鋅礦多通道微震監測系統及其應用研究[J].巖石力學與工程學報，2005，24 (12)：2048-2053.

[4]李庶林，尹賢剛，李愛兵.多通道微震監測技術在大爆破余震監測中的應用[J].巖石力學與工程學報，2005，24 (S)：4711-4714.

[5]趙建華，汪玉，高洪濱，等.設備沖擊極限載荷及分析實例[J].噪聲與振動控制，2012，32（6）：120-129.

[6]葉根喜，姜福興.煤礦深部采場爆破地震波傳播規律的微震原位試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2008，27 (5)：1053-1058.

[7]成云海，姜福興.微震監測揭示的C型采場空間結構及應力場[J].巖石力學與工程學報，2007，26(1)：102-107.

[8]姜福興，XUN L.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.

[9]魯振華，張連成.門頭溝礦微震的近場監測效能評估[J].地震，1989，10(5)：32-39.

[10]楊天鴻，唐春安.巖體破壞突水模型研究現狀及突水預測預報研究發展趨勢[J].巖石力學與工程學報，2007，26 (2)：268-277.

[11]劉超，唐春安.基于背景應力場與微震活動性的注漿帷幕突水危險性評價[J].巖石力學與工程學報，2009，28 (2)：366-372.

[12]唐禮忠，潘長良，楊承祥，等.冬瓜山銅礦微震監測系統建立及應用研究[J].采礦技術，2006，6(3)：272-277.

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

[14]唐春安，喬河，徐小荷.礦柱破壞過程及其聲發射規律的數值模擬[J].煤炭學報，1999，24(3)：266-269.

[15]梁雍，陳克安，張冰瑞，等.沖擊聲的固有結構建模及目標識別[J].噪聲與振動控制，2014，34（1）：150-154.

Analysis of Microseismic Signal Characteristics of Rock Burst in the“Three-Hard”Featured Coal Seam

WANG Jun-guang1, TIAN Li-jun1, LIANG Bing1, WANG Bei-fang1
( 1. Liaoning Technical University, Fuxin 123000, Liaoning China; 2. Datong Coal MineGroupof Shanxi Province, Datong 037041, Shanxi China)

Abstract:Themicro-seismic activity law of theworking facein thehard celling, hard floor and hard seam (known as “three hard”) coal mine was studied. The micro- seismic monitoring system of Xinzhou coal mine was taken as the engineering example. Therelation among distribution featuresof theseismic sourceintensity, seismic energy, frequency and mining wasstudied.And thecharacteristicsof themicro-seismic signal of typical rock-burst wereanalyzed. Thegeneral law of the micro-seismic activity in the working face, especially the micro-seismic effect prior to the rock-burst was revealed. Thestudy may provideabasisfor setting up themicro-seismic prediction and evaluation methodsfor the“threehard”coal seamrock-burst. It hastheoretical significanceandpractical value.

Key words:vibration and wave;“three hard”featured coal seam; rock burst; micro seismic monitoring; wave characteristics

作者簡介：王俊光（1980-），男，遼寧省阜新市人，博士，主要研究方向為礦山壓力與巖層控制。E-mail:shenliu_303@163.com

基金項目：國家自然科學基金資助項目（51404130）；教育部博士點基金資助項目（20122121120004)

收稿日期：2015-10-26

文章編號：1006-1355(2016)02-0185-04

中圖分類號：

文獻標識碼：ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.02.041