大同忻州窑矿“三硬”煤层开采微震规律及监测技术

樊继强

大同忻州窑矿“三硬”煤层开采微震规律及监测技术

樊继强

针对大同矿区忻州窑矿典型的坚硬顶-煤-底“三硬”条件的特点，分析研究了冲击矿压发生时微震信号变化规律，建立了适合大同矿区的冲击危险监测技术体系，取得了较好的效果。

冲击矿压；微震；监测技术

矿井开采过程中，由于应力的集中和岩层的运动，将会导致煤岩体的震动，从而释放出大量积聚的能量，形成微震（矿震），严重时将导致冲击矿压的发生。大同煤矿集团公司忻州窑煤矿位于大同煤田的东北部，开采侏罗系煤层，已有60多a的开采历史。采用多煤层联合开拓，层间距0 m～30 m，顶板普遍存在有10 m～25 m的厚层状整体砂岩，普氏系数f=8～16；煤层厚度0.80 m～13.02 m，普氏系数f=3.0～4.5，属典型的坚硬煤层、坚硬顶底板的“三硬”条件。忻州窑煤矿发生过30多起典型的冲击矿压事故，表现为巷道煤帮突然猛烈抛出，造成巷道严重破坏和人员伤亡事故，成为忻州窑煤矿的重大动力灾害之一。为保证矿井的安全，矿井基于SOS微震监测系统建立了适合大同矿区的冲击危险监测技术体系，分析了工作面冲击矿压显现发生的原因、类型、机理、特征，以及主要影响因素，圈定了矿压显现危险性大的区域和重点防治区域，取得了较好效果。

1 现场微震规律分析

冲击矿压发生前，微震信号的频谱主要分布在0 Hz～70 Hz，低频成分较多，且震动速度较低，此时微震信号的主频带为10 Hz～35 Hz，震动速度高于冲击之前的微震信号。当煤体发生冲击矿压时，微震信号的主频带为0 Hz～10 Hz，且震动速度较高，达到10 m/s～3 m/s。冲击矿压发生后，由于顶板内部重新产生了大量的微裂纹以及煤体产生强烈的震动，导致微震信号的频谱又呈现出多峰值型的高频特征，主频带分布在0 Hz～50 Hz，其中高频成分急剧增加。

微震平面定位结果表明，震源主要位于工作面及相邻未采面和采空区内，影响范围为采空区后方100 m～150 m，工作面前方100 m左右。能量数量级103J的震动多发生在采空区及工作面顶底板，能量数量级104J的震动多发生在采空区，能量数量级105J的震动多发生在靠近区段煤柱及工作面前方100 m范围内。整体层位上，大能量震动多发生在15 m内的顶板和震动区域底板向下50 m范围。

冲击发生前震动的能量及次数明显变化，幅度较大，接着出现几天的平静期，能量及频次降至很低水平，变化趋势比较异常，急剧上升急剧下降，预示着冲击危险性很高。根据现场分析，当日均累计能量为3.77E+05J，日平均能量2.15E+04J，日平均震动次数16次，冲击危险性极大，须采取必要措施治理。

2 监测技术研究

岩层破裂造成工作面开采区域周围总是形成一侧应力降低区与一侧高应力集中区，如图1所示。在没有外力的作用下，两者的存在总是相辅相成的。由纵波波速与应力的实验关系模型，裂隙带区域对应低波速区，而应力集中区域则对应高波速区，从高波速向低波速的过渡带也是冲击危险的区域。应力在超过煤岩体的极限强度时将发生破坏，可能造成煤岩体的动力性失稳，从而发生冲击矿压，危害矿井的安全生产。

微震CT反演计算选取2008年5月至7月的震动波形作为研究数据。危险指标及波速反演结果表明8929工作面存在3个冲击危险区域。8929工作面推进的两边各存在一个冲击危险区域，相比5929巷道，2529巷附近的危险区域更偏向实体煤侧。第三个危险区距工作面前方230 m左右，而且前方还存在一个负异常带。综合3个危险指标确定5929巷与2529巷上的危险带为中等冲击危险，第三个区域为强冲击危险区域。下一时段的大部分高能量震动都发生在预警的3个危险区域内，而其中3个冲击矿压事件全部发生在预警的强冲击危险区域内，体现了微震CT预警技术的有效性和冲击危险预警指标的准确性。

3 实施效果分析

选取忻州窑煤矿8929工作面作为微震CT预警的应用实践典型。首先评价了研究区域内的震源定位能力，对工作面回采过程中记录的矿震信号进行了最优通道个数选择和P波波速确定的研究。根据反演波速分布，利用3个冲击危险指标预警了下一个时段的冲击危险区域及危险级别，其后的监测结果显示冲击矿压大部分都发生在预警的危险区域内，并且很好地对应了应力集中区位置，表明微震CT技术用于冲击危险预警是可行且准确的。在具有冲击矿压危险的8929工作面，实现了工作面回采全过程的安全生产，安全采出煤炭约170万t。提高了大同矿区冲击矿压灾害的监测水平，减少了冲击矿压监测的盲目性，为大同矿区制定防御、减轻和控制冲击矿压动力灾害提供了可靠的科学依据，提高了矿井开采的安全性，减少了经济损失。

On Microseismic Rules and Monitoring Technology of“Three Hard” Coal Bed Mining in Xinzhou Kiln Ore,Datong Mine

Fan Jiqiang

For the characteristics of typical“three hard” (top-coal-bottom)in Xinzhou kiln ore and Datong mine,this article analyses and studies microseismic signal change rules when rock-burst occurs,sets up the impact risk monitoring and technical system for Datong mine,and achieves good results.

rock-burst;microseism;monitoring technology

TD323

A

1000-4866（2011）04-0008-02

樊继强，男，1972年6月出生，1997年6月毕业于山西矿院（采矿专业），现在大同煤矿集团公司安监局工作，工程师。

2011-09-08

2011-09-29