煤礦微震監測與礦震預測技術研究

孫巖　康祥民

摘 要：礦震是采礦工程活動中，由于能量的積聚和不穩定釋放而導致的礦井動力現象，是目前礦井日常生產中最影響礦井安全生產的重大動力災害之一。礦震的研究史已有上百年，但直至目前對礦震災害前兆信息的微震信號分析還不清晰，采用煤礦微震監測技術進行礦震災害的技術預測具有極大的工程現實意義。

關鍵詞：煤礦微震監測；礦震預測；預報

1 前言

礦震現象，在采礦工程科研和實際生產中又稱為沖擊地壓，其指的是處于高應力狀態的巖石、煤體或斷層等在外界環境的微擾動作用下，瞬間釋放出大量的能量，并以劇烈的振動和猛烈的沖擊和爆炸式的工程結構破壞為主要特征的煤礦重大動力災害。對于已在深部進行開采的礦井，可通過引進微震監測并對檢測到的微震信號進行分析及識別，開采過程中出現的各種動力災害現象是可以防治預測的，這種相關技術和產品的研究有著廣闊的前景和應用價值。

2 礦山礦震波傳播簡析

采礦工程活動作用于原巖體，使得其應力改變而發生整體性的變化，為沖擊地壓的發生埋下了隱患，在沖擊地壓顯現時，使得采礦工程范圍內的巖體中應力沖擊波進行反復傳播，破壞了巖體的穩定性，導致事故的發生。沖擊波的傳播和破壞性的作用主要受沖擊波的波速和煤巖體的破碎不完整程度等因素決定的。因此，要想有效掌握礦震沖擊波的傳播規律和傳播破壞機理，這樣才能真正了解和掌握礦震，進而通過礦震信號進行預測沖擊地壓，再通過沖擊地壓的礦震信號分析方法進行相應的礦井沖擊地壓的治理與防治工作，徹底解決礦山的沖擊地壓大、動力災害等問題。

2.1 波速傳播規律分析

天然的巖石在自然形成過程中都有一定的差異性質。尤其表現在巖石的完整性、空隙度、裂隙數量等方面都盡不相同。并且，煤巖在采動過程中，煤巖體的原巖應力狀態被打破，其相應的應力場不斷地變化著。隨著工作面等工程活動的進行，上覆巖石的結構和內部組織完整度的變化勢必也會引起相應的微震震動參數的變化，特別是沖擊震動波的振動和幅值的變化。

隨著采礦工程活動進行，煤礦井下采空區相關位置的三區三帶不斷產生和發展，煤巖體介質強度不斷發生著減弱演變趨勢。P波波速同樣也會發生著相應的下降的趨勢，因此這樣的現象就間接反映了所傳播的煤巖體的整體完整度。巖體的孔隙度越大，說明其內部的破碎程度越明顯，其相應的密度也越小，隨之在這種煤巖體傳播時的振動沖擊波傳播的平均速度也會更小，當然，反之，巖石體越完整，其內部的結構就更加完善，相應的波速傳播也就越大。

2.2 頻率變化規律分析

煤巖震動的主頻隨釋放能量增加而呈現下降的整體趨勢；并且對于能量相同強礦震而言，強礦震頻率越大導致了其震源破裂迅速。煤巖體振動的頻率在一定程度上很受礦震震源的重要影響，其中高頻部分信號在煤巖體中傳播的速度和頻率等參數同樣會受到煤巖體等介質的阻尼設置和阻尼特性等決定和不斷影響著。

3 煤體破裂微震分析及礦震預測

煤巖體頻率的優勢段位應該約在13～22Hz，層理發育特別明顯，層狀特性明顯，裂隙較多，彈性模量較小。煤體是一種各項異性介質，其富含微孔隙、小孔隙和裂紋等諸多種缺陷。煤體不管在工程地質現場中受載荷作用，還是在實驗室中進行壓載等方式的加載試驗，都會發生一系列的結構變化，這些變化從微觀到細觀，從細觀到宏觀，直至表現為宏觀方面的整體失穩破壞，這些變化從裂紋的產生角度觀察，其實是，煤巖體在原始形成階段的固有裂紋的基礎上，由于受力作用，導致內部應力不均勻、不平衡，進而導致了微觀受力失穩，裂紋形成擴張和撕裂現象，不斷發生著大規模的變化，使得受力到一定程度，發生了宏觀的失穩表現。而在這些裂隙產生和裂隙發育的時候，巖石面與巖石面會自然發生了各種摩擦和擠壓，這些物理性的微觀機械作用自然就產生了相關的破裂振動信號，這些信號是伴隨破裂開始到結束整個流程的，因此，其不可避免會產生和巖石結構破碎變化的一致性規律，理所當然的，這些規律就成為了微震信號科學研究的主要對象，也成為了預測沖擊地壓的孕育、產生、顯現。為從微震信號上預測巖體沖擊的作用過程提供了理論上的可能性。

通過對煤樣直接加載微震信號特征的試驗結果發現，煤樣試件在相對穩定期微震信號并不明顯；隨著應力加載的增加，微觀中的巖體破裂面所發生的位錯和摩擦移動更加凸顯，形成的摩擦微震信號值也更大。隨之，在巖體經歷了前期加載到達應力極限強度時，其發生了進一步的破壞，此時的應力達到了峰值高度，隨之，微震信號的強度也達到了整個作用過程的最大值。在整個煤巖體經歷了整個過程后，應力強度逐漸下降，微震信號值逐漸減小之后直至趨于平穩。

4 結論

（1）影響煤樣微震信號特征的主要因素包括煤樣自身的顆粒大小、強度、硬度、節理裂隙等。而煤樣的加工過程不同，取樣地點不同均對煤樣微震信號特征造成影響。

（2）煤體壓縮過程中，微震信號都經歷了初始壓密區、上升區、峰值區和下降區。

（3）煤體在沖擊地壓破壞失穩之前，有一段時間并沒有微震信號的出現，也就是說，出現了明顯的煤體破裂沉積區段，在實際的工程應用中，我們可以將這一現象（特性）作為煤體沖擊破壞前兆信息進行工程預測，其將具有重大的工程現實意義。

（4）繼續采用微震監測系統對礦震現場進行監測，不斷積累總結礦震先兆異常特征，建立不同類型礦震綜合監測體系，以便于能夠對各類礦震提早做出準確預測，逐步提高監測儀器的精度。

參考文獻

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（作者單位：1.湖北雞籠山黃金礦業有限公司；2.遼寧艾海滑石有限公司）