微震分析软件在冲击地压监测预警中的应用

林 飞，王 萍，陈 娜，王娟娟

(华亭煤业集团华亭煤矿，甘肃 华亭 744100)

0 引言

近年来，受地质条件和开采条件等众多因素的影响，华亭煤矿多次发生冲击地压灾害事故，使矿井生产和人身安全受到很大影响。冲击地压是由于人工开采而引发的区域性动力活动，除了会摧毁井巷及设备，造成人员伤亡，还可能诱发煤与瓦斯突出、瓦斯煤尘爆炸等次生灾害，是我国煤矿最严重的灾害之一[1-3]。在矿井开采的后期，由于开采条件的不断恶化和开采深度的增加，冲击矿压在发生的频度和强度方面显著增强。

华亭煤矿煤层厚，且煤层厚度变化大，受构造影响，煤层起伏，呈多个向斜、背斜相互交替连接的空间形态。同时，煤田西部为唐家山逆断层，受区域构造的影响，使井田位于应力集中区。因此，对冲击地压发生规律进行专题研究，寻求监测预警技术对策，做到“对症下药”、防患于未然，既是关系到现场生产安全的重要课题，也是重要的环境问题和社会问题，对于保持矿井生产的连续性和稳定性具有重要意义[4-6]。

1 监测预警体系

1.1 判断指标及预测系统

判断指标：华亭煤矿专业技术人员经过多年的冲击地压理论学习和防治经验积累，目前形成了以微震监测为主，声发射监测、钻屑检测为辅的监测预警体系[7-10]。而在微震监测中又以“MapRAS 3.0分析预测系统”中筛选优化出来的“震动频次、震动能量、活动率偏差指数、岩体破裂速率指数、顶底板损伤深度指数”5个指标作为主要分析判断指标，为华亭煤矿冲击地压防治工作提供科学可靠的参考依据。

预测系统：MapRAS 3.0分析预测系统是在Windows操作系统的MapInfo8.0平台开发，是基于GIS(即地理信息系统)的采动微震数据分析系统。“MapRAS”软件是通过微震观测数据对微震震源分布和震中分布可视化、微震事件时间域和空间域可视化进行静态和动态分析，从而对矿井的冲击地压进行预测预报。

1.2 指标及其分析方法

震动频次：震动频次反映了岩层破断周期，采动应力强弱[11-12]。在MapRAS 3.0分析预测系统震中分布图中选取要分析区域1～2月的微震数据，选取时间步长1 d，窗长1 d，生成震动频次图。

震动能量：震动能量反映了岩体在破断时所释放出的能量。同样选取要分析区域1～2月的微震数据，设置时间步长1 d，窗长1 d，生成震动能量图。

活动率偏差：①活动率偏差又称为Z-Map，是基于某个区域较长历史背景中的微震活动速率，来研究某一时段的微震活动速率变化。0值以下活动率较低，0值以上活动率较高。Z-Map参数定义为

(1)

式中，R1—所选区域整个历史时段的平均微震发生率，即单位时间内的微震个数；R2—某个时段上的平均微震发生率(设W为窗长或预测时间，则有Ti-W≤R20时，该时段微震发生率下降，以此来判断强能量释放前的微震活动平静。

②指标分析方法。在MapRAS 3.0分析预测系统震中分布图中选取要分析区域1～2月的微震数据，选取时间步长1 d，窗长2 d，生成活动率偏差图。

岩体破裂速率：即单位时间岩体破裂面积的总和，0线上、下分别代表破裂速率高、破裂速率低。若岩体破裂速率由高速破裂后转为低速破裂，冲击地压危险性升高。在MapRAS 3.0分析预测系统震中分布图中选取要分析区域1～2月的微震数据，选取时间步长8 h，窗长3 d，生成岩体破裂速率图。

顶底板损伤深度指数：顶底板损伤深度代表顶底板岩石受采动损伤的深度，是一个单位。深度指数是相对量，是顶底板损伤深度与计算时间窗内顶底板损伤深度平均数的比值，无量纲。0线上、下分别代表破裂带发生在顶板、底板。指标分析方法：在震中分布图中选取要分析区域1～2月的微震数据，选取时间步长8 h，窗长3 d，生成顶底板损伤深度指数图。

2 冲击地压案例分析

2.1 震源定位

2019年9月29日23时28分，250107-1工作面回风顺槽发生冲击地压显现，造成990～1 020 m共30 m范围内底鼓0.2～0.3 m，顶部有掉渣现象，轨道略有位移。震源位于250107-1实体煤内，距250107-1工作面回风顺槽内帮40 m，距联络巷口1 058 m，如图1所示。

图1 震源定位

2.2 指标分析

震动频次分析：如图2所示，18日～28日震动频次整体呈上升趋势，且在28日指标值上升到近期最高值，表明冲击地压危险性较高。此次的冲击地压显现发生在破断高峰期附近(破断高峰期危险性较高)。

图2 工作面震动频次

震动能量分析：如图3所示，25日～29日震动能量连续5 d呈上升趋势，且29日指标值上升到均值以上。由于能量高时危险性较高，图3表明冲击地压危险性持续上升，且上升到高值危险范围，此次的冲击地压显现发生在能量峰值当天。

图3 工作面震动能量

活动率偏差分析：如图4所示，29日活动率偏差指数急剧上升，且上升到0线以上。由于指标值处在0线上时危险性较高，此次的冲击地压显现发生在0线以上，表明当天冲击地压危险性较高。

图4 活动率偏差

岩体破裂速率指数分析：如图5所示，岩体破裂速率指数持续几天呈上升趋势，且指标值明显大于0，表明冲击地压危险性较高，此次的冲击地压显现发生在高速破裂过程。

图5 工作面岩体破裂速率指数

顶底板损伤深度指数分析：如图6所示，从22日起指标值一直处在0线下。由于指标值处在0线下时危险性较高，即表明顶底板破裂带一直发生在底板损伤过程，近期冲击地压危险性较大，此次的冲击地压显现发生在底板损伤过程。

图6 工作面顶底板破裂带演化指数

总体分析：从冲击地压显现前的监测指标来看，2019年9月28日，震动频次达到破断高峰期，表明冲击地压危险性较高；震动能量持续4 d呈上升趋势，表明冲击地压危险也在持续上升；活动率偏差指数指标值处在0线下，表明冲击地压危险性不高；岩体破裂速率指数持续几天上升，且指标值明显大于0，表明冲击地压危险性较高；顶底板破裂带演化指数连续8 d指标值处在0线下，即破裂带持续8 d处在底板损伤过程。5项指标中4项指标出现异常，已经达到预警程度，于2019年9月29日发生冲击地压显现，表明“MapRAS 3.0分析预测系统”中筛选优化出来的“震动频次、震动能量、活动率偏差指数、岩体破裂速率指数、顶底板损伤深度指数”5个指标较为敏感，作为冲击地压监测预警指标实践效果较好。

2.3 监测指标应用总结

震动频次指标：通常是作为第一监测指标，也是一个较为敏感的监测指标之一，为冲击地压监测预警提供重要的参考数据。因为它反映的是岩层破断周期，采动应力强弱。在多数冲击地压显现前震动频次都会有一个持续上升或波动上升的过程，在频次上升到峰值或峰值过后1～3 d内冲击地压的危险性高。

震动能量指标：与震动频次指标在多数情况下会表现为同步，即同时上升或同时下降。在冲击地压显现前震动能量都会有一个持续上升或波动上升的过程，在能量上升到峰值或峰值过后1～3 d内冲击地压的危险性高。

活动率偏差指数：在冲击地压显现前活动率偏差指数表现为持续高值或由低值转为0值以上且有继续上升的趋势，这表明危险性高。

岩体破裂速率指数：岩体破裂速率指数由高速破裂转为低速破裂时危险性高。

顶底板损伤深度指数：0线上、下代表破裂带发生在顶板、底板。冲击地压显现大多发生在底板损伤过程中，因此在顶底板损伤深度指数在0线以下的时候危险性高。

3 结论

(1)“震动频次”指标作为第一监测指标，如果“震动频次”指标异常，应及时采取钻屑进行验证，并做好解危卸压工作。

(2)“震动能量、活动率偏差指数、岩体破裂速率指数、顶底板损伤深度指数”4项指标中3项指标出现异常，应及时采取钻屑进行验证，并做好解危卸压工作。

(3)“震动频次”异常，且“震动能量、活动率偏差指数、岩体破裂速率指数、顶底板损伤深度指数”4项指标中2项指标出现异常，应做好预警工作，并做好解危卸压工作。