微震地音數(shù)據(jù)綜合分析法初探

鄧志剛,任 勇,王傳朋,王元杰,王書文

(天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部,北京 100013)

微震地音數(shù)據(jù)綜合分析法初探

鄧志剛,任 勇,王傳朋,王元杰,王書文

(天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部,北京 100013)

隨著波蘭 EMAG公司生產(chǎn)的 ARAM ISM/E微震監(jiān)測系統(tǒng)和 ARES-5/E地音監(jiān)測系統(tǒng)的不斷推廣應(yīng)用,相關(guān)知識和經(jīng)驗的逐漸積累,研究發(fā)現(xiàn)對 ARAM ISM/E微震監(jiān)測系統(tǒng)和 ARES-5/E地音監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行綜合處理,結(jié)合兩者的優(yōu)點,最終得到的分析結(jié)果更有利于指導(dǎo)礦井主要采動影響區(qū)域的沖擊礦壓防治工作。

沖擊礦壓;ARAM ISM/E微震監(jiān)測系統(tǒng);ARES-5/E地音監(jiān)測系統(tǒng);綜合分析

為了提高煤礦的沖擊礦壓預(yù)測預(yù)報水平,提高沖擊礦壓防治工作效率,天地科技股份有限公司于2007年開始引進波蘭 EMAG公司的 ARAM ISM/E微震監(jiān)測系統(tǒng)和 ARES-5/E地音監(jiān)測系統(tǒng),目前2套系統(tǒng)已經(jīng)在我國多個典型沖擊礦壓煤礦成功應(yīng)用,在煤礦的沖擊礦壓防治工作中發(fā)揮了巨大作用。

在肯定 ARAM ISM/E微震監(jiān)測系統(tǒng)和 ARES-5/E地音監(jiān)測系統(tǒng)巨大作用的同時,相關(guān)人員也逐漸認(rèn)識到,目前大部分煤礦還只是發(fā)揮了系統(tǒng)的部分功能,對其各自的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行最基本的分析處理,并沒有尋找到合適的方法對 2種系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行綜合分析,發(fā)揮系統(tǒng)更大的作用。因此,在進行了大量理論研究和數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上,本文提出了微震、地音數(shù)據(jù)綜合分析法,綜合處理兩系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù),取長補短,系統(tǒng)分析,使分析結(jié)果能夠更加有效的指導(dǎo)煤礦沖擊礦壓防治工作。

1 微震監(jiān)測系統(tǒng)和地音監(jiān)測系統(tǒng)簡介

ARAM ISM/E微震監(jiān)測系統(tǒng)與 ARES-5/E地音監(jiān)測系統(tǒng)都是用于監(jiān)測煤礦開采過程中煤巖體的破裂事件,通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,研究煤巖體的破壞規(guī)律,判斷潛在的礦山動力災(zāi)害活動(沖擊礦壓)規(guī)律,從而實現(xiàn)對煤礦沖擊危險的評價和預(yù)警。

其中,ARAM ISM/E微震監(jiān)測系統(tǒng)主要用于實時監(jiān)測全礦井范圍內(nèi)發(fā)生的煤巖體宏觀破裂現(xiàn)象(即微震事件)。在 ARAM ISM/E微震監(jiān)測系統(tǒng)的運行過程中,首先是遍布在全礦井范圍內(nèi)井下分站接收到微震事件發(fā)生過程中釋放的能量波,并將震動信號轉(zhuǎn)化為電壓信號傳輸至地面中心站;地面中心站對接收到的各通道監(jiān)測信號進行對比、分析后,將其傳輸至數(shù)據(jù)處理服務(wù)器;數(shù)據(jù)處理服務(wù)器實時顯示監(jiān)測信號的波形圖,確認(rèn)發(fā)生微震事件后,發(fā)出聲光報警信號,并將確認(rèn)后的事件數(shù)據(jù)傳輸至系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理軟件;最終,應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理軟件完成微震事件的精確定位和能量計算,并將處理結(jié)果顯示在礦圖上。

ARES-5/E地音監(jiān)測系統(tǒng)主要用于監(jiān)測礦井主要采動影響區(qū)域內(nèi)發(fā)生的煤巖體微觀破裂現(xiàn)象(即地音事件)。在 ARES-5/E地音監(jiān)測系統(tǒng)的運行過程中,首先是布置在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的監(jiān)測探頭接收到地音信號,并將信號傳輸至地面中心站;地面中心站對接收到的各通道監(jiān)測信號進行模 -數(shù)轉(zhuǎn)換、分類統(tǒng)計后,將其發(fā)送至數(shù)據(jù)處理軟件;最終,數(shù)據(jù)處理軟件實時顯示各通道監(jiān)測數(shù)據(jù)和危險等級評價結(jié)果,同時可打印單位時間內(nèi)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計報告[1]。

2 微震監(jiān)測系統(tǒng)和地音監(jiān)測系統(tǒng)主要功能對比

對比 ARAM ISM/E微震監(jiān)測系統(tǒng)與 ARES-5/E地音監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能,發(fā)現(xiàn)兩者主要有以下幾點區(qū)別：

(1)系統(tǒng)監(jiān)測對象不同 ARAM IS M/E微震監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測的是能量為 102～1010J(對應(yīng)里氏地震震級為 0～4.5級)、震動頻率為 0～150Hz的微震事件,反映的是煤巖體的宏觀破壞現(xiàn)象;ARES-5/E地音監(jiān)測系統(tǒng)主要監(jiān)測的是能量小于 102J、震動頻率為 150～3000Hz的地音事件,反映的是煤巖體的微觀破裂現(xiàn)象[2]。

(2)系統(tǒng)監(jiān)測范圍不同 ARAM IS M/E微震監(jiān)測系統(tǒng)主要用于實時監(jiān)測整個礦區(qū)范圍內(nèi)的微震事件,并對其進行定位處理和能量計算,進而分析整個礦區(qū)及主要采動影響區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)、地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育地帶等區(qū)域的微震事件分布規(guī)律,實現(xiàn)對礦井及局部重點監(jiān)測區(qū)域沖擊危險的評價和預(yù)警;ARES-5/E地音監(jiān)測系統(tǒng)主要用于實時監(jiān)測礦井主要采動影響區(qū)域 (即回采工作面和掘進工作面)單位時間內(nèi)地音事件的發(fā)生數(shù)量和能量釋放情況,分析監(jiān)測區(qū)域內(nèi)地音事件的發(fā)生規(guī)律,實現(xiàn)對礦井主要采動影響區(qū)域沖擊危險的評價和預(yù)警。

(3)測站布置方式不同 ARAM IS M/E微震監(jiān)測系統(tǒng)需要在井下布置若干監(jiān)測分站 (最少為 8個),其中每個分站的有效監(jiān)測范圍為 10km2,分別安裝在全礦井范圍內(nèi)的不同區(qū)域,形成一個可以覆蓋整個礦井范圍的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò);ARES-5/E地音監(jiān)測系統(tǒng)只需要在礦井的回采工作面 (4個探頭)和掘進工作面 (2個探頭)內(nèi)布置若干監(jiān)測探頭,每個監(jiān)測探頭的有效監(jiān)測半徑為 50m,主要用來監(jiān)測工作面的采動應(yīng)力顯著影響區(qū)域。

(4)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方式不同 ARAM IS M/E微震監(jiān)測系統(tǒng)會對發(fā)生在全礦區(qū)范圍內(nèi)的微震事件進行統(tǒng)計分析,事件數(shù)量少、能量高,但分布區(qū)域廣,在數(shù)據(jù)處理過程中,需要對每一個微震事件進行詳細的定位分析和能量計算,掌握事件的全部相關(guān)信息,為分析微震事件分布規(guī)律提供準(zhǔn)確的參考數(shù)據(jù);ARES-5/E地音監(jiān)測系統(tǒng)只對發(fā)生在礦井主要采動影響區(qū)域內(nèi)的地音事件進行統(tǒng)計分析,事件數(shù)量多、能量低、分布區(qū)域集中,在數(shù)據(jù)處理過程中,只對單位時間內(nèi)發(fā)生在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的地音事件數(shù)量和總能量進行統(tǒng)計,而不針對某一事件進行單獨定位分析和能量計算。

3 微震、地音數(shù)據(jù)綜合分析法

在煤礦的實際生產(chǎn)過程中,回采工作面和掘進工作面是受采動影響最顯著的區(qū)域,該區(qū)域巖層活動劇烈,應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重,在煤巖體結(jié)構(gòu)類型比較特殊的局部區(qū)域,還極易誘發(fā)沖擊礦壓災(zāi)害,在沖擊礦壓礦井中,該區(qū)域往往屬于高沖擊危險區(qū)域[2-4]。因此,十分有必要加強該區(qū)域的監(jiān)測力度,提高監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

從上述關(guān)于 ARAM IS M/E微震監(jiān)測系統(tǒng)與ARES-5/E地音監(jiān)測系統(tǒng)功能的介紹,可以發(fā)現(xiàn),2種系統(tǒng)能夠分別對礦井主要采動影響區(qū)域 (即回采工作面和掘進工作面)內(nèi)發(fā)生的微震事件和地音事件進行監(jiān)測,但在以往的實際分析過程中,分析人員只是分別應(yīng)用系統(tǒng)自帶軟件對其各自數(shù)據(jù)進行處理,由于在數(shù)據(jù)選取過程中往往存在誤差,有時會導(dǎo)致最終 2種系統(tǒng)的分析結(jié)論并不一定能夠完全相符,不利于指導(dǎo)現(xiàn)場人員完成礦井的沖擊礦壓防治工作。因此,可以考慮對礦井主要采動影響區(qū)域內(nèi) 2種系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行綜合分析,結(jié)合兩者的優(yōu)點,得出更加符合客觀實際的分析結(jié)果。

3.1 綜合數(shù)據(jù)分析法原理

在工作面采動過程中,采動影響區(qū)域內(nèi)應(yīng)力分布情況發(fā)生變化,局部形成應(yīng)力集中,在應(yīng)力集中區(qū)內(nèi),煤巖體經(jīng)歷 “彈性變形 -塑性變形 -塑性破壞”的演變過程。此時,存在 2種可能：一是,在巖體破壞過程中,前期發(fā)生的微破裂事件 (地音事件)較多、釋放的能量相對較大、事件平均能量較小時,煤巖體破壞過程比較平穩(wěn),其內(nèi)部積聚的能量得到釋放,很可能不會發(fā)生微震事件或沖擊現(xiàn)象;另一種情況是,當(dāng)前期事件數(shù)量少、平均能量大,但釋放總能量較少時,煤巖體內(nèi)積聚的能量得不到釋放,經(jīng)歷一個短暫的沉靜期后,則極有可能發(fā)生大的微震事件甚至沖擊現(xiàn)象[5,6]。因此,在綜合研究地音事件發(fā)生規(guī)律與微震事件或沖擊現(xiàn)象之間關(guān)系的過程中,不能單一的研究地音事件數(shù)量和釋放總能量,事件的平均能量值也是判斷微震事件或沖擊現(xiàn)象發(fā)生的重要指標(biāo)。

微震、地音數(shù)據(jù)綜合分析法正是以地音事件的小時加權(quán)平均能量值作為主要判斷指標(biāo),具體研究小時事件加權(quán)平均能量值變化規(guī)律與微震事件或沖擊現(xiàn)象之間關(guān)系。

3.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)的選取

(1)微震數(shù)據(jù)選取 ARAM IS M/E微震監(jiān)測系統(tǒng)可以對監(jiān)測到的微震事件進行定位處理和能量計算,在常規(guī)的處理過程中,會對累計監(jiān)測到的微震事件進行區(qū)域劃分、時間劃分和層位劃分,尋找微震事件的分布規(guī)律。

本文的研究是在單一微震事件定位和能量計算的基礎(chǔ)上,重點對主要采動影響區(qū)域 (即回采工作面和掘進工作面)內(nèi)發(fā)生的微震事件進行處理,回采工作面主要統(tǒng)計工作面前方 200 m內(nèi)煤巖體及工作面兩側(cè)保護煤柱范圍內(nèi)的微震事件,掘進工作面主要統(tǒng)計工作面前方 50 m范圍實體煤及后方150 m范圍巷道周圍煤巖體內(nèi)的微震事件,其他區(qū)域的微震事件不需要進行統(tǒng)計。

(2)地音數(shù)據(jù)選取 ARES-5/E地音監(jiān)測系統(tǒng)的常規(guī)功能是實時顯示地音監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線,并對監(jiān)測區(qū)域的沖擊危險等級進行評價,并沒有直接提供數(shù)據(jù)處理的界面。

在本文的研究中,將直接調(diào)用地音系統(tǒng)各通道的原始數(shù)據(jù),對其進行后期人工處理;數(shù)據(jù)選取范圍為各探頭的實際監(jiān)測區(qū)域,即選取探頭 50m監(jiān)測半徑內(nèi)的地音數(shù)據(jù)。

圖1為 ARAM ISM/E微震監(jiān)測系統(tǒng)與 ARES-5/E地音監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)選取區(qū)域平面圖。

圖1 微震監(jiān)測系統(tǒng)與地音監(jiān)測系統(tǒng)事件選取區(qū)域

3.3 綜合數(shù)據(jù)分析法數(shù)據(jù)處理

(1)選取監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的微震事件數(shù)據(jù),并按其發(fā)生時間進行排序;

(2)調(diào)取ARES-5/E地音監(jiān)測系統(tǒng)各通道的原始分鐘統(tǒng)計數(shù)據(jù),并結(jié)合現(xiàn)場實際噪音情況對其進行降噪處理;

(3)在降噪處理的基礎(chǔ)上,計算出每小時的事件加權(quán)平均能量值,作為該小時的計算結(jié)果;

(4)繪制出當(dāng)前時刻與前 3天時間內(nèi)的小時事件加權(quán)平均能量值變化曲線,并將這期間發(fā)生的微震事件或沖擊現(xiàn)象標(biāo)注在相應(yīng)的位置;

(5)分析小時事件加權(quán)平均能量值變化趨勢與微震事件或沖擊現(xiàn)象之間的關(guān)系。

4 微震、地音數(shù)據(jù)綜合分析法應(yīng)用實例

以某礦綜采工作面 2009年 4月的實際監(jiān)測數(shù)據(jù)為例進行綜合數(shù)據(jù)分析,共分析了能量在 104J以上的大級別微震事件 67個,繪制出了小時事件加權(quán)平均能量值變化曲線,并標(biāo)注了微震事件。圖2為全部分析曲線中的一段,4月 19日 9時至 4月22日 8時,3d內(nèi)的小時事件加權(quán)平均能量值變化曲線。

圖2 小時事件加權(quán)平均能量值變化曲線

分析發(fā)現(xiàn)小時事件加權(quán)平均能量值變化趨勢與微震事件之間存在如下關(guān)系：

(1)微震事件常常發(fā)生在小時事件加權(quán)平均能量值峰值后 1～2h內(nèi) (尤其是第 1個小時內(nèi)),統(tǒng)計期間準(zhǔn)確率達到 87%。圖 2中圓點標(biāo)注處為小時事件加權(quán)平均能量值峰值出現(xiàn)時間,其后箭頭標(biāo)注位置為微震事件發(fā)生時間,微震事件基本都發(fā)生在前者峰值過后 1～2h內(nèi)。分析認(rèn)為,產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是微震事件發(fā)生前,煤巖體內(nèi)存在一個能量不斷積聚的過程,這段時間內(nèi)發(fā)生的地音事件釋放的能量值也相應(yīng)增大,直到微震事件發(fā)生后,煤巖體內(nèi)的能量得到釋放、應(yīng)力集中程度下降,地音事件的能量值又迅速降低。

(2)部分小時事件加權(quán)平均能量值峰值后并未發(fā)生微震事件。分析認(rèn)為,產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是在煤巖體能量積聚的過程中,由于此時地音事件釋放的能量迅速增多,已經(jīng)使煤巖體內(nèi)部積聚的能量得到了一定程度的釋放,喪失了發(fā)生微震事件的條件。這一現(xiàn)象與應(yīng)用煤層卸壓爆破技術(shù)預(yù)防沖擊礦壓災(zāi)害的原理是一致的。

(3)微震事件發(fā)生前出現(xiàn)的地音事件加權(quán)平均能量峰值一般為 160～200J左右。統(tǒng)計過程中發(fā)現(xiàn),微震事件發(fā)生前出現(xiàn)的地音事件加權(quán)平均能量系統(tǒng)和ARES-5/E地音監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù),達到預(yù)測礦井主要采動影響區(qū)域沖擊礦壓災(zāi)害的目的。

目前的微震、地音數(shù)據(jù)綜合分析法還不夠成熟,并沒有考慮到礦井實際開采過程中的地質(zhì)構(gòu)造、開采進度等影響因素,還需要開展進一步的研究,分析各種因素對綜合分析結(jié)論的影響;應(yīng)用微震、地音數(shù)據(jù)綜合分析法對沖擊礦壓災(zāi)害進行預(yù)測的可行性還有待探討。峰值普遍偏低,當(dāng)?shù)匾羰录訖?quán)平均能量峰值很高時,由于能量已經(jīng)得到釋放的原因,往往并不會發(fā)生微震事件。

因此,通過對某礦綜采工作面應(yīng)用微震、地音數(shù)據(jù)綜合分析法分析后認(rèn)為,在該綜采工作面小時事件加權(quán)平均能量峰值為 160～200J時,其后 1～2h內(nèi)發(fā)生大級別微震事件的幾率非常高,可以考慮將該規(guī)律應(yīng)用到?jīng)_擊礦壓災(zāi)害預(yù)防工作中。

5 結(jié)論與展望

通過對 ARAM ISM/E微震監(jiān)測系統(tǒng)和 ARES-5/E地音監(jiān)測系統(tǒng)各自特點的分析,提出了微震、地音數(shù)據(jù)綜合分析法,重點研究礦井主要采動影響區(qū)域內(nèi)地音事件加權(quán)平均能量值變化趨勢與微震事件之間的關(guān)系;結(jié)合理論分析與現(xiàn)場實例應(yīng)用,認(rèn)為通過對 ARAM ISM/E微震監(jiān)測系統(tǒng)和 ARES-5/E地音監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的綜合分析,能夠得出地音事件加權(quán)平均能量值變化趨勢與微震事件之間的內(nèi)在關(guān)系,可以在總結(jié)地音事件加權(quán)平均能量值變化規(guī)律的基礎(chǔ)上預(yù)測微震事件的發(fā)生;可以考慮將微震、地音數(shù)據(jù)綜合分析法應(yīng)用到?jīng)_擊礦壓災(zāi)害預(yù)防工作中,通過綜合處理 ARAM IS M/E微震監(jiān)測

[1]鄧志剛,任 勇,毛德兵,等 .波蘭 EMAG礦壓監(jiān)測系統(tǒng)功能及應(yīng)用情況 [J].煤炭科學(xué)技術(shù),2008,36(10).

[2]齊慶新,竇林名 .沖擊地壓理論與技術(shù) [M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2008.

[3]齊慶新,毛德兵,王永秀,等 .礦山地質(zhì)動力災(zāi)害的發(fā)生機理與控制途徑分析 [J].地質(zhì)與勘探,2003(S).

[4]竇林名,何學(xué)秋 .沖擊礦壓防治理論與技術(shù) [M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2001.

[5]齊慶新 .礦山壓力與地音 [J].礦山壓力與頂板管理,1992(1).

[6]Bernard Drzezls,竇林名,何學(xué)秋 .沖擊礦壓危險性評價的地音法 [J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報,2000(1).

Research on Comprehensive Analysis M ethod of M icro-seism ic and Acoustic Em ission Data

DENG Zhi-gang,REN Yong,WANG Chuan-peng,WANG Yuan-jie,WANG Shu-wen
(CoalMining&DesigningDepartment,Tiandi Science&Technology Co.,Ltd,Beijing 100013,China)

W ith continuous application ofARAM ISM/E seismic monitoring system and ARES-5/E acoustic emission monitoring system from EMAG of Poland,related knowledge and experience was accumulated.This paper put for ward a comprehensive data processingmethod ofARAM ISM/E and ARES-5/E.By integrating advantagesof these two systems,analysis resultwasmore beneficial to instructing rock-burst prevention work.

rock-burst;ARAM ISM/E seismicmonitoring system;ARES-5/E acoustic emissionmonitoring system;comprehensive analysis

TD324.2

A

1006-6225(2010)01-0008-03

2009-09-16

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃 (973)(2005CB221503)與國家“十一五”科技支撐計劃資助項目 (2006BAK03B0702)。

鄧志剛 (1981-),男,吉林長春人,碩士,主要從事沖擊礦壓、煤礦安全的研究工作。

鄒正立]