沖擊地壓煤礦井上下微震聯合監測技術

杜濤濤

（1.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭科學研究總院 開采研究分院，北京 100013；3.天地科技股份有限公司 開采設計事業部，北京 100013）

微震監測是地球物理方法之一，是沖擊地壓礦井應用非常普遍的一種區域性監測手段，可以實現對煤巖體的全礦井、實時、三維空間立體監測，全方位地揭示工作面圍巖內部的破裂和運動規律，進而對沖擊地壓危險進行動態評估與預警，是我國沖擊地壓[1-6]區域監測及防控過程不可缺少的手段。

微震監測技術研究及推廣應用廣泛，竇林名等[7]把微震監測技術應用在震動場研究方面；姜福興等[8-9]應用微震監測研究了千米深井厚煤層綜放面支架圍巖關系，采用微震監測技術應用于采場回采前沖擊危險動態評估；何學秋等[10]研究了微震監測技術實現區域監測的理論基礎，建立了相應指標評價體系，并在煤與瓦斯突出礦井進行了應用試驗；歐陽振華等[11]研究了微震監測結果和工作面礦壓觀測結果的關聯關系，應用于淺埋煤層動載礦壓預測；秦忠誠等[12]采用微震監測技術研究了“兩硬”綜放工作面覆巖運動規律；呂鵬飛等[13]分析了微震源分布與垂直應力二次分布和超前支承壓力分布的關系；劉金海[14]指出KJ551 微震監測系統用于監測中高頻震動事件，起到局部震動監測作用；ARAMIS 微震監測系統用于監測中低頻震動事件，覆蓋范圍數千米，起到區域震動監測作用；KJ874 礦山地震監測系統用于監測低頻震動事件，覆蓋范圍達數萬米，起到礦區震動監測作用；夏永學等[15-16]采用ARAMIS M/E 微震監測系統研究了千秋煤礦21141 工作面圍巖破壞和應力分布特征，為提高沖擊地壓預測預報水平優選完善了微震監測的5 個指標，并應用于沖擊地壓預測中。

近年微震監測技術在快速發展與應用的同時，垂直方向定位精度不理想的問題較為常見，無法有效分析確定沖擊致災關鍵巖層，在鄂爾多斯新街礦區、呼吉爾特礦區，納林河礦區，榆林的榆橫礦區、榆神礦區，由于煤層分布多為近水平，同時由于礦井多為近年來的新建礦井，目前處于單一煤層開采時期，造成井下微震傳感器布置多處于近水平狀態，垂直落差小，微震臺網在垂直方向的分布較差，影響了微震監測垂直方向的定位精度和有效監測，新疆烏魯木齊礦區的近直立煤層條件也面臨同樣的問題。為此，在研究成果[17-18]基礎上，進一步開展的煤礦井上下微震聯合監測技術及其應用研究。

1 研究背景

1.1 近水平煤層工作面微震監測

鄂爾多斯地區門克慶煤礦主采3-1近水平煤層，煤層埋深約700 m，煤層厚度在4.7～6.0 m 之間，平均5.35 m，3-1煤層直接頂為灰色的粉砂巖，平均厚度4.7 m；基本頂為灰白色的細砂巖，平均厚度17.68 m。3-1煤層直接底為灰色的粉砂巖，厚度平均10.29 m；基本底為灰白色的細砂巖，平均厚度21.9 m。

礦井初期僅布置井下微震監測傳感器進行監測，獲取巖體產生微破裂過程所發出的地震波信息，確定微震事件發生位置，揭示開采過程圍巖活動高度，近水平煤層井下微震監測效果如圖1。

圖1 近水平煤層井下微震監測效果Fig.1 Micro-seismic monitoring effect in near horizontal coal seam

圍巖活動高度為煤層上下20 m 范圍，按照煤厚5.35，碎漲系數1.2，計算得到垮落帶高度為26.75 m，其上為斷裂帶，開采過程隨巖層裂隙產生、擴展、破裂過程必然產生微震事件，然而斷裂帶范圍沒有微震事件分布，由此可見監測效果不理想。

1.2 近直立水平分層工作面微震監測

新疆烏東煤礦南區主采煤層為B1+2煤層和B3+6煤層，兩煤層平均傾角87°，屬近直立煤層，兩煤層之間為巖柱，平均厚度80 m；B1+2煤層平均厚度37.5 m，B3+6煤層平均厚度48.9 m，采用水平分段綜采放頂煤開采方法。礦井采用微震監測系統，在開采分層工作面兩巷道按平行四邊形的方式布置微震傳感器，進行沖擊危險區域監測，近直立煤層井下微震監測結果如圖2。

圖2 近直立煤層井下微震監測結果Fig.2 Micro-seismic monitoring effect in near vertical coal seam

圍巖活動主要集中在開采分層上下31 m 范圍，在開采水平以上43 m 范圍有較少的微震事件出現；由于井下空間無法形成有效的高差，為提高垂直方向的監測范圍，把安裝在井下的微震傳感器布置在地表，微震臺網高差形成后，監測到距離開采水平分層上方170 m 范圍的巖柱有活動現象。

綜上所述，近水平單一煤層、近直立煤層水平分層開采的工作面，當僅采用井下微震監測臺網布置時，微震臺網形成的高差不足，造成監測高度受限、垂直方向定位精度受到影響；當把用于井下安裝的傳感器安裝在地面時，能夠監測到較高層位產生的微震事件，垂直方向的監測范圍有所提升，但井下傳感器布置地面需要布置電纜進行數據傳輸，不僅工程量大、維護困難，而且受井下微震傳感器靈敏度等影響，應用效果不理想。

2 井上下微震聯合監測技術

2.1 技術原理

礦井垂直剖面上，震源與各臺站連線之間的最大夾角，稱之為垂直最大空隙角θ。研究[18]表明，當θ≤90°，臺站能從四象限包圍震源，臺網垂直分布最佳，震源深度的測定誤差最小；當θ＞180°時，臺站都位于震源一側，監測效果不好。因此最大空隙角越小，臺網對震源區域的包裹性越好，井上下微震聯合監測原理示意圖如圖3。

由圖3（b）可以看出，當僅在井下同一層位的煤層中布置微震臺站時，垂直最大空隙角為θ1＞180°，臺站均位于震源下方，震源深度的測定誤差較大，稱之為“垂直高差效應”；當進行井上下聯合監測時，垂直最大空隙角為θ2，很明顯θ2＜90°，臺站能更好的包圍震源，臺網垂直分布最佳，震源深度的測定誤差最小。因此對于近水平、水平、近直立水平分層開采的煤層，僅僅依靠布置在同一層位煤層內的監測臺站，由于垂直最大空隙角過大，造成震源垂直定位誤差較大，此時可以通過增加地面監測臺站的方式，可以有效降低臺網的垂直最大空隙角，提高震源深度的監測精度。

圖3 聯合監測原理示意圖Fig.3 Schematic diagrams of joint monitoring

2.2 地面布置臺站增大z 坐標差值

根據微震定位原理，微震臺站z 坐標差距小是垂直方向定位精度低的原因，因此提出井上下微震聯合監測技術，通過地面布置臺站以增大z 坐標差距，與井下微震監測臺站配合，共同參與震源定位。井上下微震聯合監測布置示意圖如圖4。

圖4 井上下微震聯合監測布置示意圖Fig.4 Layout diagrams of joint monitoring of surface and underground micro-seismic monitoring

研究和實踐表明，將井下微震傳感器安裝在地面，由于井下微震傳感器監測靈敏度不足，并不能有效解決微震監測“垂直高差效應”。以ARAMIS M/E微震監測系統為基礎，引進了ARP 專用井上微震拾震器，形成井上下微震聯合監測臺網。

2.3 系統構成

井上下微震聯合監測系統構成圖如圖5。

圖5 井上下微震聯合監測系統構成圖Fig.5 Composition diagram of joint monitoring of surface and underground micro-seismic monitoring

以ARAMIS M/E 微震監測系統為基礎，ARP2000 系統各個監測臺站將監測到的震動波數據傳送至數據處理計算機內的ARP2000 軟件中，經過ARP2000 系統軟件的預處理并保存至ARP2000 軟件內。在使用ARAMIS M/E 微震監測系統定位時，調取ARP2000 系統軟件內各個監測臺站的震動波數據，參與到微震事件的定位中。

ARAMIS M/E 微震監測系統構成：信息傳輸系統（DTSS），該部分包括：地面SP/DTSS 信息收集站，其由OCGA 數字信號接收裝置、配備GPS 時鐘的ST/DTSS 傳輸系統控制模塊、主通道切換模塊以及SR 15-150-4/11 I 型配電裝置；SN/DTSS 井下分站，其包括SPI-70 拾震器以及NSGA 震動信號發射裝置。ARP2000 系統包含基站部分和分站部分。基站部分位于地面控制中心，由具有互聯網連接的PC機和進行記錄數據存檔、可視化及預處理的軟件組成。分站部分包括三分量LKP-ARP 監測集中器和加速度傳感器或速度傳感器。

2 套微震監測系統采用絕對時間同步和4G/5G數據傳輸技術進行監測數據的融合，可實現對空間距離1 500 m 范圍內的100 J 事件進行有效監測，確保監測數據的一致性和實效性。

3 井上下微震聯合監測應用

3.1 在門克慶煤礦的應用

門克慶煤礦位于內蒙古自治區鄂爾多斯市呼吉爾特礦區中部，井田總體構造形態為向西傾斜的單斜構造，地層傾角1°～3°，主要開采3-1煤，主采工作面為3102 工作面和3104 工作面，以這2 個工作面為重點監測區，共在井下安裝27 個微震監測臺站，在3102 工作面和3104 工作面的地面分別安裝1 臺ARP 地面微震監測系統臺站，井上下微震聯合監測臺網、地面ARP 臺站。

現場監測期間，地面監控室為井上下微震聯合監測系統的遠程控制中心，該系統采用高精度GPS衛星同步控制，通過4G 無線信號將各ARP 監測分站的數據實時傳輸至微震分析電腦，實現聯合監測各臺站時間的一致性。井上下微震聯合監測臺網微震事件分布圖如圖6。

圖6 井上下微震聯合監測微震事件分布圖Fig.6 Micro-seismic events distribution diagram of joint monitoring of surface and underground micro-seismic monitoring

由圖1 井下微震監測效果可知，井下臺網單獨定位時微震事件點均分布在煤層附近，微震活動無法準確煤層頂底板各層位巖層的破裂狀態，無法為礦井沖擊地壓的防治層位提供有效指導。由圖6 可知，10 J 及以下的微震事件最高發育至煤層上方128 m 處的細砂巖中，但該巖層鮮有102J 及以上的微震事件；102J 及以上的微震事件主要分布在煤層上方80 m 范圍巖層內，該范圍內的巖層是易發生高能量微震事件。通過開展井上下微震聯合監測現場實踐，能夠較好的確定不同能量級別的微震事件發生層位與高度范圍，依據高能量微震事件發生的層位，進一步分析揭示強烈能量釋放的主要巖層，為礦井沖擊地壓主要巖層控制提供有效指導。

應用井上下微震聯合監測技術，門克慶煤礦分析了開采過程采空區“礦震”顯現的發生原因及發生層位，揭示了高位厚層頂板活動范圍，探索了堅硬頂板“中-高”位耦合預裂減震技術，開展了誘發礦震的厚層頂板控制工程實踐，即針對煤層上方100 m范圍內引發礦震頻發的40 m 的厚粗砂巖，增加了高位厚層堅硬頂板爆破預裂方案，在3102 回風巷布置1 組3 個鉆孔，最深孔115 m，垂深80 m，單組鉆孔起爆裝藥量達608 kg，與礦井采取的中位頂板爆破預裂方案聯合實施，實現了不同層位的頂板耦合控制，實踐表明，通過提前破斷煤層上覆中高位巖層，有效控制了礦震的發生。

3.2 在紅慶河煤礦的應用

紅慶河煤礦近水平單一煤層開采，ARAMIS M/E井下微震監測系統臺站z 坐標高差小，造成井下微震監測系統在揭示高位巖層活動方面效果不理想，為了提升微震監測臺網z 方向坐標高差，在地面共安裝了5 個ARP 2000 P/E 地面微震監測系統臺站，其中A1 臺站布置在三采區，A2 臺站布置在一采區3-1105 工作面切眼附近，A3 臺站位于3-1105 工作面中部附近，A4 臺站位于3-1403 工作面中部，A5臺站位于工業廣場，與ARAMIS M/E 井下微震監測系統聯合，形成了井上下微震聯合監測臺網。

井上下微震聯合監測表明，煤層頂板上方第1區域（84～190 m）巖層以小能量事件發生為主，表明巖層破裂發展高度達到190 m；104J 及以上微震事件主要發生在煤層頂板上方第2 區域（23～84 m）的厚層中粒砂巖巖層，該巖層屬于厚層難垮頂板，通過監測發現，期間引起現場劇烈能量釋放主要發生該巖層中，尤其以40.5～84 m 高度的巖層能量釋放最為劇烈，從而得到該區域厚層中粒砂巖是造成工作面沖擊致災的主要巖層，對沖擊危險具有主要的控制作用，即將此巖層作為目標巖層；102J 及以下微震事件主要分布在煤層頂板上方第3 區域（0～23 m）。沖擊地壓主控巖層確定應用效果如圖7。

圖7 沖擊地壓主控巖層確定應用效果Fig.7 Determination and application effect of rockburst main control strata

由圖7 可知，大能量事件主要發生在煤層頂板上方23～84 m 范圍內的中粒砂巖巖層，該巖層屬于厚層難垮頂板，通過實際的回采過程監測可知，引起現場劇烈能量釋放的區域主要發生在中粒砂巖巖層中，尤其以煤層頂板上方40.5～84 m 區域內的巖層能量釋放最為劇烈。綜上表明，該區域的厚層中粒砂巖是引起工作面沖擊致災的主要巖層，對沖擊危險具有主要的控制作用。

通過應用井上下微震聯合監測，提高了垂直方向的定位精度，有效揭示了高位厚層頂板的沖擊致災巖層，不僅解決了長期以來困擾紅慶河煤礦高位頂板是否致災的主要難題，也為紅慶河煤礦沖擊地壓高位厚層頂板防控提供了依據。

4 結 語

1）基于垂直最大空隙角θ 分析，當僅在井下同一層位的煤層中布置微震臺站時，垂直最大孔隙角θ1＞180°，臺站均位于震源一側，稱之為“垂直高差效應”，造成水平煤層、近水平煤層、急傾斜水平分段布置煤層震源垂直定位誤差較大。

2）井上下聯合微震監測技術以ARAMIS M/E微震監測系統為基礎，引進了ARP 專用井上微震拾震器，形成井上下聯合監測臺網，有效提高微震監測垂直定位精度。

3）門克慶煤礦應用井上下微震聯合監測技術，揭示了誘發礦震的巖層層位與高度，提升了礦井解決礦震頻發的技術水平以及采取措施的針對性；紅慶河煤礦應用此微震聯合監測技術，確定了沖擊致災主控巖層層位與高度，揭示了高位頂板沖擊致災性，應用效果良好。