沖擊地壓微震能量監測預警技術研究與探討

楊增強，李豐碩，任長樂

(江蘇建筑職業技術學院 交通工程學院， 江蘇 徐州 221116)

近些年，隨著煤炭資源開采深度的逐年增大，出現了很多千米深井，尤其對于開采歷史較為悠久的東北、山東、河南等地區，煤層開采深度普遍較大，這也導致開采期間將會面臨更大的地應力影響。同時，由于地下條件的復雜多變，不僅面臨高地應力威脅，同時還會伴隨有斷層構造、褶曲構造、覆巖特征、開采布局等因素的疊加影響[1-4]. 因此，有必要針對埋藏較深的煤層開采期間面臨的沖擊地壓顯現等難題進行監測預警研究，提前采取卸壓防治措施，為深井煤炭資源的安全高效開采提供安全保障。

1 典型沖擊地壓誘發機理

井工開采期間，根據采掘位置空間上的相對關系以及地質構造的影響情況，可以將誘發沖擊地壓的原因歸納為典型的4種情況，見圖1.

圖1 典型的4種沖擊地壓誘發機理模型圖

基于動靜載疊加誘發沖擊地壓機理可知，沖擊地壓是由靜載荷(σj)和動載荷(σd)共同疊加作用下發生的。其中，靜載荷(σj)又可以分解為水平方向靜載荷(σx)和垂直方向靜載荷(σy). 由此可知，圖1a)所示的煤柱型沖擊地壓主要誘發因素為開采導致護巷窄煤柱體內承載較高的垂直方向靜載荷(σy)，此時窄煤柱體受較高的垂直方向靜載荷作用而處于臨界屈服狀態，當采掘活動引起一定程度的輕微動載荷擾動，窄煤柱體將會發生瞬間失穩破壞而誘發沖擊動力顯現。圖1b)所示的構造型沖擊地壓主要誘發因素為褶曲地質構造引起的水平方向靜載荷(σx)，此時采掘空間周圍煤體受較高的水平方向靜載荷作用而處于臨界屈服狀態，當采掘活動引起一定程度的輕微動載荷擾動，采掘空間周圍煤體將會發生瞬間失穩破壞而誘發沖擊動力顯現。圖1c)所示的斷層型沖擊地壓主要誘發因素為斷層地質構造引起的動載荷(σd)，此時采掘空間鄰近斷層開采致使斷層活化而形成劇烈動載擾動，此時采掘空間周圍煤巖體內若積聚有較高的靜載荷，采掘空間周圍煤體將會發生瞬間失穩破壞而誘發沖擊動力顯現。圖1d)所示的頂板型沖擊地壓主要誘發因素為上覆厚硬頂板破斷引起的動載荷(σd)，此時采掘空間周圍煤巖體內若積聚有較高的靜載荷，將會在動載擾動下誘發沖擊動力顯現。

綜上所述，從動靜載疊加誘發沖擊動力顯現的角度可知[5]，煤柱型和構造型沖擊地壓的誘導因素為靜載荷為主，動載荷為輔；而斷層型和頂板型沖擊地壓的誘導因素為動載荷為主，靜載荷為輔。基于誘發沖擊顯現的能量判據準則，當采掘周圍煤巖體內積聚的彈性應變能高于其發生失穩破壞所需的最小彈性應變能時，煤巖體將會瞬間失穩誘發沖擊顯現，其表達式：

(1)

式中：

Ujd—動靜載疊加作用下采掘空間周圍煤巖體內積聚的彈性應變能大小，kJ；

Umin—采掘空間周圍煤巖體瞬間失穩破壞所需最小彈性應變能大小，kJ；

E—采掘空間周圍煤巖體的平均彈性模量，MPa.

可見，對于不同誘因的沖擊地壓的監測預警均可從能量的角度入手，實現對于采掘空間周圍煤巖體內積聚彈性應變能較高的區域及時采取措施，防止因彈性應變能積聚過高而誘發沖擊顯現。

2 微震能量監測預警技術

近些年，隨著微震能量監測預警技術在礦山企業的推廣應用，具有沖擊地壓危險的礦井基本均安裝有相配套的微震監測系統。微震能量監測預警體系的數據收集、傳輸與分析見圖2.

圖2 微震能量監測預警體系圖

由圖2可知，沖擊地壓礦井現場安裝的井下礦山微震災害監測系統能夠實時地將井下采掘活動中產生的微震能量信號收集起來，并對數據進行初步、實時的分析，初步對井下作業環境的安全情況進行判定。后續收集到的微震能量信號將會通過專用互聯網絡傳輸至礦山地震遠程監測與研究中心，再分類傳輸至相關專業分析人員處，通過對數據的匯總分析，提出相應的預警措施，并將信息反饋給礦山企業。可見所構建的微震能量監測預警體系能夠實現數據的遠程分析，進而能夠實時針對礦山開采期間存在的安全隱患進行針對性、專業性的分析，為礦山企業安裝微震能量監測系統的高效利用奠定了基礎。

3 微震能量監測與沖擊預警分析

3.1 傳統監測與預警分析方法

以鶴煤集團某礦為工程背景，通過該礦井內安裝的微震檢波器實現對于煤層開采活動期間煤巖體破裂所產生的彈性應力波的接收。該礦井內目前正在開采的四水平1號工作面周圍的微震檢波器布置情況見圖3.

1號工作面開采期間，于2016年10月15日發生了一起嚴重的沖擊地壓事故，造成了服務巷道大范圍嚴重的破壞。關于“10.15”沖擊地壓事故發生前采用傳統方法監測的微震能量演化規律見圖4.

由圖4可知，傳統方法監測的微震能量分布演化規律不明顯，只能通過微震檢波器對開采活動期間煤巖體破裂所產生的彈性應力波進行接收和常規的定位計算，最終確定每一次煤巖體破裂時微震能量事件的大小和位置，所獲得的監測結果存在分析困難、難以精準識別危險區等問題。圖4只對微震能量大于102J的事件進行了統計，其中圖4a)所示10月10日的微震能量事件不大于103J，整體微震能量事件較小。圖4b)所示10月11日的微震能量事件中存在3次在104J范圍內的中等強度微震能量事件，但緊隨著圖4c)所示10月12日的微震能量事件中并無在104J范圍內的中等強度微震能量事件繼續增加的趨勢。圖4d)所示10月13日的微震能量事件中又出現1次在104J范圍內的中等強度微震能量事件。后續圖4e)所示10月14日的微震能量事件中又出現2次在104J范圍內的中等強度微震能量事件，在104J范圍內的中等強度微震能量事件存在繼續增加的趨勢。圖4f)所示10月15日的微震能量事件中存在2次在105J范圍內的高強度微震能量事件，并伴隨有“10.15”沖擊地壓顯現的發生。由上述“10.15”沖擊地壓事故發生前的每日微震能量事件分布演化規律看不出較明顯的規律性，微震能量事件分布主要集中于1號工作面回采位置前方，最終因為10月15日的2次高強度微震能量事件影響而于工作面回采位置前方超前段巷道內誘發沖擊地壓事故。對于事故原因的分析可知，這次沖擊顯現屬于圖1b)所示的構造型沖擊地壓(此時工作面回采位置位于向斜構造影響區)，其誘發因素主要以靜載荷為主，動載荷為輔。

圖3 微震檢波器布置平面圖

圖4 傳統方法監測的微震能量分布演化規律圖

可見，采用傳統方法監測的微震能量分布演化規律對于沖擊地壓發生所起到的監測預警效果較差，難以實現對于沖擊危險區域的識別目的，并且對于微震能量后續的分布演化規律也不易判定，適合事后分析事故原因而不適用于事前監測預警。

3.2 優化后監測與預警分析方法

針對傳統監測與預警分析方法存在的諸多缺陷，提出將能量平均化分布來提高微震能量分布演化規律的辨識度。關于對能量進行平均化分布的過程，可根據Frankel等基于空間光滑地震活動性模型采用點源進行地震危險性分析的理念，將震源簡化為點源，并以定位誤差作為統計滑移半徑，其數值由定位誤差數值仿真方法計算獲得[6]. 關于微震能量事件平均化分布的計算模型見圖5.

圖5 微震能量事件平均化分布計算模型示意圖

由圖5可知，針對微震能量事件平均化分布計算模型，以任一微震能量為中心點劃分網格，假設網格各節點之間的距離為S，以定位誤差作為統計滑移半徑的大小為r，則相應的尺寸條件應該滿足下式：

(2)

變換不等式可知：

(3)

其相應的核心計算公式：

(4)

式中：

Eti—在(tn-1,tn]時間間隔內發生在統計網格單元中的微震總能量，J；

Sj—統計區域的面積，m2.

同樣針對“10.15”沖擊地壓事故發生前采用優化后監測的微震能量演化規律見圖6.

圖6 優化后監測的微震能量分布演化規律圖

由圖6可知，優化后監測的微震能量分布演化規律較傳統方法監測的微震能量分布演化規律要顯著。圖6中只對微震能量大于102J的事件進行了平均化分布，其中圖6a)所示10月10日的微震能量事件平均化分布云圖中開始出現能量事件平均化分布集中區，但是集中區面積較小且集中程度較低。圖6b)，c)，d)，e)所示的微震能量事件平均化分布云圖中能量事件平均化分布集中區面積開始變大且集中程度越來越高。圖6f)所示的微震能量事件平均化分布云圖中能量事件平均化分布集中區中集中程度最高的位置處發生了“10.15”沖擊地壓顯現。可見，通過優化后監測的微震能量演化規律能夠很好地對能量事件平均化分布集中區進行監測，并能實時分析集中區的演化規律以及其中能量的集中程度狀況，起到了事前對沖擊顯現位置監測預警的效果。

4 結 論

1) 針對典型的4種沖擊地壓從動靜載疊加誘發沖擊地壓機理的角度進行了分析，指出煤柱型和構造型沖擊地壓的誘導因素以靜載荷為主，動載荷為輔；而斷層型和頂板型沖擊地壓的誘導因素以動載荷為主，靜載荷為輔。

2) 基于誘發沖擊顯現的能量判據準則，當采掘周圍煤巖體內積聚的彈性應變能高于其發生失穩破壞所需的最小彈性應變能時，煤巖體將會瞬間失穩誘發沖擊顯現。因此，對于不同誘因的沖擊地壓的監測預警均可從能量的角度入手，采用微震能量監測預警技術。

3) 傳統方法監測的微震能量分布演化規律較為不明顯，監測預警效果較差，難以實現對于沖擊危險區域的識別目的。根據Frankel等基于空間光滑地震活動性模型優化后監測與預警分析方法能夠很好地對能量事件平均化分布集中區進行監測，并能實時分析集中區的演化規律以及其中能量的集中程度狀況，起到了事前對沖擊顯現位置監測預警的效果。