特殊空間結(jié)構(gòu)條件下微震活動(dòng)規(guī)律研究

孫雪亮 杜濤濤 藍(lán) 航

（1.神華新疆能源有限責(zé)任公司，新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市，830084；2.天地科技股份有限公司，北京市朝陽區(qū)，100013）

1 地質(zhì)概況

W1143綜采工作面開采煤層為B4-1 煤層。B4-1 煤層平均埋深317 m，工作面走向長1495 m、傾斜長162m，煤層傾角10°～16°，煤層平均厚度為4.2m，采高3m。煤層頂板從下向上依次為：直接頂為粉砂巖，厚度5.7 m；煤層B4-2，平均厚2.5m；基本頂為粗砂巖，厚度大。底板巖層從上向下依次為：直接底為層狀中砂巖，厚度5.2m；基本底為粗砂巖，厚度12.99m。

W1143綜采工作面與上覆B4-2 煤層層間距平均為9.4m。一采區(qū)西翼B4-2煤層已回采了兩個(gè)工作面，即W114 （2）1、W114 （2）3工作面。W1143綜采工作面上順槽以南為實(shí)體煤 （巖）層，下順槽以北為W1141采空區(qū)，兩工作面之間留設(shè)28m 煤柱。工作面在回采區(qū)域初期發(fā)生了一次嚴(yán)重沖擊地壓。特殊空間結(jié)構(gòu)區(qū)域：相鄰W1141采空區(qū)，工作面上方存在W114 （2）1、W114 （2）3采空區(qū)，幾個(gè)采空區(qū)形成了特殊的空間結(jié)構(gòu)。

2 ARAMIS M／E微震監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 ARAMIS M／E微震監(jiān)測系統(tǒng)簡介

ARAMIS M／E微震監(jiān)測系統(tǒng)集成數(shù)字DTSS傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了礦山震動(dòng)定位、震動(dòng)能量計(jì)算及震動(dòng)的危險(xiǎn)評價(jià)。微震監(jiān)測原理：監(jiān)測傳感器監(jiān)測震動(dòng)事件，經(jīng)NSGA 發(fā)射器處理后，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，然后由數(shù)字信號傳輸系統(tǒng)DTSS傳送到地面。ARAMIS M／E監(jiān)測系統(tǒng)可監(jiān)測震動(dòng)能量大于100J、頻率范圍在0～150Hz，以及低于30dB的震動(dòng)事件。

ARAMIS M／E 微 震 系 統(tǒng) （見 圖1）包 括：ARAMIS＿WIN 軟件 （震動(dòng)定位和震動(dòng)能量計(jì)算）、包含ARAMIS＿REJ軟件 （DTSS傳輸系統(tǒng)監(jiān)測軟件）的震動(dòng)信息記錄儀、系統(tǒng)信息傳輸系統(tǒng)DTSS （該部分包括地面SP／DTSS 信息收集站，其由OCGA 數(shù)字信號接收裝置、配備GPS時(shí)鐘的ST／DTSS傳輸系統(tǒng)控制模塊、主通道切換模塊，以及SR 15-150-4／11I型配電裝置）、井下分站（包括NSGA 震動(dòng)信號發(fā)射裝置和拾震器、頂板震動(dòng)傳感器GVu、底板震動(dòng)傳感器GVd、水平震動(dòng)傳感器GH）。

2.2 ARAMIS M／E微震臺網(wǎng)布置

ARAMISM／E微震臺網(wǎng)的布置，依據(jù)以下原則進(jìn)行：

（1）高質(zhì)量安裝傳感器。臺基應(yīng)選擇在無風(fēng)化、無破碎夾層、完整大面積出露的基巖上，巖性要致密、堅(jiān)硬，如花崗巖、輝綠巖、石英砂巖或灰?guī)r等，如不能滿足以上條件，則需在安裝地點(diǎn)構(gòu)筑水泥平臺。

圖1 ARAMIS M／E微震監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（2）在滿足經(jīng)濟(jì)支出能力的同時(shí)，應(yīng)盡可能增加觀測站數(shù)目，使觀測站圍繞震源均勻分布，保證多數(shù)觀測站可以獲得記錄信息，避免定位臺站數(shù)量不足，影響觀測精度和可靠性。

（3）觀測站布置采用空間立體形式，必須考慮已建立的方程組性質(zhì)，找出監(jiān)測臺站最優(yōu)幾何分布，避免出現(xiàn) “病態(tài)”方程，得不到正確的震源位置或使方程組解發(fā)散。

（4）根據(jù)礦井生產(chǎn)實(shí)際，要使微震監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)空間網(wǎng)絡(luò)，拾振器的布置要確保當(dāng)前開采區(qū)域和其他重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域處于監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的中心，傳感器盡可能接近待測區(qū)域，避免大斷層及破碎帶的影響，同時(shí)遠(yuǎn)離機(jī)械和電氣等干擾。

（5）既要照顧當(dāng)前開采區(qū)域，又要考慮未來一定時(shí)期內(nèi)的開采活動(dòng)。盡量利用現(xiàn)有巷道、硐室進(jìn)行通風(fēng)，測站硐室要避開開采活動(dòng)影響范圍，以減少施工、通風(fēng)及維修費(fèi)用。

依據(jù)以上原則，微震監(jiān)測臺站圍繞W1143工作面進(jìn)行布置，寬溝煤礦微震系統(tǒng)臺站空間布置如圖2 所示，具體如下：①微震臺站主要布置在W1143工作面兩順槽，有3 個(gè)臺站，分別為1＃、3＃、9＃臺站。其中，W1145工作面上順槽有2個(gè)臺站，分別為10＃、11＃臺站，W1121聯(lián)絡(luò)巷布置16＃拾震器。②E1146 工作面周圍布置3 個(gè)拾震器，分別為2＃、4＃、5＃拾震器。③增加垂直方向的高差，地面布置3個(gè)拾震器，分別是位于風(fēng)井的13＃拾震器、風(fēng)井以西800m 的14＃拾震器、風(fēng)井以東800m 的15＃拾震器；W1121下順槽布置8＃拾震器。④永久硐室布置3 個(gè)拾震器：1432 回風(fēng)立眼以北150 m 處的12＃拾震器、1255水平單軌石門處的6＃拾震器和1355架空行人巷處的7＃拾震器。

圖2 寬溝煤礦微震系統(tǒng)臺站空間布置圖

3 特殊空間結(jié)構(gòu)條件下微震活動(dòng)規(guī)律分析

3.1 微震活動(dòng)分布規(guī)律

如圖3 所 示，2011 年11 月16 日 前，W1143工作面距特殊空間結(jié)構(gòu)區(qū)域 （距離W114 （2）3停采線）504m 以外，ARAMIS M／E 微震監(jiān)測結(jié)果表明，微震次數(shù)較少、分布分散、巖層活動(dòng)的高度也較低。

圖3 W1143工作面遠(yuǎn)離特殊空間結(jié)構(gòu)時(shí)微震事件分布

如圖4 所示，W1143工作面靠近特殊空間結(jié)構(gòu)區(qū)域時(shí)，微震事件開始顯著增多，微震事件主要集中在W1143采空區(qū)后方頂板巖層、W1141采空區(qū)頂板巖層和W1143工作面中上部前方頂?shù)装鍘r層中，高位巖層微震事件明顯增多。

微震事件時(shí)空分布結(jié)果表明，W1143 工作面靠近特殊空間結(jié)構(gòu)區(qū)域時(shí)，圍巖活動(dòng)顯著增強(qiáng)，活動(dòng)范圍顯著增大，引起該工作面以及相鄰采空區(qū)上方覆巖劇烈活動(dòng)，揭示了在靠近特殊空間結(jié)構(gòu)的過程中，覆巖逐漸不穩(wěn)定。

如圖5所示，W1143 工作面過特殊空間結(jié)構(gòu)區(qū)域時(shí)，進(jìn)入覆巖結(jié)構(gòu)的卸壓區(qū)，在該區(qū)域雖然微震事件頻次多，但微震事件的能量明顯降低，以小能量事件居多，而且工作面上方高位巖層微震事件明顯降低，高位巖層微震以低能量事件為主，揭示了覆巖活動(dòng)劇烈程度降低。

圖4 W1143工作面靠近特殊空間結(jié)構(gòu)時(shí)微震事件分布

圖5 W1143工作面過特殊空間結(jié)構(gòu)時(shí)微震事件分布

綜上所述，ARAMIS M／E 微震監(jiān)測系統(tǒng)揭示了特殊空間結(jié)構(gòu)區(qū)域覆巖運(yùn)動(dòng)、能量釋放及位置。工作面由不受特殊空間結(jié)構(gòu)影響區(qū)域到進(jìn)入特殊空間結(jié)構(gòu)卸壓區(qū)下方，微震監(jiān)測到覆巖活動(dòng)產(chǎn)生的微震事件能量和頻次呈先增加后降低的特點(diǎn)，表明覆巖由穩(wěn)定，到劇烈活動(dòng)，再到穩(wěn)定的過程。

3.2 微震活動(dòng)能量和頻次的關(guān)系

2011年11月4日，開始進(jìn)入特殊空間結(jié)構(gòu)區(qū)域。進(jìn)入初始階段，微震事件頻次和能量維持在較低的水平；接近特殊結(jié)構(gòu)區(qū)域，微震事件能量和頻次大幅增加，微震活動(dòng)頻繁增加，釋放的能量劇烈增加；過特殊結(jié)構(gòu)區(qū)域后微震活動(dòng)開始減弱，微震能量和頻次開始降低。

圖6為特殊空間結(jié)構(gòu)區(qū)域微震事件日平均釋放能量。2011年11月3日微震事件日平均釋放能量突然變化，主要因?yàn)橥七M(jìn)度突然增加，2011年11月3日推進(jìn)度為6m／d。2011年11月11日，能量突然增加，是停止的工作面恢復(fù)推進(jìn)后能量的大量釋放的結(jié)果。自2011年11月20日開始，工作面越來越靠近特殊空間結(jié)構(gòu)區(qū)域，因此，日釋放能量呈現(xiàn)不斷增加的趨勢，直至進(jìn)入特殊空間結(jié)構(gòu)后，微震能量達(dá)到最大。2011年12月4日，進(jìn)入特殊空間結(jié)構(gòu)的卸壓區(qū)后，微震事件能量明顯降低，表明巖層活動(dòng)劇烈程度開始減弱。

通過ARAMIS M／E微震監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測，可以實(shí)時(shí)獲得工作面距離特殊結(jié)構(gòu)由遠(yuǎn)及近過程中覆巖活動(dòng)的情況，揭示覆巖活動(dòng)集中的巖層層位、微震事件集中的位置、覆巖活動(dòng)釋放的能量，以及回采強(qiáng)度對覆巖能量釋放的影響，能夠有效指導(dǎo)工作面過特殊空間結(jié)構(gòu)區(qū)域時(shí)的沖擊地壓防治工作，當(dāng)監(jiān)測到覆巖能量大量釋放，工作面具有沖擊危險(xiǎn)時(shí)，應(yīng)及時(shí)采取措施進(jìn)行卸壓，同時(shí)合理控制工作面推進(jìn)速度，以有效控制沖擊地壓的發(fā)生機(jī)率。

圖6 特殊空間結(jié)構(gòu)區(qū)域微震事件能量和頻次關(guān)系

4 結(jié)論

（1）寬溝煤礦建立的ARAMIS M／E微震監(jiān)測系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對礦井采掘工作面覆巖活動(dòng)產(chǎn)生的微震事件實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、自動(dòng)監(jiān)測，并通過軟件進(jìn)行準(zhǔn)確定位和能量計(jì)算，對工作面覆巖活動(dòng)和沖擊危險(xiǎn)的研究具有重要參考價(jià)值。

（2）揭示了特殊空間結(jié)構(gòu)區(qū)域微震活動(dòng)時(shí)空演化規(guī)律。工作面過特殊空間結(jié)構(gòu)區(qū)域時(shí)，覆巖活動(dòng)劇烈程度明顯增加，覆巖活動(dòng)產(chǎn)生微震事件的能量和頻次呈現(xiàn)先增加，后減少的趨勢。微震監(jiān)測結(jié)果表明，工作面距特殊空間結(jié)構(gòu)較遠(yuǎn)時(shí)，工作面受特殊空間結(jié)構(gòu)活動(dòng)影響較?。还ぷ髅嬷饾u靠近特殊空間結(jié)構(gòu)時(shí)，覆巖開始變得不穩(wěn)定，活動(dòng)程度變劇烈，穩(wěn)定性變差，造成工作面沖擊危險(xiǎn)性升高；進(jìn)入空間結(jié)構(gòu)一定距離后，覆巖活動(dòng)逐漸減弱，釋放的能量和頻次降低，巖層活動(dòng)區(qū)域穩(wěn)定。

（3）由工作面過特殊空間結(jié)構(gòu)區(qū)域微震事件能量和頻次關(guān)系得到以下結(jié)構(gòu)：開始進(jìn)入特殊空間結(jié)構(gòu)區(qū)域階段，微震事件頻次和能量維持在較低水平；接近特殊空間結(jié)構(gòu)，區(qū)域微震事件能量和頻次大幅增加，微震活動(dòng)頻繁增加，釋放的能量劇烈增加；過特殊空間結(jié)構(gòu)區(qū)域后，覆巖活動(dòng)劇烈程度開始減弱，微震能量和頻次開始降低。

（4）對特殊空間結(jié)構(gòu)微震監(jiān)測結(jié)果表明，巖層的空間結(jié)構(gòu)是工作面回采過程頂板活動(dòng)劇烈程度的重要影響因素，ARAMIS M／E 微震監(jiān)測系統(tǒng)可有效揭示覆巖運(yùn)動(dòng)、能量釋放時(shí)間、位置等，對沖擊地壓危險(xiǎn)監(jiān)測預(yù)警、防治具有重要作用。

［1］ 竇林名，何學(xué)秋.采礦地球物理學(xué) ［M］.北京：中國科學(xué)文化出版社，2002

［2］ 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

［3］ 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

［4］ 楊志國，于潤滄，郭然等.微震監(jiān)測技術(shù)在深井礦山中的應(yīng)用 ［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008 （5）