煤矿微震监测与矿震预测技术研究

孙岩　康祥民

摘 要：矿震是采矿工程活动中，由于能量的积聚和不稳定释放而导致的矿井动力现象，是目前矿井日常生产中最影响矿井安全生产的重大动力灾害之一。矿震的研究史已有上百年，但直至目前对矿震灾害前兆信息的微震信号分析还不清晰，采用煤矿微震监测技术进行矿震灾害的技术预测具有极大的工程现实意义。

关键词：煤矿微震监测；矿震预测；预报

1 前言

矿震现象，在采矿工程科研和实际生产中又称为冲击地压，其指的是处于高应力状态的岩石、煤体或断层等在外界环境的微扰动作用下，瞬间释放出大量的能量，并以剧烈的振动和猛烈的冲击和爆炸式的工程结构破坏为主要特征的煤矿重大动力灾害。对于已在深部进行开采的矿井，可通过引进微震监测并对检测到的微震信号进行分析及识别，开采过程中出现的各种动力灾害现象是可以防治预测的，这种相关技术和产品的研究有着广阔的前景和应用价值。

2 矿山矿震波传播简析

采矿工程活动作用于原岩体，使得其应力改变而发生整体性的变化，为冲击地压的发生埋下了隐患，在冲击地压显现时，使得采矿工程范围内的岩体中应力冲击波进行反复传播，破坏了岩体的稳定性，导致事故的发生。冲击波的传播和破坏性的作用主要受冲击波的波速和煤岩体的破碎不完整程度等因素决定的。因此，要想有效掌握矿震冲击波的传播规律和传播破坏机理，这样才能真正了解和掌握矿震，进而通过矿震信号进行预测冲击地压，再通过冲击地压的矿震信号分析方法进行相应的矿井冲击地压的治理与防治工作，彻底解决矿山的冲击地压大、动力灾害等问题。

2.1 波速传播规律分析

天然的岩石在自然形成过程中都有一定的差异性质。尤其表现在岩石的完整性、空隙度、裂隙数量等方面都尽不相同。并且，煤岩在采动过程中，煤岩体的原岩应力状态被打破，其相应的应力场不断地变化着。随着工作面等工程活动的进行，上覆岩石的结构和内部组织完整度的变化势必也会引起相应的微震震动参数的变化，特别是冲击震动波的振动和幅值的变化。

随着采矿工程活动进行，煤矿井下采空区相关位置的三区三带不断产生和发展，煤岩体介质强度不断发生着减弱演变趋势。P波波速同样也会发生着相应的下降的趋势，因此这样的现象就间接反映了所传播的煤岩体的整体完整度。岩体的孔隙度越大，说明其内部的破碎程度越明显，其相应的密度也越小，随之在这种煤岩体传播时的振动冲击波传播的平均速度也会更小，当然，反之，岩石体越完整，其内部的结构就更加完善，相应的波速传播也就越大。

2.2 频率变化规律分析

煤岩震动的主频随释放能量增加而呈现下降的整体趋势；并且对于能量相同强矿震而言，强矿震频率越大导致了其震源破裂迅速。煤岩体振动的频率在一定程度上很受矿震震源的重要影响，其中高频部分信号在煤岩体中传播的速度和频率等参数同样会受到煤岩体等介质的阻尼设置和阻尼特性等决定和不断影响着。

3 煤体破裂微震分析及矿震预测

煤岩体频率的优势段位应该约在13～22Hz，层理发育特别明显，层状特性明显，裂隙较多，弹性模量较小。煤体是一种各项异性介质，其富含微孔隙、小孔隙和裂纹等诸多种缺陷。煤体不管在工程地质现场中受载荷作用，还是在实验室中进行压载等方式的加载试验，都会发生一系列的结构变化，这些变化从微观到细观，从细观到宏观，直至表现为宏观方面的整体失稳破坏，这些变化从裂纹的产生角度观察，其实是，煤岩体在原始形成阶段的固有裂纹的基础上，由于受力作用，导致内部应力不均匀、不平衡，进而导致了微观受力失稳，裂纹形成扩张和撕裂现象，不断发生着大规模的变化，使得受力到一定程度，发生了宏观的失稳表现。而在这些裂隙产生和裂隙发育的时候，岩石面与岩石面会自然发生了各种摩擦和挤压，这些物理性的微观机械作用自然就产生了相关的破裂振动信号，这些信号是伴随破裂开始到结束整个流程的，因此，其不可避免會产生和岩石结构破碎变化的一致性规律，理所当然的，这些规律就成为了微震信号科学研究的主要对象，也成为了预测冲击地压的孕育、产生、显现。为从微震信号上预测岩体冲击的作用过程提供了理论上的可能性。

通过对煤样直接加载微震信号特征的试验结果发现，煤样试件在相对稳定期微震信号并不明显；随着应力加载的增加，微观中的岩体破裂面所发生的位错和摩擦移动更加凸显，形成的摩擦微震信号值也更大。随之，在岩体经历了前期加载到达应力极限强度时，其发生了进一步的破坏，此时的应力达到了峰值高度，随之，微震信号的强度也达到了整个作用过程的最大值。在整个煤岩体经历了整个过程后，应力强度逐渐下降，微震信号值逐渐减小之后直至趋于平稳。

4 结论

（1）影响煤样微震信号特征的主要因素包括煤样自身的颗粒大小、强度、硬度、节理裂隙等。而煤样的加工过程不同，取样地点不同均对煤样微震信号特征造成影响。

（2）煤体压缩过程中，微震信号都经历了初始压密区、上升区、峰值区和下降区。

（3）煤体在冲击地压破坏失稳之前，有一段时间并没有微震信号的出现，也就是说，出现了明显的煤体破裂沉积区段，在实际的工程应用中，我们可以将这一现象（特性）作为煤体冲击破坏前兆信息进行工程预测，其将具有重大的工程现实意义。

（4）继续采用微震监测系统对矿震现场进行监测，不断积累总结矿震先兆异常特征，建立不同类型矿震综合监测体系，以便于能够对各类矿震提早做出准确预测，逐步提高监测仪器的精度。

参考文献

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[2]姜福兴.微震监测技术在矿井岩层破裂监测中的应用[J].岩土工程学报，2002，（2）：147-149.

[3]李全晓，姜福兴，王存文，等.微震监测结果在矿图上的定位合成及应用[J].采矿与安全工程学报，2007，24（2）：165-168.

（作者单位：1.湖北鸡笼山黄金矿业有限公司；2.辽宁艾海滑石有限公司）