基于微震监测技术的煤炭开采临断层区冲击矿压预测研究

龙 御

(中国煤炭地质总局地球物理勘探研究院，河北 涿州 072750)

0 引言

冲击矿压是煤矿矿井内严重的自然灾害之一。冲击矿压灾害通常是由于开采造成，具有突然、猛烈的特点，是一种煤岩体变形能大量释放所造成的自然灾害，其直接表现形式是岩体震动以及巨大声响[1]，冲击矿压震动时间可从几秒持续至几十秒。冲击矿压灾害可造成建筑物毁坏、人员伤害、井巷破坏等严重后果，并且可能造成煤尘爆炸以及瓦斯爆炸等衍生灾害。冲击矿压灾害形成原因过于复杂[2]，灾害的诱发受大量因素造成，灾害发生强度以及发生地点无法精准预估，是岩石力学领域的重要难题。

冲击矿压灾害主要在坚硬顶板工作面、煤柱高应力区以及断层带附近诱发，临断层区是冲击矿压极为严重与复杂区域[3-5]，煤炭开采临断层区冲击矿压预测具有较高的必然性。我国煤炭需求不断提升，煤矿开采深度逐年向下延伸，煤炭开采环境逐渐复杂，由于深部开采诱发的动力所造成的突发性矿震更加明显[6]，矿震严重时将造成冲击矿压，冲击矿压威胁矿山安全，冲击矿压灾害发生时将造成巨大的人员伤亡和经济损失。

微震检测技术是检测煤矿动力状态的重要技术，近30年来，微震监测技术在煤矿安全高效生产中得到了广泛应用。国内外学者应用微震监测技术研究矿震活动规律，冲击地压、煤与瓦斯突出、突水等煤岩动力灾害监测预警，应力监测与岩层控制，煤岩体水力压裂监测与评价等，取得了大量的研究成果。崔峰等[7]结合微震检测仪器来研究冲击倾向性顶板破断及其能量释放规律，贺虎等[8]提出了基于动静应力分析的冲击危险评价方法，其在回采前定量评价复杂条件工作面冲击危险等级及划分冲击危险区域。

以上方法具有较高的工程量，局限性强，科学合理的岩层监测方法是目前急需解决的重要难题。研究基于微震监测技术的煤炭开采临断层区冲击矿压预测，利用开采区域内波速大小反演临断层区应力分布。将微震监测技术应用于冲击矿压突变模型中，建立冲击危险预警指标，利用冲击变形能指数获取冲击矿压空间域变化情况，实现煤炭开采过程中冲击危险区域以及能量聚散程度的预测，以期为冲击矿压的精准预测提供技术依据。

1 微震监测技术的煤炭开采临断层区冲击矿压预测

1.1 冲击矿压非均质应变损伤软化本构模型

煤炭矿区内的煤岩材料内部由于非均质性，导致众多缺陷存在随机分布的差异力学性质[9-10]。设煤岩材料的微元强度服从Weibull分布，煤岩材料概率密度函数见公式(1)：

(1)

式(1)中，ε*表示抗拉强度、应变、弹性模量等参数的微元强度；m表示Weibull分布的形状参数；F表示Weibull分布的尺度参数，为其中力学参数ε*的均值。

设固定荷载下总微元体数量N与已破坏微元体数量N*的比即为统计损伤参量D，当受到损坏的微元数量在随机强度区间 [N*(ε*)] 内时用NP(ε*)dε*表示，可知已损坏的微元体在加载至ε*水平时，见公式(2)：

(2)

设D=N*/N，可得

(3)

式(3)即为损伤演化方程。当D=0以及D=1时，分别表示煤岩材料为完整材料以及完全破坏材料。

样本已损伤部分无承载能力[11]，未损伤部分的应变ε以及应力σ满足虎克定律，可得公式(4)：

σ=Eε(1-D)

(4)

式(4)中，E表示未损伤煤岩材料的弹性模量。

煤岩的损伤变量用D表示，煤岩受压公式(5)：

σ=Eε(1-RnD)

(5)

式(5)中，Rn表示损伤比例系数。

设置仅考虑内摩擦角φ以及黏结力c软化情况下的应变损伤软化本构模型见公式(6)：

(6)

式(6)中，c0表示未破坏微元的初始黏结力；φ0表示未破坏微元的初始内摩擦角，εP表示塑性应变。

1.2 临断层区冲击矿压的突变模型

基于冲击矿压非均质应变损伤软化本构模型建立临断层区冲击矿压的突变模型。利用长度与厚度分别为L与D的半条带设置为临断层区冲击矿压突变模型，可得该研究区域的临断层区以及围岩之间的剪力-切向位移关系图(图1)。

可得关系公式(7)和(8)：

(7)

P=H=ksvH

(8)

式(7)、(8)中，λ=gDL/b，ks=GDL/B；B表示围岩边界至断层距离，g表示临断层区的初始剪切弹性模量；G表示围岩的初始剪切弹性模量；m与v分别表示临断层区的软化参数以及相对切向位移；v0与vH分别表示围岩的软化参数以及相对切向位移。

Q(vc)=λvc·exp(-m-1/m)

(9)

(10)

图1 围岩作用下临断层区岩体本构关系Fig.1 Constitutive relation of rock mass nearfault zone under the action of surrounding rock

冲击矿压非均质应变损伤软化本构模型为

(11)

关于“话语”，复旦大学教授范晓认为:“话语是由两个互相依存的部分组成的:一部分是话语内容，也就是言语表达的思想内容;另一部分是话语形式，也就是言语者借以表达思想的形式，这种形式就是语言。”［3］3这样看来，“话语”不仅是一种交流和传播的“中介”，还是一种“语言和思想的结合体”［3］4。“话语权”即“话语”与“权”。“权”不仅是指“权利”，也指“权力”。换言之，话语权既是一种表征资格与利益的“话语的权利”，也是一种象征权威与力量的“话语的权力”。据此，辅导员在大学生思想政治教育中的话语权也应包含两个方面，它既可被理解为作为权利的“话语权”，同时也是象征权力的“话语权”。

1.3 微震监测技术下冲击矿压预测

在对冲击矿压进行预测前，利用微震监测技术对冲击震源进行定位，震源定位能够确定煤岩体破裂时间和空间坐标，是采用微震监测技术研究煤岩体破裂机制、矿震活动规律、煤岩动力灾害监测预警以及裂缝微震监测成像的基础，通过波速大小呈现应力分布状态，煤岩体应力越高，传输振动速度越大[13]。

冲击震源定位算法的实施主要包括以下几个步骤：

1)在微震监测空间中选择任意4点，以这4个点为顶点构造初始单纯形；

2)采用L1范数统计准则或L2范数统计准则计算每个顶点的事件残差；

3)比较4个点的事件残差，选出最小值和最大值；根据4种变换准则在误差空间中寻找新的顶点，从而组成新的单纯形；

4)重复以上步骤，不断移动单纯形，直到给出最佳的震源位置或者满足迭代终止条件时，此时迭代终止，同时给出定位结果。

用L表示煤矿矿震震源与微震监测台间距离，T表示微震监测台站所接收的初始传播时间，用V(x，y，z)与S(x，y，z)=1/V(x，y，z)分别反演煤炭开采区域的波速分布以及慢度；设Li与Ti分别表示震动波的传播路径以及传播时间，可得：

(12)

(13)

(14)

式(12)(13)(14)中，Ti与Li分别表示震动波i传输时间以及震动波的射线路径；V(x，y，z)与S(x，y，z)分别表示震动波传播速度以及震动波传播慢度；di，j表示震动波射线i穿射网格j的路径长度；Sj表示震动波射线i穿射网格j的慢度；n与m分别表示射线总数以及网格数量。

高应力集中区域的波速梯度以及震动波波速容易出现异常[14]，建立波速梯度异常以及以P波波速异常的冲击危险预警指标见公式(15)和(16)：

(15)

(16)

基于时间充分考虑冲击变形能情况预测冲击矿压危险建立指标Zε：

(17)

(18)

式(17)(18)中，N与Ei分别表示前次宏观破裂后矿震事件总数以及矿震事件所释放的能量；Eεt与Eεl分别表示冲击变形能当前值以及临界值；Zε表示冲击变形能初始值。

冲击危险等级在该值越高时越危险[15]，冲击变形能指数εE见公式(19)：

(19)

式(19)中，Ei表示预测区域矿震能量值；S与T分别表示预测区域总面积以及预测时间。

2 实例分析

选取某地某煤矿作为实例分析对象，并从煤炭开采临断层区采集煤样，利用切割机和岩石取心机将所采集煤样加工至φ100×100的标准试样，利用MTS815伺服材料试验器，对其进行应变应力试验，统计采用本文方法研究煤炭开采临断层区煤样与实际煤样的实验曲线与理论曲线相似度，统计结果见图2。由图2可见，本文方法所获取煤炭开采临断层区煤样理论曲线与实际曲线值极为相近，有效验证本文方法所研究理论知识具有较高的有效性。

统计采用本文方法优化所获取微震监测系统台网监测数据，优化结果见图3。由图3可见，采用本文方法优化微震监测系统所获取数值的水平定位误差可控制在8 m以内，垂直定位误差控制在8 m以内，验证本文方法可满足高精度的煤炭开采临断层区震源定位需求。微震监测系统台网应随着掘进和回采工作面的进尺增加而及时挪移或增设，确保微震监测系统台网对矿震的定位精度。

图2 理论曲线与实际曲线对比Fig.2 Comparison between theoretical curve and actual curve

从该矿区中随机选取1个能量为1×103J～1×104J级别的矿震进行频谱分析，波形记录结果见图4。由图4可见，随机选取的能量为1×103J～1×104J级别的矿震微震事件，信号持续时间约为0.3 s，信号衰减速度；从实验结果的频谱上可以看出，能量1×103J～1×104J的矿震频率分布范围广，主频在20～45 Hz之间。

不同能量级别下，微震信号所对应波形形态和频谱特征存在较大差异，表1统计不同能量级别下微震信号波形和频谱特征。由表1可知，能级越高的矿震波形持续时间越长，衰减越慢；矿震波形振幅越大时，所接收的测站越多。不同能量级别微震信号具有相应波形频谱特征，波形振幅随着释放能量级别的提升而有所提升，持续时间越长，主频越低；反之，波形振幅随着释放能量级别的降低而有所降低，震动持续时间越短，频带分布越宽，主频越高。

图3 定位误差评价图Fig.3 Evaluation diagram of positioning error

图4 能量1×103 J～1×104 J波形形态和频谱特征Fig.4 Energy 1×103 J - 1×104 J waveform shape and spectrum characteristics(a)微震信号速度-时间图 (b)微震信号幅值-频率图

表1 不同能量级别下微震信号比较Table 1 Comparison of microseismic signals atdifferent energy levels

统计实验矿区采用本文方法预测煤炭开采临断层区冲击矿压，2019年8月共31天煤炭开采临断层区微震监测数据统计结果见表2。由表2可见，在全矿监测煤炭开采临断层区共监测到有效矿震2992个，其中最大能量为7.55×104J，震动能量主要集中在0～1×102J与1×102J～1×103J之间，分别占矿震总数的41.61%与37.91%，说明全矿微震强度比较小，以小能量释放的矿震事件为主，煤炭开采临断层区冲击矿压自然灾害发生次数较少。

表2 矿震数据统计Table 2 Statistic result of mine earthquake data

统计该矿区2019年8月共31天期间矿震事件能量、震动频次时间序列见图5。由图5可见，该矿区煤炭开采临断层区的矿震能量释放主要集中在两个时间段，分别是20：00至22：00、8：00至10：00。煤炭开采临断层区矿震频度变化整体趋势呈缓和曲线状，峰值分别对应两个能量释放时间段。随着采掘活动，矿震时刻存在，生产时矿震频度明显较交接班时增多，能量释放也较检修时增大。应力释放存在滞后性，矿区停采后矿震频度及能量释放不会立即停止，存在一定的应力稳定调整时间。

图5 煤炭开采临断层区矿震能量(a)与矿震频次(b)Fig.5 Mine earthquake energy (a) and frequency of mine earthquake (b) near fault zone in coal mining

3 结论

将微震监测技术应用于预测煤炭开采临断层区冲击矿压中，分别从时序以及从空间上定量体现煤炭开采临断层区的冲击危险状态以及危险等级，并通过实验验证该预测方法具有较高的有效性。煤岩体受应力的影响，煤岩体应力越高，传输振动速度越大，说明矿井地质条件以及矿区的采掘活动影响矿震的活动规律，以上规律可较好体现冲击矿压矿震规律，不同矿区的开采强度、开采布置以及煤矿地质区域存在较高变化，同样影响矿震规律变化，预测结果随时间存在较大变化。通过持续的总结归纳矿震规律可精准预测煤炭开采临断层区冲击矿压。利用该方法所获取微震监测系统台网监测数据将水平定位误差和垂直定位误差控制在20 m和50 m以内，可满足高精度的煤炭开采临断层区震源定位需求，确保微震监测系统台网对矿震的定位精度。