郭家河煤礦1308工作面微震監測預警指標優化研究

鐘宜濤，石翔元

(1.陜西麟北煤業開發有限責任公司，陜西 寶雞 721500；2.陜西郭家河煤業有限責任公司，陜西 寶雞 721500)

0 引言

礦震是一種典型的煤巖動力現象，強度大時易造成聚集在巷道周圍煤巖體中的能量突然釋放，即沖擊礦壓的發生，表現為在井巷發生爆炸性事故，動力將煤巖拋向巷道，同時發出強烈聲響，造成煤巖體震動和破壞，有時誘發瓦斯突出、煤塵爆炸、火災以及水災等次生災害[1-4]。因礦震造成的災害具有突發性、瞬時震動性、巨大破壞性的特征，一般沒有明顯的宏觀前兆而突然發生，難以事先準確確定發生的時間、地點和強度，發生過程短暫，像爆炸一樣伴有巨大的聲響和強烈的震動，有時造成人員傷亡。微震監測系統成為沖擊地壓防治的一個日常監測手段和分析工具，探索沖擊礦壓的預測技術[5-7]。

隨著煤礦企業對沖擊地壓的重視和先進檢測設備的使用，通過煤巖沖擊危險性和沖擊地壓發生機理、微震能量事件大小及頻率等觀測、監測手段對各種參量監測預警指標細化和綜合化、發生事件和時空關系以及沖擊地壓造成的綜合危害研究不斷深入，應用沖擊地壓危險區域的劃分和以多參量監測預警體系對沖擊地壓預警和治理不斷提供新的思路[8-11]。

郭家河煤礦井田含煤地層為侏羅系中統延安組，地質條件較為復雜。經鑒定郭家河煤礦主采煤層3號煤及頂底板巖層沖擊傾向性屬于Ⅱ類，具有弱沖擊傾向性。委托科研機構對郭家河煤礦的沖擊地壓危險性進行了綜合評價，結果顯示礦井各工作面沖擊危險指數為0.48，具有弱沖擊危險性。現1308工作面回采采用走向長壁后退式全部垮落綜合機械化放頂煤采煤法。礦井與科研院所合作對沖擊地壓進行研究，對微震監測檢驗參數指標進行修正。沖擊危險性劃分判定由多因素疊加分析鄰近采空區、受斷層等地質構造影響的區域定性為中等沖擊危險區。

1 微震監測法

1.1 監測系統

利用SOS微震監測系統對礦井采掘生產區域進行沖擊地壓危險實時監測，在正常回采過程中，通過SOS微震監測系統對集中動載荷進行監測，獲取大范圍內微震事件數目、位置以及能量大小等，再綜合進行沖擊危險程度的判定[12-15]，根據危險程度采取相應的應對措施。微震主要記錄震動發生的三維位置和震動釋放的能量。當礦井的某個區域監測到礦震釋放的能量大于發生沖擊地壓所需的最小能量時，則該區域在當前時間內有發生沖擊地壓的危險性。同時沖擊地壓的危險性也可通過分析震動的位置規律性來判斷。如果在礦井的某個區域內，在一定的時間內，已進行了微震監測，根據觀測到的微震能量水平、震動位置變化規律，就可以捕捉到沖擊地壓危險信息，并進行沖擊地壓預測預報。

1.2 工作面沖擊危險指標

根據1307工作面的監測分析結果，微震事件以1×102～1×104J的中小能量事件為主，1×105J以上的強礦震事件相對較少，月震動頻次與1307工作面的月進尺密切相關，震動頻次與月進尺升降變化基本同步，尤其是1×103～1×104J能量級別的微震事件。

根據中國礦業大學的牟宗龍教授關于《1308工作面沖擊地壓危險性評價與防沖專項設計》研究報告表明：采煤工作面前后100 m及開采邊界及其外側50 m范圍內出現單次震動能量超過1×105J，可預測該區域有沖擊危險，應采用鉆屑法進行校驗；震動次數和震動能量同時增加時，是沖擊地壓危險上升的征兆；震動次數減少，但震動能量增加時，是沖擊地壓危險上升的征兆，其中震動次數開始下降的幾個生產循環(采掘工作面最少推進10 m)的初期階段可能特別危險，預示著巖層中能量積蓄。根據1307工作面的監測經驗，回采工作面區域微震預警值不大于1×104J、臨界值不大于1×105J(統稱大能量事件)。當回采工作面區域發生大于1×104J的震動事件時進行預警，因此通過1308工作面的微震數據統計，對預警指標進行優化后給出量化指標。此外，根據各時期礦震的監測結果，給出各區域礦震活動的強弱。

1.3 微震系統

拾震器布置：1308工作面附近共布置6個微震監測點，用于監測工作面微震事件。1308皮帶順槽布置2臺拾震器，1308回風順槽布置2臺拾震器，西翼輔運下山布置2臺拾震器。

拾震探頭的調整：工作面推采過程中及時挪移順槽微震探頭，每當探頭距工作面100 m時向外轉移100 m，保證探頭與工作面相距100～200 m有效監測范圍。為提高定位精度，探頭安裝均使用導線點控制。通過勘察現場和詢問作業人員現場動力現象分析微震事件對回采工作面產生的影響。

2 數據收集與分析

2.1 數據收集

通過對郭家河煤礦2019年5月18日0點至6月18日0點一個月的微震數據收集分析，采集數據時間共32日，共監測到有效震動事件2 754次，其中大于1×104J的187次，大于1×103J的1 566次，1308工作面共監測有效事件2 036條，大于1×103J的1 277次，大于1×104J的98次。篩選1308回采工作面及其影響范圍，特別是相鄰1306采空區與相關的地質構造附近發生的微震事件，通過震動次數比率和震動能量結合研究事件數比率與沖擊來壓之間的關系。

2.2 數據分析

篩選區域的微震事件分布圖如圖1所示，即1308工作面微震事件分布圖。圖中用紅、黃、藍、綠分別代表相應的n次方事件，從大到小分別是紅、黃、藍、綠。根據大能量事件發生時間對比可知，1308工作面大能量事件與周圍區域大能量事件發生時間基本重合。1308大能量事件是區域大能量事件的組成部分。礦井最大能量事件發生在第3日早晨8：00前后，8.40×105J，震源位置1304工作面采空區。1308工作面最大能量事件發生在第1日，這時微震事件有效頻次減少，但能量為9.9×104J，震源位置1308與1306工作面之間煤柱處，工作面觀測區域底鼓量增加。第7～14日，當微震事件數有效頻次大于130次時，震動能量同時增加，工作面觀測區域動力顯現比較明顯，有明顯的煤炮，順槽底鼓量比較大。

(紅點代表5次方事件，黃點代表4次方事件，藍點代表3次方事件，綠點代表2次方事件)圖1 1308工作面微震事件分布Fig.1 Distribution of microseismic events in No.1308 working face

對1308工作面微震系統監測的大能量事件(大于1×104J震動事件)在本區域有效能量事件所占比例隨時間變化關系如圖2所示，即1308工作面微震大能量事件比例變化曲線圖。由圖2分析可知，第2日和第21日比例達到最低，第3日1308工作面大能量事件之前所占區域大能量事件比例明顯低于0.4，此時大能量事件增加。第11～15日微震事件數比例高于0.8，結合現場勘探，當被監測區域動力顯現比較明顯，煤炮增加，底鼓量增大，沖擊危險性相對嚴重。

圖2 1308工作面微震大能量事件比例變化曲線Fig.2 Proportion change of microseismic large energy events in No.1308 working face

3 結論

(1)當監測區域微震事件發生比例上升時(1308工作面微震事件有效頻次數比例高于0.8時)，需采取預警措施，預報即將來壓，采取控制回采速度等方式應對來壓情況。

(2)當監測區域微震事件發生比例明顯降低時(1308工作面微震事件有效頻次數比例低于0.4時)，需對震動次數開始下降的幾個生產循環加強頂板控制，做好支架狀態調整，及時應對大能量事件發生。

(3)當1308工作面微震事件有效頻次大于130次時，需進行預警，加強對監測區域的鉆屑法檢驗。當有明顯動力顯現(煤炮頻繁、底鼓量增加等)應對監測區域采取鉆屑法檢驗和卸壓措施。

(4)在微震監測預警指標優化后，為郭家河煤礦1308工作面沖擊地壓防治提供了有益參考，但大能量事件發生的位置和詳盡時序關系還有待進一步研究。