微震监测技术应用研究
微震监测技术应用研究
摘要：震动现象是由于矿山开采使岩层产生应力应变过程的动力现象，采矿微震主要是记录矿山震动，并分析和利用这些信息，对矿山动力危险进行预测和预报。
关键词：冲击矿压；微震监测；冲击危险性预测；矿山动力危险
“SOS”是Seismological Observation System的简称，该系统是从波兰引进的，主要用于矿山震动监测。冲击矿压现象是严重威胁煤矿安全生产的灾害之一，它是聚积在矿井巷道和采场周围煤岩体中的能量突然释放，在井巷发生的爆炸性事故。动力将煤岩抛向巷道，同时发出强烈声响，造成煤岩体震动和破坏，支架与设备损坏，人员伤亡，部分巷道垮落破坏等情况。冲击矿压常见的情况有“岩爆”、“煤爆”、“矿山冲击”、“冲击矿压”等。
一、砚北煤矿现状概述
砚北煤矿隶属于甘肃华亭煤电股份有限公司，年产600万吨。目前正在开采二水平2502采区250205上工作面，该工作面为2502采区首采第一分层，所采煤层为煤5层，开采深度450-462米。工作面南部为背斜轴部，北部位于向斜西翼，倾角13-16度。煤层底板沿走向次级褶曲发育，底板起伏不平。工作面在向斜轴部附近，水平应力达到垂直应力的1.7倍左右。厚度近40米的煤层，具有强冲击倾向性。老顶为坚硬的粉砂岩，厚度18米，工作面内无断层、岩浆浸入体等其他构造。另外，地表是山区，山谷落差达100多米。250205上工作面自2006年3月10日开始回采以来至今，累计发生强矿压显现多达30次，对矿井安全生产造成了严重的威胁。
由于砚北煤矿强矿压灾害严重，强矿压灾害与褶曲构造、煤层的厚度及力学特性、顶板岩层、地表形态等密切相关，而我国对于强矿压的研究起步较晚，没有完全成熟的强矿压防治理论和控制经验提供参考。为此，砚北煤矿在中国矿业大学的配合下，对强矿压的预测与控制进行了长期的理论研究和实践探索，对工作面进行了强矿压的监测与防治，实现了安全生产，取得了较好的效果。
二、监测原理
一台DLM-SO信号采集站由16个“OS”微震信号采集器组成，每个采集器与一个DLM2001型检波测量探头相连，也就是说1套采集站能够控制16个DLM2001型检波测量探头。砚北煤矿使用了1套采集站，其中井下安装15个探头，地面安装1个探头，覆盖了矿井的各个采区，每个探头与采集站之间的最大距离为10km。为了接收到明显的震动信号，测站尽可能接近待测区域，避免较大断层及破碎带的影响，并且能和其他探头构成环形包围（包括主站在内的至少3个探头），尽量在重点区域多布置探头，按监测环境与要求选择探头监测方向，这样定位结果的准确性将会大大提高，为进一步分析预报奠定坚实基础。
由于砚北井田面积较大，所以在工作面回采过程中，要根据需要移动探头。微震监测系统的主要功能是对全矿范围进行微震监测，是一种区域性监测方法。自动记录微震活动，对实时记录的震动信号进行震源定位和微震能量计算，能为评价全矿范围内的冲击矿压危险提供依据。
三、监测方式
震动是由地下开采引起的，是煤岩体断裂破坏的结果。与大地地震相比，震动震中浅，强度小，震动频率高，影响范围小，故称之为微震。微震法就是记录采矿震动的能量，确定和分析震动的方向，具体来说，就是记录震动的地震图，确定已发生的震动参数，例如震动发生的时间，震中的位置，释放能量的大小等。其原理是利用拾震仪站接收的直达P波起始点的时间差，在特定的波速场条件下进行二维或三维定位，以判定破坏点，同时利用震相持续时间计算所释放的能量和震级，并标入采掘工程图，圈定出震动频繁的区域，以便及时采取措施。
“SOS”微震监测仪用于矿山震动监测，可以对矿井工作面前方及其周围微震事件通过连接的DLM2001型检波测量探头，把接收到的震动信号以电流的形式传输到地面的DLM-SO信号采集站，进而对记录的震动信号进行定位和能量计算，可以较准确地确定10-100焦的低能量震动的位置，从而为矿山震动危险性的分析预测提供可靠资料。
四、“SOS”微震监测系统的优点
微震监测系统监测范围可大可小，且具有较高的定位精度，已成为矿山开采诱发动力灾害监测的主要技术手段。利用微震监测系统，在发生微震活动的矿区内布设微震探头（传感器），探测微破裂所发出的地震波，确定发生地震波的位置，还可以给出地震活动性的强弱和频率，通过微震监测获得的微破裂分布位置，判断潜在的矿山动力灾害活动规律，通过识别矿山动力灾害活动规律实现预警。
五、应用结果
“SOS”微震监测系统自2007年6月25日在砚北煤矿运行以来，在250205上工作面，共发生103焦以上的震动1763次，其中有1次强冲击发生在2007年7月1日10：26分，震动能量达1.9×107焦，来压位置在工作面附近辅运顺槽侧，对巷道和设备造成严重破坏，有7次弱冲击，震动能量在5.3×106焦左右，这些冲击将早晨恶搞巷道同程度的底鼓或顶下沉。下面以1次典型的来压为例分析来压规律：
2007年7月1日的来压前震动变化趋势，日震动总能量和震动次数之间的变化在正常情况下很吻合，并且直线变化斜率基本相同，6月28日到6月30日震动总能量变化趋势较大，结合图2，6月29日到6月30日，产量和推进度出现变化趋势相反的情况，7月1日早班10：26分来压，来压位置在250205辅运顺槽侧工作面前方20米，震动能量1.9×107焦，致巷道严重底鼓和顶下沉，部分设备压坏，未造成人员受伤。
六、总结
通过对砚北矿区各采区的多次来压分析总结，用“SOS”微震监测系统预测、预报冲击矿压，可以得出以下结论：
第一，震动与煤岩体的变形破坏存在一定的耦合关系，通过对采掘工作面的震动进行自动连续监测，利用煤岩体的动态变化特性，为冲击危险性提供可靠信息。
第二，正常情况下，每天震动总能量与震动次数、产量和推进度的变化斜率或变化趋势是一致的，偶尔有一天出现异步变化，但只是短暂的。如果震动参数的变化出现连续一天以上的异步趋势（一般3天左右），再结合其他两种变化曲线，如果有一种曲线出现不同步的现象时，近日就有冲击危险发生。
第三，微震法联合电磁辐射法、钻屑法及采煤工作面支架阻力法，成功预报出了多次冲击危险，效果较好。
第四，煤层地质构造以及煤柱区，对冲击矿压有直接影响，在此区域震动次数明显增多，来压频繁，来压造成的破坏性也大。
第五，来压位置以工作面辅运顺槽前后30米为主，回风顺槽很少来压。
参考文献：
1、窦林名,何学秋.采矿地球物理学[M].中国科学文化出版社,2002.
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