千米深井工作面微震监测防冲击预警试验研究

◎文/余国锋 任波 刘超

(煤炭开采国家工程技术研究院深部煤炭开采与环境保护国家重点实验室）

煤矿冲击地压是高应力条件下或深部开采地压灾害最显著的表现形式，而微震监测被认为是目前对于冲击地压预警最有效的方法之一。在采动影响下，煤岩能量积聚到某一临界值之后，引起微裂隙的产生和扩展，同时伴随有弹性波或应力波在周围岩体快速释放和传播。通过微震监测系统定位井下震源在三维空间中的位置，确定震点的强度和频度，判断推理煤岩体应力状态及破坏情况，实现对具有冲击倾向性危险区域进行安全管理。

一、试验工作面概况

朱集矿1111（1）首采工作面，工作面标高-913.1～-879.7m，地面标高+22.4～+23.4m，走向长度 1608m，倾斜长度220m，可采面积353760m2。所采煤层为11-2煤，平均煤厚1.37m，煤层瓦斯含量3.7m3/t，煤坚固系数0.6～0.8。直接顶为泥岩，厚度1.2～27.1m，平均9.9 m；老顶为细砂岩及粉砂岩，厚度0.8～10.1m，平均3.2 m。该工作面底板瓦斯抽采巷（埋深超过950m）掘进过程中曾发生过一次疑似动力冲击现象（迎头抛出岩石3～5m3），未造成人员伤亡。为了保证该工作面掘进及回采的安全，有必要对1111（1）工作面进行长期防冲击微震监测，并采取相应防治措施。

二、微震监测系统构建及传感器安装

经过前期现场勘察与矿山地质资料的收集，根据朱集矿首采面煤岩体的物理力学性质，结合该工作面的实际现状，从加拿大ESG公司引进一套具有世界先进技术水平的矿山微震监测系统MMS，对上覆岩层的微震活动实施全天候连续监测，为冲击地压的预警提供新的手段。在充分考虑回采方案、回采规划和对施工难易进行比较后，将6通道的传感器分别安装在该首采面的运输巷、轨道巷以及两条底板巷内，如图1所示。

图1 首采面传感器安装布置示意图

考虑到传感器的灵敏度，每个水平上两两传感器之间的距离平均50～120m，在空间上形成一个较均衡的分布状态。从结构上来说，ESG公司的MMS系统包括井下和井上两部分。井下设备有传感器、连接传感器和Paladin系统的电缆、Paladin系统、连接Paladin系统和主机数据处理系统的光缆、终端盒及收发器。井上设备有收发器、交换机、主机数据处理系统、技术人员办公室、网络中心、矿总工办公室。系统的安装最主要是井下硬件设备的安装，井上设备和软件在地面就可以完成。

三、微震数据及其活动规律分析

1.高应力集中区域分析

通过9月1日—11月22日期间监测，对监测结果进行分析总结。5号联巷口对面从回采帮向里18m左右开始至工作面内105 m范围内事件频发，如图2所示，裂隙发育较多、扩展活跃，推测该区域应是高应力集中区域，回采至附近时需加强顶板管理、煤壁管理，并防止压力骤增引起顶板、煤壁片帮、瓦斯等事故。

图2 1111（1）面微震事件平面分布

2.周期来压分析

微震事件的频次和周期来压关系密切，在一定程度上能够反映周期来压的情况。图3是工作面回采过程中一段时间内微震事件频次分布图，从图中可以看出微震事件频次与工作面回采距离的关系，从而推算出周期来压步距16m左右。

图3 工作面回采过程中的微震事件频次分布

3.裂隙发育区间分析

保护层开采引起的裂隙的发育区间位置对于被保护层保护效果具有重大意义。监测期间，1111（1）工作面开采主要集中在-900～-878m，13-1煤底板距离11-2煤顶板66m左右，首采面微震监测期间开采范围内13-1煤底板标高为-834～-812m。微震事件主要分布在标高-500～-1200m，如图4所示，-700～-1000m区间事件频次占事件总数的90%左右，其中-800～-900m区间事件占事件总数的58%左右，具体分布比例见图5。

图4 1111（1）工作面微震事件频次垂向分布

图5 -800～-900m区间事件频次比例分布

据此推断，11-2煤的开采使得其上方的被保护层13-1煤层一定范围内的煤体弹性潜能得以释放，致使煤层裂隙发育煤层透气性增大，创造了煤气共采的条件。

四、结论及建议

1.微震事件主要分布在顶板岩层中，煤层和底板事件很少，且事件主要位于工作面前方，采空区后方事件较少。

2.微震活动与开采活动密切相关。微震事件的发生具有明显的周期性，每隔5～6d会出现一次微震事件的高发期，比周期来压一般早1～2d。采用这一微震活动性特征，可以实现对工作面周期来压的预测。

3.对微震信号进行收集、分析、处理，定位震源在三维空间中的位置，判断其能量大小、事件震级等，微震监测分析结果对冲击地压预警、回采面周期来压步距确定、保护层开采效果评估等具有重要的理论指导意义。

4.微震监测表明，采动应力可影响到工作面前方120m左右，建议在采取防冲卸压措施进行解危时，应至少超前工作面120m进行，可以提高防治效果。

5.对微震事件的空间分布特征分析表明，工作面前方的断层构造的活化运动是导致冲击地压发生的重要远场动载源，建议采取防冲卸压措施进行解危时,应特别关注断层活化的影响，确保解危措施及时有效。

6.微震监测表明，生产班发生冲击危险性要远大于检修班，建议生产班期间要加强地压监测和管理工作，危险区域严格限制人员长时间停留，区域解危等非生产作业应尽量安排在检修班进行，以减小突发冲击地压灾害造成的人员伤亡和财产损失。