微地震監測在厚煤層綜放工作面的應用

陳 峰

（山煤集團豹子溝煤業有限公司，山西 臨汾 041203）

微地震監測技術是基于聲發射學和地震學[1-2]，通過監測采場周圍巖層發生破裂時，產生微弱的地震波，采集微震數據，得到巖層微地震活動的三維空間位置的技術[3]。山西豹子溝主采的其中一個煤層的二1煤，煤層厚度1.23～7.16m，平均5.31m，頂板為4.8～10.9m，平均6.0m的大占砂巖，井田構造為走向北西、傾向南西，傾角2～6°，局部較大為12°，總體為單斜構造。構造特征以斷裂為主，發育的斷層有NE向、NW向和近EW向三組，其中以NE向為主。利用微震監測技術監測該礦工作面的意義在于可以直觀地、準確地得到該礦工作面直接頂、老頂位置，以及超前影響壓力的范圍等礦山壓力顯現指標，為工作面安全高效生產提供指導。

1 微地震監測技術

微地震監測技術起源于地震行業，進一步發展后應用于礦井圍巖情況監測，在發展前期受監測精度和監測手段等問題影響，該技術不能很好地推廣應用，在國內專家姜福興[4]等進一步改進完善后，在塔山礦已成功應用，其他礦也進一步推廣。該設備主要由硬件和軟件兩部分組成。硬件主要由防爆計算機、數據采集板、前置放大器、數據通訊調制解調器和三分量微地震傳感器與電纜等主要部分組成，軟件系統主要由操作系統、微地震監測數據采集軟件系統、數據通訊程序和數據采集卡驅動程序庫等組成。

2 測區布置方案

2.1 監測工作面概況

監測的28104工作面東臨已采的28103工作面，西邊為西翼軌道運輸巷，南邊臨近準備工作面28105工作面，北邊為保護煤柱，在28104工作面東南方向有斷層DF37，所監測的工作面順槽長1800m，工作面長度為210m，面積為378000m2，煤層厚度為5.31m，傾角較小平均4°，為近水平煤層；煤層埋深平均570m，地質構造簡單。

2.2 測區布置原則

結合本工作面實際情況，確保測區能形成可靠的監測結構，降低監測誤差，需要對該工作面的頂板和底板進行臺網測點布置，工作面測區布置原則為：一是在工作面只需布置一條測線，即在軌道巷道布置即可，因為工作面為近水平，圍巖運動與應力分布按照工作面中線對稱；二是布置足夠多的測點，即在工作面切眼100m處布置第一個鉆孔測點，向外每隔30m布置鉆孔測點，直到距工作面切眼600m處為止，并均勻布置12個檢波器來監測巖層破壞規律，確保監測精度和可靠性。

2.3 鉆孔設計的參數

監測的28104工作面布置12個監測檢波器，監測的鉆孔共計27個，其中頂板鉆孔14個，底板鉆孔13個，鉆孔直徑97mm，監測分站布置在距軌道巷開切眼650m處，微震檢測系統布置圖如圖1所示。

圖1 微地震監測系統井下結構組成圖

3 高精度微震監測系統標定及數據采集

3.1 高精度微震監測系統標定

微震監測系統布置安裝之后，需要進行人工放炮來標定傳感器的安裝方向、檢查各傳感器的極性是否正確以及確定微地震波在介質中的傳播速度。結合該工作面實際地質情況，將人工放炮孔布置在距開切眼107m處的頂板巖層內，深度38m，共裝藥1.8kg，一次起爆。標定炮成功起爆后，各檢波器都記錄到了有效的波形，信號收到的很好，檢波器監測工作正常。微地震定位結果為：[7193.16，9239.16，-493.52]，放炮實際震源坐標為[7186.1，9241.2，-492.2]，誤差分別為X=7.06m，Y=2.04m，Z=1.32m，平均誤差3.473m，定位精度能夠滿足工程應用。

3.2 監測數據采集及處理

監測結果可以定時自動記錄，數據的收集可以通過人工到井下手動拷貝數據，也可以通過上、下光纖自動傳輸。由于該監測工程數據量大，該監測采用上、下光纖自動傳輸數據，該方法數據傳輸具有速度快、誤碼率低、穩定性強等優點。

微震監測系統于2016年7月22日開始接收數據，并隨著工作面的推進，不斷接收數據并進行定位分析，部分微震事件統計如表1所示。

表1 微震事件統計結果

根據微震事件統計數據可以分析得到，該工作面的微震傳播以煤巖分裂模式傳播，在頂板傳播的速度和底板傳播的速度不同，低位層位在0～30m，直接頂位于低位層位的下部厚度約12m，老頂在低位層位上部厚度約18m，低位層位微震事件密集顯現，高位層位在30～55m，微震事件低密度分布，在12～45m巖層層位斷裂呈弱周期性發生，工作面超前支承壓力影響范圍為120m左右，頂板破裂高度在30m左右，最大可達80m。

4 結論

以28104工作面為工程背景，科學合理布置微震監測測區，人工放炮確定高精度微震監測系統標定，對監測數據收集處理，得到工作面圍巖移動規律，為工作面的礦山壓力控制提供基礎數據和科學依據。