基于現場礦壓顯現的微震預警指標研究

王志堅，蘆盛亮，李 鋼，查 穎，蔡宏偉，韓大永

（1.潞安化工集團 余吾煤業公司，山西 長治 046000；2.沈陽市汽車工程學校，遼寧 沈陽 110000；3.吉林省能源投資集團有限責任公司，吉林 長春 130000；4.沈陽焦煤股份有限公司 紅陽三礦，遼寧 沈陽 110000）

1 概 況

煤層開采對巖層造成一定的擾動，在一定條件下會形成礦壓顯現，導致一定的災害。為了對礦壓顯現進行預測和預防，需要采取有效的措施對礦壓變化進行監測。煤礦開采過程中，礦壓會隨著時間變化而變化，傳統的礦壓監測方法存在一定的局限性。微震監測是利用巖體破壞產生的微震信息對巖體的破壞進行度量，微震信號越強，巖體破碎越劇烈，巖體的應力變化越大。通過現場監測微震信號，建立微震信號特征與礦壓顯現之間的關系，是礦壓顯現預測的有效方法。

余吾煤礦N1100 工作面為一側沿空工作面，自2022 年3 月回采到2022 年8 月17 日，工作面共回采約280 m，逐漸處于工作面見方期，同時該工作面膠帶順槽沿N1101 工作面采空區布置，工作面間區段煤柱寬30 m，綜合導致工作面回采過程高應力顯現明顯，自2022 年5 月份開始膠帶順槽逐漸出現頂板錨桿錨索失效等情況。在開采過程中，進行了微震監測，并發現大能量微震事件，本文旨在建立微震信號特征與礦壓顯現之間的關系。

2 微震監測及礦壓顯現情況

2.1 微震監測情況

微震監測是利用煤巖破裂產生的微震信息來研究煤巖體結構和穩定性的一種實時、動態、連續的地球物理監測方法，其原理是通過分析微震事件的空間分布特征，并結合礦山壓力相關理論，分析煤巖體應力集中區，進而對未來礦壓顯現的強度、發生地點進行預測。微震監測系統由微震傳感器、信號采集系統、數據傳輸系統、時間同步系統和數據分析系統等組成。

余吾煤礦N1100 工作面采用ARAMIS M/E 微震監測系統，該系統可以計算出井下震源發生的位置、時間和能量。通過分析震動的位置、頻率和能量等數據，提前預測大能量事件可能發生的位置，由此采取相應的防治措施，避免礦壓顯現的發生。

N1100 工作面微震測點布置如圖1 所示，工作面共布置4 個微震測點（T26、T27、T28 和S24），并隨著工作面回采，測點隨之移動，始終保持對工作面回采期間進行微震活動監測。

圖1 N1100 工作面微震測點布置Fig.1 Microseismic measuring point arrangement of No.N1100 Face

從2022 年3 月到2022 年8 月17 日，N1100工作面共回采280 m，在回采工程中，微震監測系統共監測到微震事件2 536 個，其中小于1×103J微震事件1 676 個，1×103～1×104J 微震事件842個，大于1×104J 微震事件17 個。圖2 為N1100工作面大于1×103J 微震事件平面投影，深色為1×103～1×104J 微震事件，淺色為大于1×104J微震事件。可以看出，微震事件基本發生在工作面前方，在東鄧向斜附近出現大能量微震事件。在工作面前方和地質構造附近巖石所受的應力較大，這在一定程度上表明微震事件與應力升高有關。

圖2 N1100 工作面103J 以上微震事件平面投影Fig.2 Plane projection of microseismic events above 103 J in No.N1100 Face

2.2 礦壓顯現情況

自2022 年5 月份開始，工作面回采60 m 左右，N1100 工作面膠帶順逐漸出現頂板錨桿錨索失效情況。隨著工作面繼續回采，膠順巷受30 m 煤柱及N1101 采空區影響，超前工作面100 m 范圍內巷道變形較大，底鼓量最大達到1.2 m，幫鼓最大達到0.8 m。現場錨桿錨索失效具體情況如圖3和圖4 所示。

圖3 頂板錨桿錨索失效情況Fig.3 Failure of roof bolt and anchor cable

圖4 順槽頂板錨桿錨索失效根數情況Fig.4 The number of failed bolt and anchor cable in the roof of the roadway

由圖4 可以看出，自2022 年5 月8 日錨桿錨索開始出現失效現象；在2022 年5 月8 日～2022年7 月8 日期間，錨桿錨索失效現象較少；從2022年7 月8 日開始，錨桿錨索失效現象開始增多，在7 月10 錨桿錨索失效數達31 根，隨后基本連續幾天或相隔幾天就出現錨桿錨索失效現象。從錨桿錨索失效累積數曲線可以看出，錨桿錨索失效累積曲線由平穩增加逐漸向急劇增加再向平穩增加轉化。

3 工作面礦壓顯現微震預警指標分析

通過現場監測的結果來看，錨桿錨索失效與礦壓顯現具有密切相關性，且礦壓顯現與微震事件也存在著一定的關系。為此，分析微震信號和錨桿錨索失效的關系，找出合理的礦壓顯現微震預警指標。

3.1 日微震頻次預警指標

在2022 年5 月8 日到2022 年8 月6 日期間，錨桿錨索日失效根數、日響煤炮個數及日微震頻次之間變化規律如圖5 所示。可以看出，三者之間具有較好相關性。在7 月10 日前，錨桿錨索日失效根數具有波動增長的趨勢，響煤炮個數也逐漸增加，在這期間微震日頻次具有明顯增加的趨勢，這表明礦壓開始增加，巖石的破裂加劇；在7 月10日當天，錨桿錨索日失效根數達到最大值31 根，此段時間微震日頻次達到較高水平的平均值，約為40 次；在錨桿錨索日失效根數逐漸減少時，微震日頻次也逐漸減小，這表明錨桿失效與微震日頻次存在顯著的相關性。因此，可以通過微震日頻次變化預測礦壓顯現。

圖5 錨桿錨索日失效根數、日響煤炮個數及日微震頻次之間關系Fig.5 The relationship between the number of daily failed bolt and anchor cable,the number of daily coal cannon and the frequency of daily microseismic

3.2 日累積微震總能量預警指標

在2022 年5 月8 日到2022 年8 月6 日期間，錨桿錨索日失效根數、日響煤炮個數及日累積微震總能量之間變化規律如圖6 所示。可以看出，三者之間具有較好相關性。在7 月10 日前，錨桿錨索日失效根數具有波動增長的趨勢，響煤炮個數也逐漸增加，在這期間日累積微震總能量具有明顯增加的趨勢；在7 月10 日當天，錨桿錨索日失效根數達到最大值31 根，此段時間日累積微震總能量達到較高水平為5×104J；在錨桿錨索日失效根數逐漸減少，微震日頻次也逐漸減小。因此，可以通過日累積微震總能量變化預測礦壓顯現。

圖6 錨桿錨索日失效根數、日響煤炮個數及日微震累積總能量之間關系Fig.6 The relationship between the number of daily failed bolt and anchor cable,the number of daily coal cannon and daily microseismic cumulative total energy

3.3 單個微震事件最大能量預警指標

2022 年6 月10 日到2022 年8 月19 日，日微震頻次、單個微震事件最大能量、日累積微震總能量之間變化規律如圖7 所示。

圖7 日微震頻次、單個微震事件最大能量、日累積微震總能量之間變化關系Fig.7 The relationship between the frequency of daily microseismic events,the maximum energy of a single microseismic event and the total energy of daily cumulative microseismic events

可以看出，三種微震指標變化規律具有較好一致性。自7 月28 日開始，104 J 以上大能量微震事件逐漸增多，且基本每天都會發生，微震事件頻次和總能量也顯著增多；當單個微震事件能量大于104J 時，日微震頻次基本均超過40 次，或日累積微震總能量基本均超過105J，這在一定程度上表明微震能量與礦壓顯現存在著定量的關系。因此，基于日微震頻次和日累積微震總能量預警指標，確定單個微震事件最大能量預警指標為1×104J。

4 結 語

基于現場礦壓顯現規律與微震監測數據關系，初步得出余吾煤礦N1100 工作面礦壓顯現微震預警指標為日微震頻次40 次、日累積微震總能量5×104J、單個微震事件最大能量1×104J。這些指標可為礦壓顯現微震預測提供現場指導，但在指標的準確性方面還有待進一步測量。