冲击地压微震能量监测预警技术研究与探讨

杨增强，李丰硕，任长乐

(江苏建筑职业技术学院 交通工程学院， 江苏 徐州 221116)

近些年，随着煤炭资源开采深度的逐年增大，出现了很多千米深井，尤其对于开采历史较为悠久的东北、山东、河南等地区，煤层开采深度普遍较大，这也导致开采期间将会面临更大的地应力影响。同时，由于地下条件的复杂多变，不仅面临高地应力威胁，同时还会伴随有断层构造、褶曲构造、覆岩特征、开采布局等因素的叠加影响[1-4]. 因此，有必要针对埋藏较深的煤层开采期间面临的冲击地压显现等难题进行监测预警研究，提前采取卸压防治措施，为深井煤炭资源的安全高效开采提供安全保障。

1 典型冲击地压诱发机理

井工开采期间，根据采掘位置空间上的相对关系以及地质构造的影响情况，可以将诱发冲击地压的原因归纳为典型的4种情况，见图1.

图1 典型的4种冲击地压诱发机理模型图

基于动静载叠加诱发冲击地压机理可知，冲击地压是由静载荷(σj)和动载荷(σd)共同叠加作用下发生的。其中，静载荷(σj)又可以分解为水平方向静载荷(σx)和垂直方向静载荷(σy). 由此可知，图1a)所示的煤柱型冲击地压主要诱发因素为开采导致护巷窄煤柱体内承载较高的垂直方向静载荷(σy)，此时窄煤柱体受较高的垂直方向静载荷作用而处于临界屈服状态，当采掘活动引起一定程度的轻微动载荷扰动，窄煤柱体将会发生瞬间失稳破坏而诱发冲击动力显现。图1b)所示的构造型冲击地压主要诱发因素为褶曲地质构造引起的水平方向静载荷(σx)，此时采掘空间周围煤体受较高的水平方向静载荷作用而处于临界屈服状态，当采掘活动引起一定程度的轻微动载荷扰动，采掘空间周围煤体将会发生瞬间失稳破坏而诱发冲击动力显现。图1c)所示的断层型冲击地压主要诱发因素为断层地质构造引起的动载荷(σd)，此时采掘空间邻近断层开采致使断层活化而形成剧烈动载扰动，此时采掘空间周围煤岩体内若积聚有较高的静载荷，采掘空间周围煤体将会发生瞬间失稳破坏而诱发冲击动力显现。图1d)所示的顶板型冲击地压主要诱发因素为上覆厚硬顶板破断引起的动载荷(σd)，此时采掘空间周围煤岩体内若积聚有较高的静载荷，将会在动载扰动下诱发冲击动力显现。

综上所述，从动静载叠加诱发冲击动力显现的角度可知[5]，煤柱型和构造型冲击地压的诱导因素为静载荷为主，动载荷为辅；而断层型和顶板型冲击地压的诱导因素为动载荷为主，静载荷为辅。基于诱发冲击显现的能量判据准则，当采掘周围煤岩体内积聚的弹性应变能高于其发生失稳破坏所需的最小弹性应变能时，煤岩体将会瞬间失稳诱发冲击显现，其表达式：

(1)

式中：

Ujd—动静载叠加作用下采掘空间周围煤岩体内积聚的弹性应变能大小，kJ；

Umin—采掘空间周围煤岩体瞬间失稳破坏所需最小弹性应变能大小，kJ；

E—采掘空间周围煤岩体的平均弹性模量，MPa.

可见，对于不同诱因的冲击地压的监测预警均可从能量的角度入手，实现对于采掘空间周围煤岩体内积聚弹性应变能较高的区域及时采取措施，防止因弹性应变能积聚过高而诱发冲击显现。

2 微震能量监测预警技术

近些年，随着微震能量监测预警技术在矿山企业的推广应用，具有冲击地压危险的矿井基本均安装有相配套的微震监测系统。微震能量监测预警体系的数据收集、传输与分析见图2.

图2 微震能量监测预警体系图

由图2可知，冲击地压矿井现场安装的井下矿山微震灾害监测系统能够实时地将井下采掘活动中产生的微震能量信号收集起来，并对数据进行初步、实时的分析，初步对井下作业环境的安全情况进行判定。后续收集到的微震能量信号将会通过专用互联网络传输至矿山地震远程监测与研究中心，再分类传输至相关专业分析人员处，通过对数据的汇总分析，提出相应的预警措施，并将信息反馈给矿山企业。可见所构建的微震能量监测预警体系能够实现数据的远程分析，进而能够实时针对矿山开采期间存在的安全隐患进行针对性、专业性的分析，为矿山企业安装微震能量监测系统的高效利用奠定了基础。

3 微震能量监测与冲击预警分析

3.1 传统监测与预警分析方法

以鹤煤集团某矿为工程背景，通过该矿井内安装的微震检波器实现对于煤层开采活动期间煤岩体破裂所产生的弹性应力波的接收。该矿井内目前正在开采的四水平1号工作面周围的微震检波器布置情况见图3.

1号工作面开采期间，于2016年10月15日发生了一起严重的冲击地压事故，造成了服务巷道大范围严重的破坏。关于“10.15”冲击地压事故发生前采用传统方法监测的微震能量演化规律见图4.

由图4可知，传统方法监测的微震能量分布演化规律不明显，只能通过微震检波器对开采活动期间煤岩体破裂所产生的弹性应力波进行接收和常规的定位计算，最终确定每一次煤岩体破裂时微震能量事件的大小和位置，所获得的监测结果存在分析困难、难以精准识别危险区等问题。图4只对微震能量大于102J的事件进行了统计，其中图4a)所示10月10日的微震能量事件不大于103J，整体微震能量事件较小。图4b)所示10月11日的微震能量事件中存在3次在104J范围内的中等强度微震能量事件，但紧随着图4c)所示10月12日的微震能量事件中并无在104J范围内的中等强度微震能量事件继续增加的趋势。图4d)所示10月13日的微震能量事件中又出现1次在104J范围内的中等强度微震能量事件。后续图4e)所示10月14日的微震能量事件中又出现2次在104J范围内的中等强度微震能量事件，在104J范围内的中等强度微震能量事件存在继续增加的趋势。图4f)所示10月15日的微震能量事件中存在2次在105J范围内的高强度微震能量事件，并伴随有“10.15”冲击地压显现的发生。由上述“10.15”冲击地压事故发生前的每日微震能量事件分布演化规律看不出较明显的规律性，微震能量事件分布主要集中于1号工作面回采位置前方，最终因为10月15日的2次高强度微震能量事件影响而于工作面回采位置前方超前段巷道内诱发冲击地压事故。对于事故原因的分析可知，这次冲击显现属于图1b)所示的构造型冲击地压(此时工作面回采位置位于向斜构造影响区)，其诱发因素主要以静载荷为主，动载荷为辅。

图3 微震检波器布置平面图

图4 传统方法监测的微震能量分布演化规律图

可见，采用传统方法监测的微震能量分布演化规律对于冲击地压发生所起到的监测预警效果较差，难以实现对于冲击危险区域的识别目的，并且对于微震能量后续的分布演化规律也不易判定，适合事后分析事故原因而不适用于事前监测预警。

3.2 优化后监测与预警分析方法

针对传统监测与预警分析方法存在的诸多缺陷，提出将能量平均化分布来提高微震能量分布演化规律的辨识度。关于对能量进行平均化分布的过程，可根据Frankel等基于空间光滑地震活动性模型采用点源进行地震危险性分析的理念，将震源简化为点源，并以定位误差作为统计滑移半径，其数值由定位误差数值仿真方法计算获得[6]. 关于微震能量事件平均化分布的计算模型见图5.

图5 微震能量事件平均化分布计算模型示意图

由图5可知，针对微震能量事件平均化分布计算模型，以任一微震能量为中心点划分网格，假设网格各节点之间的距离为S，以定位误差作为统计滑移半径的大小为r，则相应的尺寸条件应该满足下式：

(2)

变换不等式可知：

(3)

其相应的核心计算公式：

(4)

式中：

Eti—在(tn-1,tn]时间间隔内发生在统计网格单元中的微震总能量，J；

Sj—统计区域的面积，m2.

同样针对“10.15”冲击地压事故发生前采用优化后监测的微震能量演化规律见图6.

图6 优化后监测的微震能量分布演化规律图

由图6可知，优化后监测的微震能量分布演化规律较传统方法监测的微震能量分布演化规律要显著。图6中只对微震能量大于102J的事件进行了平均化分布，其中图6a)所示10月10日的微震能量事件平均化分布云图中开始出现能量事件平均化分布集中区，但是集中区面积较小且集中程度较低。图6b)，c)，d)，e)所示的微震能量事件平均化分布云图中能量事件平均化分布集中区面积开始变大且集中程度越来越高。图6f)所示的微震能量事件平均化分布云图中能量事件平均化分布集中区中集中程度最高的位置处发生了“10.15”冲击地压显现。可见，通过优化后监测的微震能量演化规律能够很好地对能量事件平均化分布集中区进行监测，并能实时分析集中区的演化规律以及其中能量的集中程度状况，起到了事前对冲击显现位置监测预警的效果。

4 结 论

1) 针对典型的4种冲击地压从动静载叠加诱发冲击地压机理的角度进行了分析，指出煤柱型和构造型冲击地压的诱导因素以静载荷为主，动载荷为辅；而断层型和顶板型冲击地压的诱导因素以动载荷为主，静载荷为辅。

2) 基于诱发冲击显现的能量判据准则，当采掘周围煤岩体内积聚的弹性应变能高于其发生失稳破坏所需的最小弹性应变能时，煤岩体将会瞬间失稳诱发冲击显现。因此，对于不同诱因的冲击地压的监测预警均可从能量的角度入手，采用微震能量监测预警技术。

3) 传统方法监测的微震能量分布演化规律较为不明显，监测预警效果较差，难以实现对于冲击危险区域的识别目的。根据Frankel等基于空间光滑地震活动性模型优化后监测与预警分析方法能够很好地对能量事件平均化分布集中区进行监测，并能实时分析集中区的演化规律以及其中能量的集中程度状况，起到了事前对冲击显现位置监测预警的效果。