微震活动规律及其在煤矿开采中的应用

许红杰，夏永学，蓝 航，刘增平，刘 虎

（1.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013;2.煤炭科学研究总院开采设计研究分院，北京100013;3.山东唐口煤业有限公司，山东济宁 272055）

微震活动规律及其在煤矿开采中的应用

许红杰1，2，夏永学1，2，蓝 航1，2，刘增平3，刘 虎3

（1.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013;2.煤炭科学研究总院开采设计研究分院，北京100013;3.山东唐口煤业有限公司，山东济宁 272055）

研究深部矿区，特别是有煤岩动力灾害矿区的微震活动规律对冲击地压等灾害的预测与防治具有重要意义。利用ARAMIS M/E微震监测系统，研究了唐口煤矿千米深井条件下微震时空演化特征，通过高精度微震定位和分析，获得了该条件下微震活动与工作面推进、采动应力分布、岩层破裂、冲击地压等之间的关系，对矿井安全生产起到一定的指导作用。

微震;活动规律;采动应力;岩层破裂;冲击地压

Application of Micro-seismic Activity Rule in Coal Mining

微震监测系统能够对全矿范围微震现象进行监测，是一种区域性、及时监测手段。相较于其它传统监测方法，该方法具有远距离、动态、三维、实时监测的特点，还可以根据震源情况确定破裂尺度和性质。随着定位精度的提高和仪器自动化处理能力的增强，微震监测系统已逐渐成为冲击地压、煤与瓦斯突出等矿井动力灾害的重要监测手段，在煤矿安全生产中发挥着越来越重要的作用。

山东唐口煤矿是淄博矿业集团公司在济北矿区建设的最后一对现代化矿井。矿井井田面积约78km2，设计生产能力3Mt/a，采用竖井开拓，其主井、副井、风井均超千米，是国内第一个一开始就面临千米采深的矿井。由于开采深度大且煤层具有一定的冲击倾向性，矿井开采过程中面临较强的冲击地压威胁。为此，唐口煤矿于2009年装备了ARAMIS M/E微震监测系统，用于矿井大范围内煤岩震动信息的监测和冲击地压预报。

在长时间连续监测的基础上，通过对监测区域内微震活动规律，特别是微震事件时空分布特征的研究，是预测预报冲击地压的基础和前提，对冲击地压的防治工作也具有重要的指导意义。本文以唐口煤矿微震监测数据为基础，分析了该条件下微震活动与采动应力、岩层活动及冲击地压的关系，分析结果对该矿安全生产起到一定的指导作用。

1 系统布置

ARAMIS M/E微震监测系统单个拾震器有效监测范围可达10km2。为了提高定位精度和确保实现整个矿井煤岩震动信息的监测，作者所在课题组根据唐口煤矿矿井条件制定了针对现场的监测方案，如图1所示。该方案共布设了15个拾震器，全部位于在受开采影响区域外的巷道、硐室中，既照顾了当前开采区域，又考虑到未来一定时期内的开采活动。表1为各拾震器坐标。

图1 微震台网布置方案

2 微震事件的时空迁移

微震监测系统自2009年9月23日正常运转以来，获取了大量监测数据。单个拾振器能接受到能量为5～10J的震动事件，但要确定一个微震事件发生的空间坐标，需要至少4个拾振器同时记录到该事件。一般来说，震动能量越大，接受到信号的拾振器数目越多，震动波形越清晰完整，系统也越容易识别P波初动时刻，定位效果越好。监测结果表明，要使至少4个拾振器能同时接收到同一个微震信号，微震能量一般不会小于300J。截止到2010年10月30日，系统共监测到有定位结果的微震事件2036个，释放能量1.62×107J。

从监测结果的空间分布来看，微震事件主要分布在受采动影响的2304，2306，3302和4305工作面以及部分掘进巷道。图2为唐口煤矿2306工作面微震事件随工作面推进的动态分布规律。从图中可见，微震事件具有明显的时空迁移性，即微震事件随着工作面的推进有规律地向前移动，表明微震事件与开采活动存在密切联系。在工作面前方0～50m，微震事件最为密集，表明该区段煤岩体活动剧烈，是开采过程中重点关注的区域。

表1 拾震器坐标

图2 微震事件的时空迁移

3 微震活动的周期性

众所周知，在采动作用下，开采工作面煤岩活动具有周期性特征，而微震事件是煤岩活动所释放的物理现象之一。从图3中可以看出，微震事件的发生也具有明显的周期性，这与支架压力记录仪监测到的工作面来压有一定的对应关系，即微震事件的能量和频次在工作面来压期间一般都会有明显增长的现象，反映了顶板周期性运动。同时，通过微震事件的定位发现 （见图4），事件主要集中在顶板和煤层中，来压期间微震事件往往从下巷开始，逐步向上巷发展，说明顶板断裂从工作面下巷开始，并向工作面上巷方向发展，表现为工作面下部来压先于上部。

4 微震活动与采动应力的关系

微震的能量和频次还可用于间接地描述工作面超前支承压力的分布特征，以2306工作面为例，固定工作面后，工作面前方微震事件分布与超前支承压力的关系见图5。从图中可获知，2306工作面超前支承压力的影响范围超过40m，显著影响范围为0～20m，应力峰值超前工作面约10m。

图3 微震活动与来压的关系

5 微震活动与岩层破裂的关系

图6为微震事件的倾向投影图。由图中可知，事件主要集中在下位顶板中。2308工作面倾向长度为190m，微震揭示顶板破裂高度达245m，2306工作面面长110m，两边均为110m煤柱，应力较大，因此微震事件活动更频繁，能量也更大，但顶板破裂高度相对较小，约为172m。从微震监测结果来看，开采并没有影响到距离煤层上方约350m的J2－3S岩层，该岩层厚度达200～350m，完整性较好、强度较大，若出现整体运动将对冲击地压防治带来很大影响。

图4 微震事件的周期性变化规律 （2010.4.5－4.20）

图5 微震活动与超前应力的关系

图6 微震与岩层破裂的关系

6 微震活动揭示冲击危险区域

图7为某一时期微震监测揭示的3个高危区域，Ⅰ区微震事件分布最密集，释放能量最大，主要是因为该区域处于已开采的4305工作面停采线附近，本身具有很高的应力，4304工作面开采形成的超前支承压力也开始影响到该区域，造成应力进一步增加，致使煤岩体破裂加剧。Ⅱ区为4304工作面胶带巷接近DF129断层，采动造成断层活化，冲击危险性增加。Ⅲ区为CF52断层与330胶带大巷相交位置附近，该处处于构造应力与巷道侧向支承压力相叠加区域，应力较为集中，危险性较大。矿防冲队对这3个区域实施了多种解危手段，保证了矿井安全生产。

图7 微震事件揭示冲击危险区域

7 结论

（1）微震活动与开采密切相关。微震事件的发生具有明显周期性，反映了顶板周期性运动。

（2）采用微震技术研究了工作面超前应力分布规律。分析表明，2306工作面超前支承压力的影响范围超过40m，显著影响范围为0～20m，应力峰值超前工作面约10m。

（3）通过微震监测揭示了冲击危险区域，为冲击地压解危措施的实施提供指导。

（4）微震事件分布特征可以用于研究顶板运移规律。研究表明，2308工作面垮落带高度为57m，破裂高度为245m;2306工作面破裂高度为172m。目前，开采并没有影响到上覆厚状坚硬的J2－3S岩层。

［1］齐庆新，窦林名．冲击地压理论与技术［M］．徐州:中国矿业大学出版社，2008．

［2］杨志国，于润沧，郭 然，等．基于微震监测技术的矿山高应力区采动研究 ［J］．岩土力学与工程学报，2009，28（2）．

［3］姜福兴，Luo Xun．微震监测技术在矿井岩层破裂监测中的应用［J］．岩土力学与工程学报，2002，24（2）．

［4］夏永学，潘俊锋，王元杰，等.基于高精度微震监测的煤岩破裂与应力分布特征研究［J］.煤炭学报，2011，36（2）.

［5］唐礼忠，杨承祥，潘长良．大规模深井开采微震监测系统站网布置优化 ［J］．岩土力学与工程学报，2006，25（10）．

［6］刘保县，黄敬林，王泽云，等.单轴压缩煤岩损伤演化及声发射特性研究［J］.岩石力学与工程学报，2009，28（1）.

［7］夏永学，康立军，齐庆新，等.基于微震监测的5个指标及其在冲击地压预测中的应用 ［J］.煤炭学报，2010，36（12）:1324－1328.

［8］孔令海，姜福兴，刘 杰，等.基于高精度微震监测的特厚煤层综放面支架围岩关系［J］.岩土工程学报，2010，32（3）:401－406.

TD324.2

B

1006-6225（2012）02-0093-03

2011－12－30

许红杰 （1979－），男，河南漯河人，工程师，主要从事矿井生产技术与工程管理相关工作。

［责任编辑:潘俊锋］