微震监测技术在煤矿安全管理中的应用

林 升，余国锋,2

(1.安徽理工大学， 安徽 淮南 232001；2.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， 安徽 淮南 232000)

我国煤炭资源赋存条件复杂，消耗量大。随着浅层煤炭资源的减少，煤矿开采深度增加、强度提高，煤炭开采的环境也变得更加复杂，矿山开采过程中冲击地压、煤与瓦斯突出、突水等动力灾害发生次数增多，这些灾害都是因为采场应力扰动或地质构造引起的空间微破裂萌生、发展、贯通等煤岩体破裂过程失稳的结果[1].微震监测系统通过对煤岩体破裂过程中释放的微地震信号、位置和能量等信息进行采集及处理分析，研究煤矿岩体内部的应力分布特征、煤岩层破裂演化规律等[2]，对煤矿内出现的动力灾害进行监测和预防,为安全开采提供保障。

1 微震监测技术

1.1 微震监测技术原理

煤岩体受到采掘或温度等扰动影响会产生变形，其内部积聚的弹性应变能以地震波的形式迅速释放的现象称为微地震(MS).高灵敏检波器可以自动采集煤岩体破裂过程的微震信号及其他信息，通过软件记录、处理和分析微震信息，以推断和分析微震事件发生的时间、位置、能量等震源特征的技术称为微震监测技术。还可通过软件对监测的信息以三维立体形式呈现，结合地震学原理对煤岩体应力应变状态进行分析，深入了解煤岩层的破坏程度及其他性质，对监测对象的破坏和安全状况做出评价。微震监测系统原理见图1.

图1 微震监测原理示意图

1.2 微震监测技术特点

微震监测系统(图2)通过单轴或三轴传感器，以排列的方式安装固定在煤矿监测区域中，可以将煤岩体内部产生的微震信号实时传递到井下数据转换中心，最终到达地面监测站终端监控计算机，通过对微震数据进行空间定位分析的软件进行处理和分析，可以实现对煤矿实时监测数据的三维立体呈现和高精度定位。随着数字技术和光纤通讯技术的发展，微震监测技术可以实现信息的远程传送和监测，利用局域网实现多用户可视化监测，实现数据共享，为实时监测分析提供便捷。

图2 微震监测系统图

2 国内外微震监测应用研究

20世纪中期，美国矿务局就提出了利用微地震法来探测矿井冲击地压的概念，利用标准微震技术研究地层结构的破坏。在20世纪60年代，波兰利用微震监测技术对岩爆进行研究，自主研发的SOS微震监测系统被广泛应用于煤矿领域；加拿大、南非等国利用微震监测技术监测各类矿山的冲击地压破坏，研发出相应的微震监测系统。随着数字化技术和计算机技术的迅速发展，全数字型微震监测技术和设备逐渐代替了模拟信号型微震监测设备，在煤矿安全高效生产中得到广泛应用。南非、波兰等国形成了国家型矿山微震监测台网，对矿井发生冲击地压的震源位置、时间、能量等重要信息进行了完整、详细、长期的纪录，对冲击地压的监测和预防起到了关键作用[3].国内最早的微震监测系统是由窦林名引进的SOS微震监测系统，1985年在门头沟煤矿利用该系统首次对煤矿内冲击地压进行监测；2000年左右张兴民等将微震监测系统应用于矿井水害防治中[3].微震监测系统的成功应用使微震监测技术在我国飞快发展，微震监测设备的精度和稳定性得到提高。姜帅帅等[4]设计出三角剪切式结构的微震监测压电加速度传感器，提高了微震传感器的灵敏度和精确度；李世丽[5]研究的干涉型光纤微震传感器解决了传统电学传感器不能同时满足从低振高频到高振低频的煤岩破坏震动宽频段信息的监测，成功研发出煤与瓦斯突出高灵敏宽频带全光纤微震监测仪，提升了设备井下抗干扰传输能力。

在当今煤矿智能化建设大背景下，发展煤矿灾害智能预警技术及装备是保障煤矿高效生产和高质量发展的有效途径[6].依托微震监测系统建立微震监测台网，对煤矿区域实时动态监测，结合现代计算机信息技术，建立三维立体显示模型，使煤矿内各阶段施工处于实时监测状态，实现煤矿灾害信息动态预警、透明共享化，实现对煤矿内各类工况的监控调配。

3 微震监测技术的应用

3.1 监测预测冲击地压

冲击地压是指煤矿及周边受到煤岩体变形应力突然释放的动力现象，具有突发性、复杂性、急剧性等特点。冲击地压伴随着煤岩体的微破裂和地震波的释放，利用微震监测技术对煤岩体破裂后地震波特征进行监测，分析煤岩体破坏的位置、程度，以实现对煤矿冲击地压危险区域的煤岩层活动进行有效监控、分析和防治工作。冲击地压预测的依据是能准确监测到微震事件的前兆信息，通过对不同微震事件前兆信号的处理分析，可以得到不同类型下冲击地压的微震事件前兆信号发生的规律[7].多年矿区实践证明微震监测对于冲击地压的监测预防是行之有效的。通过在淮南朱集矿建立微震监测系统测得的微震信息曲线(图3)可以看出，在微震事件频发区加强顶板支护，可以有效减少微震事件发生，防止压力激增而引起的矿山灾害。利用微震监测系统对冲击地压破坏进行监测，可以有效弥补常规监测手段的不足，但由于煤矿冲击地压类型、地质条件及发生机理复杂，难以得到不同矿区统一的冲击地压发生机理，还需加强对冲击地压微震监测前兆信息的处理分析能力，以实现对冲击地压破坏的监测预报。

图3 对冲击地压的监测图

3.2 监测预警煤与瓦斯突出

煤与瓦斯突出是一种典型的瓦斯特殊涌出、极具破坏力、突出机理复杂的灾害。在深部高应力的作用下，矿井内地质条件更加复杂，煤岩体内部聚集的高压瓦斯气体受到采掘等扰动的影响急剧释放，在高压瓦斯和高地应力共同影响下导致周围煤岩体瞬间破坏，喷出大量瓦斯与煤渣，形成一定的动力效应。煤与瓦斯突出前伴随着煤岩体的逐渐破坏会产生一定的微地震信号，因此可以运用微震监测技术来监测煤岩体发生破坏时的微地震事件，对微震事件信号进行监测收集，通过分析微震信号可知煤岩体的应力状态，对煤岩体缺陷部位进行定位，提前预测煤与瓦斯突出事件。如淮南新庄孜煤矿利用微震监测系统监测煤与瓦斯突出事件(图4)，有效分析出微震事件发生的时空强分布规律，测出地质异常区(图5)，防止了煤与瓦斯突出事故的发生。煤与瓦斯突出发生机理复杂，且煤矿区域瓦斯赋存条件和采掘扰动强度差异较大，利用微震监测技术连续对煤岩体瓦斯突出的过程和灾害突出前兆进行监测，难以总结适合所有煤矿煤与瓦斯突出的发生规律，应结合传统的接触式的应力、变形、瓦斯浓度、温度等传感器，采用信息融合等数学方法，形成煤与瓦斯多种监测方法协同预警体系。结合各矿区不同地质条件，采取针对性的预测和治理技术，为煤矿安全管理工作提供了安全保障[8-9].

图4 32110掘进头微震监测系统布置图

3.3 在煤矿水害防治中的应用

在矿山建设和生产过程中，当巷道穿过导水断裂、富水溶洞时，地下水瞬间涌入矿山井巷，当矿井涌水超过正常排水能力时，就会导致矿山水灾。微震监测技术监测矿山水害是通过采集煤岩体采动压力和水压力在扰动应力场诱发的微破裂产生的微震信号，经过对收集的微震信息处理、分析煤矿危险区域内的微震事件积聚、变化规律，推测工作面在受到采动或掘进影响下的水文地质变化过程及底板破裂深度，得到微震变化发展趋势及其密集发生带位置，从而实现对煤矿内突水灾害的监测预报[10].现场实践和实验室研究表明，利用微震监测技术合理布置光纤微震传感器，能够监测煤岩层导水裂隙带的形成和破裂动态信息，分析出导水裂隙段的高度和位置，有效对导水通道在扰动影响下的状态进行监测，实时监测煤层顶板通道导水覆岩通道和突水裂隙通道变化过程，实现对煤矿区域内突水通道的防治。在董家河煤矿22517工作面布设微震监测传感器(图6)建立连续监测的微震监测系统，微震监测系统对回采过程突水位置监测的结果与主要地质构造赋存一致(图7，8)[11].

图5 62110面微震密度图

图6 22517工作面传感器布置图

图7 微震监测导水裂隙带图

图8 地质构造带图

根据微震监测技术高效、实时、动态全方位监测等优点，结合不同类型煤矿区特点建立合适的煤矿底板突水监测预警分析系统，对煤矿安全管理工作，完善煤矿水灾防治技术体系具有积极意义。我国在矿井水害中利用微震监测设备进行监测相较国外应用较晚，还有许多不足亟需解决，如针对复杂地质条件下的底板裂隙深度及岩层厚度的监测仍不够精确，不能准确分析井下导水裂隙带的形成过程，对顶板突水监测应用较少；目前微震监测系统仅能够实现对动态导水通道的监测，还不能满足静态监测的需求，应寻求多方式监测信息相融合，以实现动态和静态相结合监测，提高微震监测系统监测精度。

3.4 在巷道掘进安全管理中的应用

深部煤矿巷道在掘进过程中，煤岩体不仅受到高地应力的影响，还存在着上部及周边巷道和采场的影响，在巷道掘进影响范围内，原岩受到应力变形和破坏会产生微裂纹，微裂纹逐渐演变成裂隙，并沿着裂隙尖端发展，破坏了煤岩体完整性，易诱发巷道冒顶、片帮等灾害，严重的还会导致岩爆。利用微震监测技术对煤矿巷道掘进施工进行实时监测，得到巷道掘进期间的巷道收敛变化规律和微震活动特征、掘进巷道影响范围内围岩破坏程度，分析掘进头附近的微震事件变化规律，掌握围岩破坏演化规律并进行预警，为巷道支护提供可靠数据支撑[12-15].微震监测结合常规监测技术和现场观测数据，有效弥补了常规分析围岩破坏程度的局限性，为巷道的安全高效掘进提供了技术支撑。煤矿巷道掘进微震监测虽然可以实现实时三维监测，具有高效灵敏等优点，但在施工过程中，各类施工机械和人员交错，很难分析出有效微震信息，因此需要更高精度的设备以及信号拾取算法以提高有效微震事件的采集。

3.5 在应急救援中的应用

微震监测系统对震源定位更加精确，不仅对煤矿各类地质动力灾害进行实时监测和预测预报，也为矿井救灾抢险和安全管理提供了新的途径。利用微震监测技术在井下进行人员定位是完全可行的。刘超等[16]进行现场实验研究，测试方案见图9，模拟被困人员敲击不同材料，得到微震监测系统对接受声音信号的清晰程度为锚杆>围岩>管道>喊话的结果(图10)，并确定这4类不同敲击信号的接收最佳距离。采用微震监测震源定位技术对被困人员敲击金属管或巷道的微地震信号进行收集和分析，对地下被困人员进行定位，避免救助人员盲目救助，缩短了救助所需时间，提高井下工人的生存机会。因此，在国内大型煤矿区建立微震监测系统，可以有效提高矿山灾后应急救援水平。但是煤矿灾害发生后，微震监测系统极可能遭到破坏，线路受损，很难保障设备的正常运行及信息传输能力，因此，需要提高监测设备的稳定性及抗破损能力，以保障设备在灾害发生时的正常工作，提高灾后救援能力。

图9 测试方案图

图10 测试结果图

3.6 其他方面的应用

微震监测技术在煤矿安全管理中还有许多其他方面的作用，通过在矿区建立完善的微震监测系统，可实现对深部煤矿采动区微震事件的实时动态全方位监测，并建立三维可视化模型。利用其对煤岩体的破裂源有较高定位精度的特点，监测矿区上覆岩层的稳定性，对于采用爆破开挖矿区，可以进行爆破及余震监测，对煤岩体崩落范围进行预测，对采空区煤柱进行监测。微震监测技术还可监测矿山内的安全管理工作，如煤矿内瓦斯抽采、巷道凿岩、采煤面割煤是否按生产计划进行等。同时还可以利用微震监测技术对民营矿区的越层越界盗采活动进行监控，保护国有资产的流失。

4 结 语

微震监测技术是一种集三维可视化、高灵敏性、实时、动态、多元信息分析等优点于一身的新型煤矿信息化监测技术，可以有效监测和采集煤矿内各类动力灾害的前兆信息，对各类灾害进行监测预测，为煤矿内设备及工作人员安全提供保障，还可为煤矿灾害后救援提供关键信息。利用微震监测技术，结合常规监测手段协同作用，建立适合不同类型矿区地质特征的微震监测系统，可以实现对矿区的全天侯、自动化监测，是未来煤矿实现信息化施工及安全管理的基础，对促进煤矿高效生产，提高矿井的社会效益具有积极作用。目前微震监测技术在我国煤矿应用领域仍处于起步阶段，应加强以下研究：

1) 微震监测设备主要来源于国外，应当推进对国产设备的研发，以降低煤炭行业微震监测系统建立的成本。加强对微震监测事件信号的拾取能力，提高微震信号内有效信号的分辨识别能力；研发无线智能传输传感器，实现井下远距离准确传输；研发灵敏度、精度更高，传输效果更好的微震传感器，提高设备抗干扰能力。

2) 以微震监测系统为基础，结合我国数字地震台网等观测系统，加强对煤矿区域内微震监测台网的布置，建立适合不同煤矿区域内的地质条件以及煤矿储存构造的微震监测系统，提高对矿区微震信号的接收和传递能力。

3) 在煤矿智能化建设大背景下，利用微震监测技术对煤矿区域进行监测，建立全矿区域的智能灾害预警模型，实现对矿区的全面、及时、准确监测，有效保证煤矿安全高效生产，是未来煤矿安全管理的重要发展趋势。