吉寧煤礦微震監測系統建設與應用研究

蘇壯壯 姚 輝 于 涵

（華北科技學院安全工程學院，北京 065201）

隨著我國煤礦開采深度的增加，突水事故發生的概率也在逐漸變大，因此，開展對水害隱患的監測和預警十分必要[1]。微震監測技術作為確保煤礦安全生產的重要監測預警手段之一[2]，被寫入《煤礦防治水細則》。對于煤礦安全生產而言，搭建微震監測預警系統具有重要意義。吉寧煤礦缺少相應的監測手段，為在礦井回采過程中安全高效完成生產，特建立微震監測預警系統，為整個吉寧煤礦乃至周邊煤礦起到了示范作用，確保了工作面的安全開采。

1 工作面概況

研究區域所在的2107 工作面是2 號煤的回采工作面，該工作面整體處于F5 正斷層與F15 正斷層組成的地塹式構造體中。探明工作面內存在8 條小型正斷層，其中巷道實際揭露5 條，經槽波探測結果結合地面三維地震精細化解釋成果和抽采鉆孔情況判定斷層3 條，分別為F7 正斷層、F7-2 正斷層、F7-3 正斷層。回采過程中會出現煤巖層傾角變大、頂板破碎、片幫、瓦斯涌出等現象，對回采造成很大的影響。

2 微震系統建設

為達到監測吉寧煤礦2107 工作面開采過程中導水通道形成過程，預防礦井突水事故的發生，設計并建設微震監測系統。

2.1 微震監測原理

煤巖體在應力作用下發生破壞，并產生微震動和聲波[3]。微震監測技術就是以這種微弱的震動和聲波來解釋煤巖體在變形和斷裂過程中發生的微震事件。隨著現代計算機技術、通訊技術等廣泛應用，采用震動定位原理，可確定破裂發生的位置，并在三維空間顯示出來[4]，從而準確地對煤巖體的活動范圍及其穩定性做出安全評價[5]。

2.2 微震監測系統簡介

通過對性能參數、成本、服務質量等對比，最終采用北京安科興業股份有限公司依托北京科技大學獨立研發的KJ551 微震監測系統。

KJ551 微震監測系統結構如圖1 所示。安裝在測區內的微震檢波器接收震動信號，傳輸至井上(下)微震監測分站，微震分站將電信號轉換為光信號，經光纖/環網傳輸至微震主機，經由交換機再將信號傳輸至數據采集主機，再傳輸至數據存儲及處理主機進行微震事件的定位分析與多方位展示[6]，將微震監測情況實時展現在綜合預警平臺。

圖1 KJ551 微震監測系統結構

2.3 臺網布置方案

（1）系統整體配置。配備1 臺微震分站，12個檢波器。底板檢波器安裝于回采工作面，主要用于移動較頻繁的區域。

（2）系統測點布置。共布置12 個測點。2107工作面膠帶順槽布置測點6 個（1#～6#），膠帶順槽1#檢波器距離工作面120 m 布置第一個，其余檢波器間隔120 m 連續向后布置。2107 工作面軌道順槽布置測點6 個（7#～12#），軌道順槽距離工作面60 m 布置第一個，其余間距120 m 連續向后布置。系統測點布置及使用電纜情況如圖2。

圖2 工作面微震監測布置示意圖

3 工作面開采過程中監測情況分析

3.1 微震事件監測情況

2019 年11 月22 日—2020 年5 月12 日期間，微震事件共計924 個，平均每天接收5.3 個微震事件。其中1000 J 以上微震事件47 個，占比5.08%，微震事件以中低能量為主，釋放較為緩和。2107 工作面共發生微震事件851 個，占比92.09%。由此可以看出，大部分微震事件發生在2107 回采工作面，具體統計見表1。

表1 微震事件數量統計

由于現場微震傳感器布置間距約為120 m，通過微震事件數量表明，KJ551 微震監測系統具備較強的信號接收能力。

2107 工作面微震事件大部分位于F7 斷層與工作面附近，受F7 斷層影響較為明顯，需重點關注現場支護情況。大能量事件主要發生在回采工作面靠近膠帶順槽一側，與推測斷層較為接近，需重點關注現場支護情況。

3.2 微震監測數據分析

通過對微震事件的部分數據統計得出表2。

表2 吉寧煤業日總能量頻次對比表

所有微震事件 2107 工作面微震事件能量/J 頻次 能量/J 頻次2020.03.25 15 118.29 8 14 248.79 7 2020.03.26 1 191.23 6 1 191.23 6 2020.03.27 1 552.99 7 1 552.99 7 2020.03.28 744.54 3 460.19 2 2020.03.29 2 400.52 8 2 040.23 7 2020.03.30 2 147.09 10 2 147.09 10 2020.03.31 1 206.8 4 1 206.8 4 2020.04.01 549.96 3 549.96 3 2020.04.02 1 035.08 6 878.3 5 2020.04.03 3 935.94 15 3 935.94 15 2020.04.04 5 701.77 24 5 701.77 24 2020.04.05 3 897.63 8 3 897.63 8 2020.04.06 253.7 1 253.7 1 2020.04.07 2 932.45 13 1 952.51 11 2020.04.08 1 588.59 4 1 588.59 4 2020.04.09 3 967.11 7 3 092.7 6 2020.04.10 573.75 4 573.75 4日期

通過對照表2 繪制出折線柱狀圖如圖3。

圖3 折線柱狀圖

如圖3（a）所示，3 月11 日—3 月15 日，微震事件頻次較低，能量較低，但是有緩慢增長過程，直至3 月15 日—3 月19 日，微震事件頻次能量明顯處于高位，處于能量集中釋放期，3 月25 日之后能量頻次都有所下降，進入下一能量積累期。

如圖3（b）所示，2107 工作面3 月11 日—3月15 日處于能量積累階段，3 月15 日—3 月19 日能量頻次都處于較高位置，能量集中釋放期，之后能量頻次有所降低，進入下一能量積累區間。

4 結論

（1）KJ551 微震系統自安裝以來，運行良好，沒有出現較大運行故障，基本滿足現場的監測要求。通過對微震事件能量、數量統計分析，表明KJ551微震監測系統具備較強的信號接收能力。

（2）根據選取的部分數據分析得知：2107 工作面3 月11 日—3 月15 日處于能量積累階段，3月15 日—3 月19 日能量頻次都處于較高位置，能量集中釋放期，之后能量頻次有所降低并進入下一能量積累區間；大部分微震事件發生在2107工作面，且微震事件大部分位于F7 斷層與工作面附近，受F7 斷層影響較為明顯，大能量事件主要發生在回采工作面靠近膠帶順槽一側，與推測斷層較為接近，需重點關注現場支護情況。