近直立煤層沖擊地壓微震監(jiān)測(cè)前兆信息規(guī)律研究

趙志鵬，閆瑞兵，劉昆輪

(神華新疆能源有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830027)

近年來，沖擊地壓成為影響煤礦安全生產(chǎn)的主要因素之一[1-3]，急傾斜煤層沖擊尤為頻繁。烏東煤礦南采區(qū)為近直立煤層賦存條件，受巖柱、歷史煤柱及特殊地質(zhì)構(gòu)造的影響，在距水平地面300m就有沖擊地壓顯現(xiàn)，出現(xiàn)沖擊地壓的臨界采深要比目前大多數(shù)沖擊地壓礦區(qū)煤層埋藏深度淺很多[4]。隨著采掘深度增加，動(dòng)力災(zāi)害更加頻繁，對(duì)沖擊前兆信息的辨識(shí)顯得尤為重要。

沖擊地壓現(xiàn)象的本質(zhì)是高應(yīng)力狀態(tài)作用下煤巖體的突然失穩(wěn)破壞[5]。煤巖破壞過程中，伴隨裂隙的產(chǎn)生和擴(kuò)展[6]，以及能量的釋放和轉(zhuǎn)移[7]。許多學(xué)者針對(duì)煤巖破壞過程中的各種物理現(xiàn)象對(duì)沖擊地壓的前兆信息開展了諸多研究。趙毅鑫等[8]通過對(duì)“兩硬”條件下沖擊地壓微震信號(hào)特征研究發(fā)現(xiàn)，沖擊前微震事件頻次和能量均減少，堅(jiān)硬頂板斷裂后發(fā)生壓縮、反彈的區(qū)域是發(fā)生沖擊的震源區(qū)域。袁瑞甫等[9]研究了煤柱型沖擊地壓微震信號(hào)分布特征和前兆信息，發(fā)現(xiàn)微震事件分維值在沖擊前會(huì)降低到某個(gè)臨界值以下。此外還有不少學(xué)者[10，11]對(duì)沖擊地壓電磁輻射前兆信息展開了研究，取得了一定的成果。然而，有關(guān)近直立煤層沖擊地壓前兆信息的研究尚不多見，而近直立煤層又是沖擊地壓高發(fā)區(qū)，因此，對(duì)其沖擊前兆的研究尤為必要，該研究對(duì)進(jìn)一步做好沖擊地壓預(yù)測(cè)預(yù)防工作具有重要指導(dǎo)意義。

1 工程概況

1.1 工作面概況

烏東煤礦B3+6工作面煤層傾角為82°～87°，平均厚度48.87 m，內(nèi)含夾矸4～20層，夾矸總厚為0.08～4.40m；直接頂與直接底均為粉砂巖。采用水平分段綜放開采的采煤方法，采高3m，放高22m。當(dāng)前采面為+450m水平，平均采深400m，可采走向長度222m。本文以+450水平B3+6工作面為研究對(duì)象，對(duì)沖擊地壓發(fā)生前的微震事件時(shí)空演化規(guī)律展開研究。

1.2 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

烏東煤礦采用波蘭EMAG工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新研究院研制的ARMISM/E微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于SN/DTSS傳輸站中的SPI-70地震計(jì)，使用本質(zhì)安全的數(shù)據(jù)傳輸，從地表集中供電，系統(tǒng)共包含12個(gè)微震探頭。

微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)拾震器和探頭主要布置在+450水平和+425水平，其中拾震器布置在水泥平臺(tái)上，幫探頭和底探頭安裝在水泥平臺(tái)或錨桿上，+450水平3個(gè)探頭均隨工作面位置動(dòng)態(tài)移動(dòng)，微震系統(tǒng)探頭布置方案如圖1所示。

圖1 微震系統(tǒng)探頭布置示意圖

1.3 +450水平B3+6工作面歷次沖擊地壓

B3+6煤層從開采到現(xiàn)在，共發(fā)生5次沖擊地壓，分別為“2·27”、“3·13”、“11·24”、“2·1”、“4·26”事故。其中+450水平共發(fā)生3次沖擊地壓，分別為“11·24”、“2·1”、“4·26”事故，歷次沖擊地壓破壞范圍如圖2所示，破壞形式以幫鼓和底鼓為主，沖擊地壓影響破壞區(qū)域大多集中在超前工作面0～200m之間。

圖2 歷次沖擊地壓破壞范圍

2 近直立煤層沖擊地壓前微震時(shí)空演化規(guī)律

2.1 微震能量、頻次演化分析

圖3中(a)、(b)、(c)分別統(tǒng)計(jì)了2016年11月24、2017年2月1日以及2017年4月26日3次沖擊地壓發(fā)生前1個(gè)月的微震事件每日頻次和累計(jì)能量的變化，如圖3可知，在沖擊地壓發(fā)生之前，微震累計(jì)能量和頻次均出現(xiàn)異常變化。

圖3 沖擊前微震能量和頻次時(shí)序演化規(guī)律

2.1.1 累計(jì)能量

以3次沖擊地壓發(fā)生前累計(jì)能量為例，累計(jì)能量先是呈現(xiàn)出平穩(wěn)波動(dòng)的變化趨勢(shì)，在臨近沖擊之前，累計(jì)能量開始劇烈波動(dòng)，然后下降到一個(gè)較低值隨即發(fā)生大能量沖擊事件。

2.1.2 微震頻次

“11·24”沖擊地壓發(fā)生前一個(gè)月微震頻次總體呈下降趨勢(shì)，但中間仍有3次明顯的急升急降段，在頻次降低至0～10次時(shí)，累計(jì)能量便會(huì)出現(xiàn)小幅躍升，甚至出現(xiàn)“11·24”沖擊地壓事故；“2·1”沖擊地壓發(fā)生前一個(gè)月微震頻次有兩次較大的躍升，在微震頻次躍升之后的急劇下降段，累計(jì)能量出現(xiàn)相應(yīng)的升高，尤其是第二次微震頻次下降至0～10次時(shí)發(fā)生“2·1”沖擊地壓事故；“4·26”沖擊地壓發(fā)生前一個(gè)月微震頻次變化較為平穩(wěn)，在“4·26”沖擊地壓發(fā)生前有一次頻次的大幅躍升，隨即發(fā)生“4·26”事故。

微震每日累計(jì)能量和頻次的異常變化反映了煤巖體內(nèi)能量積累和消耗的不穩(wěn)定狀態(tài)，因此可以作為沖擊地壓的前兆。值得注意的是，沖擊地壓警報(bào)是一項(xiàng)艱巨而復(fù)雜的任務(wù)，其前兆可能會(huì)有所不同，前述的每日累計(jì)能量和頻次異常變化只是許多可能的前兆中的一種。因此在生產(chǎn)活動(dòng)中如監(jiān)測(cè)到類似的微震數(shù)據(jù)變化規(guī)律應(yīng)引起高度重視，提前進(jìn)行進(jìn)一步危險(xiǎn)辨識(shí)并及時(shí)做好防治措施。

2.2 微震能量和頻次偏差分析

2.2.1 偏差指標(biāo)的提出

能量偏差值DE定義為：

(1)

頻次偏差值Dp定義為：

(2)

2.2.2 微震能量、頻次偏差值指標(biāo)演化規(guī)律

對(duì)2016—2017年+450水平B3+6回采面所有大能量礦震(震源能量>106J)前的微震能量和頻次進(jìn)一步研究，分析大能量礦震之前每日微震事件的能量偏差值DE和頻次偏差值Dp的時(shí)序變化趨勢(shì)，如圖4、5所示，圖中垂向虛線表示大能量事件發(fā)生日期，實(shí)線表示沖擊地壓發(fā)生日期。

圖4 能量偏差值時(shí)序分布規(guī)律

圖5 頻次偏差值時(shí)序分布規(guī)律

由圖4可以看出，在大能量礦震之前，礦震的能量偏差值基本都會(huì)出現(xiàn)較高值，該值一般大于20。該時(shí)間段共發(fā)生7次大能量礦震，其中6次大能量礦震發(fā)生前能量偏差值超過20。以兩個(gè)大能量礦震之間的時(shí)間間隔作為時(shí)間窗，在臨近大能量礦震前，DE會(huì)出現(xiàn)緩慢增加的趨勢(shì)，并在緩慢增加的過程中突然出現(xiàn)一個(gè)極大值，該極大值一般出現(xiàn)在大能量礦震之前一周。

由圖5可以看出，在大能量礦震之前，每日微震頻次偏差值Dp經(jīng)歷一個(gè)峰值，即出現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，且7次大能量礦震發(fā)生前Dp峰值均大于0.8。

2.3 沖擊前礦震空間演化規(guī)律

以2017年4月26日沖擊地壓前10天每日微震空間定位結(jié)果為例，研究沖擊地壓前礦震的空間演化規(guī)律。圖6中左下角標(biāo)記為當(dāng)日工作面推進(jìn)速度，右上角標(biāo)記為當(dāng)日日期。

由圖6可以看出，在沖擊地壓發(fā)生之前4月18日到4月23日，微震事件快速增多且逐漸向回采工作面集中，同時(shí)大能量事件開始逐漸增多。B2-B3巷巖體內(nèi)微震事件活動(dòng)性快速增強(qiáng)。在23日之后，微震事件集中度開始迅速減弱，微震事件集中區(qū)從B3+6煤體向B2-B3巷巖體移動(dòng)，隨后發(fā)生沖擊地壓，即沖擊地壓的發(fā)生是一個(gè)能量聚集到釋放的過程。

圖6 微震空間定位演化

3 結(jié) 論

1)沖擊地壓發(fā)生前微震頻次和能量變化異常，具體表現(xiàn)為沖擊前累計(jì)能量會(huì)劇烈波動(dòng)下降到一個(gè)較低值，微震頻次出現(xiàn)急升急降的變化。

2)大能量礦震之前，微震能量偏差值DE基本都會(huì)出現(xiàn)較高值，該值一般大于20，每日微震頻次偏差值Dp會(huì)經(jīng)歷一個(gè)峰值，Dp峰值均大于0.8。

3)沖擊前微震頻次連續(xù)增加且向回采工作面集中，大能量事件開始逐漸增多，此后工作面微震迅速減少隨即發(fā)生沖擊地壓事件。