微震监测在煤矿开采优化及灾害防治中的应用∗

张会军 杨 磊

(天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京市朝阳区,100013)



微震监测在煤矿开采优化及灾害防治中的应用∗

张会军 杨 磊

(天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京市朝阳区,100013)

摘 要微震监测技术是一种先进的动力灾害实时监测技术,目前在我国众多冲击地压矿井得到应用,但其主要用于动载、矿震的监测,作用并没有得到充分的发挥。针对这一问题,通过成功实例研究了微震监测技术在煤矿开采优化及灾害防治中的应用,研究结果表明,微震监测可以为工作面开采确定合理的推进度,以此来控制围岩活动及矿压显现;微震事件的分布从一定程度上揭示了工作面煤岩破裂范围及应力分布特征,为卸压过程、支护设计以及煤柱留设等工程提供了准确的指导依据;应用微震b值、η值、Mm值评价冲击危险取得了较好的效果。

关键词微震监测 开采优化 灾害防治 冲击危险评价

Application of microseismic monitoring in coal mining optimization and disaster prevention

Zhang Huijun,Yang Lei
(Coal Mining& Designing Department,Tiandi Science& Technology Co.,Ltd.,Chaoyang,Beijing 100013,China)

Abstract Microseismic monitoring technology was an advanced real-time monitoring technology for dynamic disasters,currently it had been applied in many mines with rock burst in our country,but it was mainly used for monitoring dynamic loads and mine earthquakes,its functions had not been fully exploited.Aiming at the problem,the authors studied the applications of microseismic monitoring technology in coal mining optimization and disaster prevention through successful examples.The research results showed that microseismic monitoring could determine a reasonable advance progress for working face mining,so it could control the surrounding rock activities and strata behaviors.The distribution of microseismic events revealed the rock fracture range and stress distribution characteristics in working face to a certain extent,provided exact guidance for pressure relief,supporting design and coal pillar setting.The b-value,η-value and Mm-value of microseismic had achieved good effects in impact danger evaluation.

Key words microseismic monitoring,mining optimization,disaster prevention,impact danger evaluation

1　引言

微震是煤岩体破裂的萌生、发展、贯通等失稳过程,并伴随有弹性波在周围岩体快速释放和传播的动力现象.微震监测就是采用微震网络进行井下现场实时监测,通过计算微震震源位置和发生时间来确定一个微震事件,计算释放的能量,进而统计微震活动性的强弱和频率,并结合微震事件分布的位置判断潜在的矿山动力灾害活动规律.微震监测技术在我国的深部矿山得到了广泛的应用,并取得了较好的研究成果,已成为煤矿安全管理及灾害防治的重要手段.

随着我国煤矿开采深度日益增加,高应力作用下的煤岩动力灾害愈发频繁,微震监测技术也因此得到越来越多的现场应用,目前我国煤矿应用微震监测技术主要集中在冲击地压的监测防治方面,其作用并没有得到充分的发挥,本文利用从波兰引进的ARAMIS M/E微震监测系统,通过对微震事件的能量、频次与开采参数的相关性分析,研究微震监测技术在指导煤矿开采工艺优化方面的应用效果,通过对微震事件的定位显示统计分析,研究微震事件揭示煤岩破裂及应力分布及评价冲击危险方面的应用效果,从而指导煤岩动力灾害的防治,研究成果扩大了微震监测技术的应用范围,为国内其他矿井应用微震监测技术提供借鉴.

2　微震监测指导开采参数优化

为了有效控制围岩活动及矿压显现剧烈程度,优化推进度等开采参数,采用微震系统对乌东煤矿南采区B3＋6工作面进行实时监测,B3＋6工作面煤层平均倾角87°,煤层平均厚度48.87 m,采用水平分段综放开采,在现开采分段及下分段布置了16通道的ARAMIS M/E微震监测系统,形成了传感器全覆盖工作面的布置方式.2014年9月15日至9月25日期间微震事件频次与工作面进刀数关系的统计曲线见图1,从图中可以看出,9月20日之前推进度控制在6刀/d左右期间工作面微震活动相对比较平稳,20日－21日进刀数减小微震事件频次随之降低,9月22日进刀数达到8刀时微震事件的频次也随之升高,由此可见微震事件频次与工作面推进度紧密联动,表明矿井围岩活动的剧烈程度与推进度呈正相关关系.

图1　微震事件频次与进刀数关系曲线

微震事件能量与工作面进刀数关系曲线见图2,从图中可以看出,9月20日前,工作面进刀数维持在6刀/d左右时,工作面微震事件能量释放较平稳,维持在2×106J左右,20日－23日,工作面进刀数开始增加,微震事件释放的能量随之呈现明显增长趋势,并于23日、25日发生大能量事件,井下出现明显震感,表明当工作面推进度较平稳时,微震事件释放能量偏低,围岩活跃程度较缓和;当工作面推进度发生较大变化时,微震事件释放能量升高,围岩活动趋于活跃.由此可见,围岩活动及矿压显现与工作面推进度有着密切的关系,因此,通过微震监测可以确定合理的推进度来控制围岩活动及矿压显现情况,从而指导开采参数的优化.

图2　微震事件能量与进刀数关系曲线

3　微震监测揭示煤岩破裂及应力分布

煤岩体破裂过程中释放弹性能并以震动波的形式向外传播,通过在煤岩体内安装一定数量的微震传感器可以有效接收此类震动波,并实现震源能量计算和震源位置的确定,而震源能量反映了煤岩体受力破坏程度,震源位置则反映了煤岩破坏的主要区域,因此,可通过微震监测开采过程中震动事件能量、频次及发生位置等参数来分析煤岩破坏范围及应力分布特征,从而掌握岩层运动规律并进行矿山压力灾害评价,为矿井灾害防治提供依据.

3.1微震监测揭示煤岩破裂范围

义马千秋煤矿21141工作面微震事件沿工作面走向方向的投影效果如图3所示,该工作面煤层埋深629.5～694 m,倾角11.4°～12.8°,煤层平均厚度为21 m,共布置14个微震传感器.图中的圆点代表微震事件,圆点越大表明微震事件能量越大.从图中可以看出微震事件主要分布在煤层底板以下65 m至顶板以上88 m范围内,表明受煤层开采扰动影响,在该层位范围内的煤层顶底板活动较为明显,能量释放较为频繁.此外,根据分类统计,煤层底板中的微震事件达到总事件的65％,表明底板中能量释放明显,底板易发生突然破断甚至冲击等灾害,为需要重点关注的灾害源.因此,通过微震事件的分布可确定煤岩活动及破裂范围,并划分主次灾害源,从而有针对性的对顶底板采取卸压措施进行防治解危,减小灾害发生的概率.

图3　微震监测揭示煤岩破裂高度

3.2微震监测揭示超前应力分布特征

工作面超前支承压力分布是指导工作面超前支护及卸压解危的重要依据,目前众多矿井主要通过煤层钻孔应力计获取超前支承压力的分布范围及峰值位置,微震监测同样可以较准确地获得超前应力的分布特征.图4为微震事件与21141工作面的相对位置关系,从中可以看出高能量的微震事件主要分布在煤壁前方50～300 m范围,面前50 m微震事件很少,表明该工作面开采造成的破裂区为50 m左右;超前工作面100 m处微震事件最为密集,且事件能量较大,表明该位置位于超前应力峰值,根据微震事件分布及能量分布可拟合出超前支承压力曲线,见图4,依此来指导工作面的超前支护及卸压解危措施实施.

图4　微震监测揭示超前应力分布特征

3.3微震监测揭示侧向支承压力分布特征

沿工作面倾向方向微震事件定位结果投影效果见图5,定位结果显示21141工作面运输巷附近微震事件较为集中,其中运输巷实体煤侧12 m处聚集了较多的高能量事件,表明该位置煤体应力最为集中,为侧向支承压力峰值位置,为运输巷卸压解危措施的实施提供指导依据,此外,下区段工作面巷道设计掘进时应避开应力峰值,选取合理的煤柱宽度,以保证巷道掘进与回采过程中均处于应力降低区域.

图5　微震监测揭示侧向应力分布特征

4　应用微震监测评价冲击危险

目前微震监测评价冲击危险采用较多的指标有b值、η值、Mm值等,众多实践证明,使用上述3个评价指标进行冲击地压预测与危险性评价时具有较好的效果.本文简单介绍b值、η值和Mm值在该矿冲击危险评价中的应用效果.

b值源于著名的地震震级－频度关系,可简称为G-R关系,其反映区域性的震级≥M的地震的累计次数N (≥M)的对数与震级M成线性关系:

式中:M——地震震级;

N——地震的累计次数;

a、b——与区域有关的经验常数.

G-R关系是地震学的基本定律之一,已广泛应用于地震活动性、地震区域以及地震预测研究中.大量研究表明G-R关系不仅描述了大小地震的比例,其中的常数b还能刻画震源区的应力及介质条件.b值主要代表着介质内部应力水平的高低,介质应力值越高,在岩石断裂面的边界上处于高水平的应力点所占的比重越大,破裂前沿变得更容易推进,此时大破裂的比例也越大,b值越小.基于G-R关系拟合中出现的明显偏离下弯的曲线形态,提出了G-R修正式,即η值,η值实际上反映了G-R关系式的偏离程度,如果实际资料完全满足G-R关系式时,η值等于2;若较大地震较多,曲线表现为上凸,η＜2;反之,η＞2.

缺震是指地震活动规律在事件分布上的反映,如果某一地区一定时间内平均最大震级低于该地区长期最大平均震级,那么这个地区在未来一段时间内就应该发生一些较大的地震来缺补,即这个区域就可能发生一些较大微震来补足这个长期平均震级的缺额,缺震就意味着将要发生较大震级的地震,这就是缺震的基本含义.根据G-R公式,当N＝1 时,Mm＝a/b这一最大微震事件尚未发生时的缺震性,具有明显的预测意义,追踪Mm或其它震级档次上的缺震随时间的变化是有预报意义的重要信息.

对该矿微震数据进行时间扫描分析,根据ARAMIS微震系统拾震器的灵敏程度及监测数据量大小,初始震级取ML＝0,滑动增量为0.2,b值与η值计算结果如图6、图7所示,图中表明冲击事件大都发生在相对低b值和低η值期间,因此低b值和低η值异常将预示冲击危险.Mm值计算结果如图8所示,图中表明冲击事件大都发生在相对高Mm值期间,因此高Mm值异常将预示冲击危险.通过对b值、η值和Mm值的综合分析,可以提高评价冲击危险的准确性.

图6　采用b值预测冲击危险效果图

图7　采用η值预测冲击危险效果图

图8　采用Mm值预测冲击危险效果图

5　结论

(1)微震监测显示围岩活动及矿压显现与工作面的推进度有着密切的关系,通过对微震事件频次及能量的分析,平稳及合理的推进度能有效控制围岩活动,降低了动力灾害的危险性.

(2)微震事件从一定程度上揭示了工作面煤岩破裂范围及应力分布特征,为卸压工程、支护设计以及煤柱留设等工程提供了准确的指导依据,扩大了微震监测在煤矿领域的应用.

(3)应用微震b值、η值、Mm值评价冲击危险取得了较好的效果.

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(责任编辑 郭东芝)

作者简介:张会军(1983－),河南辉县市人,2009年毕业于煤炭科学研究总院北京开采所,现任天地科技股份有限公司采矿技术研究所副主任,研究方向为矿压及岩层控制。

基金项目:∗国家自然科学基金资助项目(51474128),天地科技股份有限公司技术创新基金资助项目(KJ－2015－TDKC－05)

中图分类号TD324

文献标识码A