基于現(xiàn)場礦壓顯現(xiàn)的微震預(yù)警指標(biāo)研究

王志堅(jiān)，蘆盛亮，李 鋼，查 穎，蔡宏偉，韓大永

（1.潞安化工集團(tuán) 余吾煤業(yè)公司，山西 長治 046000；2.沈陽市汽車工程學(xué)校，遼寧 沈陽 110000；3.吉林省能源投資集團(tuán)有限責(zé)任公司，吉林 長春 130000；4.沈陽焦煤股份有限公司 紅陽三礦，遼寧 沈陽 110000）

1 概 況

煤層開采對巖層造成一定的擾動，在一定條件下會形成礦壓顯現(xiàn)，導(dǎo)致一定的災(zāi)害。為了對礦壓顯現(xiàn)進(jìn)行預(yù)測和預(yù)防，需要采取有效的措施對礦壓變化進(jìn)行監(jiān)測。煤礦開采過程中，礦壓會隨著時(shí)間變化而變化，傳統(tǒng)的礦壓監(jiān)測方法存在一定的局限性。微震監(jiān)測是利用巖體破壞產(chǎn)生的微震信息對巖體的破壞進(jìn)行度量，微震信號越強(qiáng)，巖體破碎越劇烈，巖體的應(yīng)力變化越大。通過現(xiàn)場監(jiān)測微震信號，建立微震信號特征與礦壓顯現(xiàn)之間的關(guān)系，是礦壓顯現(xiàn)預(yù)測的有效方法。

余吾煤礦N1100 工作面為一側(cè)沿空工作面，自2022 年3 月回采到2022 年8 月17 日，工作面共回采約280 m，逐漸處于工作面見方期，同時(shí)該工作面膠帶順槽沿N1101 工作面采空區(qū)布置，工作面間區(qū)段煤柱寬30 m，綜合導(dǎo)致工作面回采過程高應(yīng)力顯現(xiàn)明顯，自2022 年5 月份開始膠帶順槽逐漸出現(xiàn)頂板錨桿錨索失效等情況。在開采過程中，進(jìn)行了微震監(jiān)測，并發(fā)現(xiàn)大能量微震事件，本文旨在建立微震信號特征與礦壓顯現(xiàn)之間的關(guān)系。

2 微震監(jiān)測及礦壓顯現(xiàn)情況

2.1 微震監(jiān)測情況

微震監(jiān)測是利用煤巖破裂產(chǎn)生的微震信息來研究煤巖體結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性的一種實(shí)時(shí)、動態(tài)、連續(xù)的地球物理監(jiān)測方法，其原理是通過分析微震事件的空間分布特征，并結(jié)合礦山壓力相關(guān)理論，分析煤巖體應(yīng)力集中區(qū)，進(jìn)而對未來礦壓顯現(xiàn)的強(qiáng)度、發(fā)生地點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測。微震監(jiān)測系統(tǒng)由微震傳感器、信號采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、時(shí)間同步系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)等組成。

余吾煤礦N1100 工作面采用ARAMIS M/E 微震監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以計(jì)算出井下震源發(fā)生的位置、時(shí)間和能量。通過分析震動的位置、頻率和能量等數(shù)據(jù)，提前預(yù)測大能量事件可能發(fā)生的位置，由此采取相應(yīng)的防治措施，避免礦壓顯現(xiàn)的發(fā)生。

N1100 工作面微震測點(diǎn)布置如圖1 所示，工作面共布置4 個微震測點(diǎn)（T26、T27、T28 和S24），并隨著工作面回采，測點(diǎn)隨之移動，始終保持對工作面回采期間進(jìn)行微震活動監(jiān)測。

圖1 N1100 工作面微震測點(diǎn)布置Fig.1 Microseismic measuring point arrangement of No.N1100 Face

從2022 年3 月到2022 年8 月17 日，N1100工作面共回采280 m，在回采工程中，微震監(jiān)測系統(tǒng)共監(jiān)測到微震事件2 536 個，其中小于1×103J微震事件1 676 個，1×103～1×104J 微震事件842個，大于1×104J 微震事件17 個。圖2 為N1100工作面大于1×103J 微震事件平面投影，深色為1×103～1×104J 微震事件，淺色為大于1×104J微震事件?？梢钥闯?，微震事件基本發(fā)生在工作面前方，在東鄧向斜附近出現(xiàn)大能量微震事件。在工作面前方和地質(zhì)構(gòu)造附近巖石所受的應(yīng)力較大，這在一定程度上表明微震事件與應(yīng)力升高有關(guān)。

圖2 N1100 工作面103J 以上微震事件平面投影Fig.2 Plane projection of microseismic events above 103 J in No.N1100 Face

2.2 礦壓顯現(xiàn)情況

自2022 年5 月份開始，工作面回采60 m 左右，N1100 工作面膠帶順逐漸出現(xiàn)頂板錨桿錨索失效情況。隨著工作面繼續(xù)回采，膠順巷受30 m 煤柱及N1101 采空區(qū)影響，超前工作面100 m 范圍內(nèi)巷道變形較大，底鼓量最大達(dá)到1.2 m，幫鼓最大達(dá)到0.8 m?，F(xiàn)場錨桿錨索失效具體情況如圖3和圖4 所示。

圖3 頂板錨桿錨索失效情況Fig.3 Failure of roof bolt and anchor cable

圖4 順槽頂板錨桿錨索失效根數(shù)情況Fig.4 The number of failed bolt and anchor cable in the roof of the roadway

由圖4 可以看出，自2022 年5 月8 日錨桿錨索開始出現(xiàn)失效現(xiàn)象；在2022 年5 月8 日～2022年7 月8 日期間，錨桿錨索失效現(xiàn)象較少；從2022年7 月8 日開始，錨桿錨索失效現(xiàn)象開始增多，在7 月10 錨桿錨索失效數(shù)達(dá)31 根，隨后基本連續(xù)幾天或相隔幾天就出現(xiàn)錨桿錨索失效現(xiàn)象。從錨桿錨索失效累積數(shù)曲線可以看出，錨桿錨索失效累積曲線由平穩(wěn)增加逐漸向急劇增加再向平穩(wěn)增加轉(zhuǎn)化。

3 工作面礦壓顯現(xiàn)微震預(yù)警指標(biāo)分析

通過現(xiàn)場監(jiān)測的結(jié)果來看，錨桿錨索失效與礦壓顯現(xiàn)具有密切相關(guān)性，且礦壓顯現(xiàn)與微震事件也存在著一定的關(guān)系。為此，分析微震信號和錨桿錨索失效的關(guān)系，找出合理的礦壓顯現(xiàn)微震預(yù)警指標(biāo)。

3.1 日微震頻次預(yù)警指標(biāo)

在2022 年5 月8 日到2022 年8 月6 日期間，錨桿錨索日失效根數(shù)、日響煤炮個數(shù)及日微震頻次之間變化規(guī)律如圖5 所示?？梢钥闯?，三者之間具有較好相關(guān)性。在7 月10 日前，錨桿錨索日失效根數(shù)具有波動增長的趨勢，響煤炮個數(shù)也逐漸增加，在這期間微震日頻次具有明顯增加的趨勢，這表明礦壓開始增加，巖石的破裂加劇；在7 月10日當(dāng)天，錨桿錨索日失效根數(shù)達(dá)到最大值31 根，此段時(shí)間微震日頻次達(dá)到較高水平的平均值，約為40 次；在錨桿錨索日失效根數(shù)逐漸減少時(shí)，微震日頻次也逐漸減小，這表明錨桿失效與微震日頻次存在顯著的相關(guān)性。因此，可以通過微震日頻次變化預(yù)測礦壓顯現(xiàn)。

圖5 錨桿錨索日失效根數(shù)、日響煤炮個數(shù)及日微震頻次之間關(guān)系Fig.5 The relationship between the number of daily failed bolt and anchor cable,the number of daily coal cannon and the frequency of daily microseismic

3.2 日累積微震總能量預(yù)警指標(biāo)

在2022 年5 月8 日到2022 年8 月6 日期間，錨桿錨索日失效根數(shù)、日響煤炮個數(shù)及日累積微震總能量之間變化規(guī)律如圖6 所示?？梢钥闯?，三者之間具有較好相關(guān)性。在7 月10 日前，錨桿錨索日失效根數(shù)具有波動增長的趨勢，響煤炮個數(shù)也逐漸增加，在這期間日累積微震總能量具有明顯增加的趨勢；在7 月10 日當(dāng)天，錨桿錨索日失效根數(shù)達(dá)到最大值31 根，此段時(shí)間日累積微震總能量達(dá)到較高水平為5×104J；在錨桿錨索日失效根數(shù)逐漸減少，微震日頻次也逐漸減小。因此，可以通過日累積微震總能量變化預(yù)測礦壓顯現(xiàn)。

圖6 錨桿錨索日失效根數(shù)、日響煤炮個數(shù)及日微震累積總能量之間關(guān)系Fig.6 The relationship between the number of daily failed bolt and anchor cable,the number of daily coal cannon and daily microseismic cumulative total energy

3.3 單個微震事件最大能量預(yù)警指標(biāo)

2022 年6 月10 日到2022 年8 月19 日，日微震頻次、單個微震事件最大能量、日累積微震總能量之間變化規(guī)律如圖7 所示。

圖7 日微震頻次、單個微震事件最大能量、日累積微震總能量之間變化關(guān)系Fig.7 The relationship between the frequency of daily microseismic events,the maximum energy of a single microseismic event and the total energy of daily cumulative microseismic events

可以看出，三種微震指標(biāo)變化規(guī)律具有較好一致性。自7 月28 日開始，104 J 以上大能量微震事件逐漸增多，且基本每天都會發(fā)生，微震事件頻次和總能量也顯著增多；當(dāng)單個微震事件能量大于104J 時(shí)，日微震頻次基本均超過40 次，或日累積微震總能量基本均超過105J，這在一定程度上表明微震能量與礦壓顯現(xiàn)存在著定量的關(guān)系。因此，基于日微震頻次和日累積微震總能量預(yù)警指標(biāo)，確定單個微震事件最大能量預(yù)警指標(biāo)為1×104J。

4 結(jié) 語

基于現(xiàn)場礦壓顯現(xiàn)規(guī)律與微震監(jiān)測數(shù)據(jù)關(guān)系，初步得出余吾煤礦N1100 工作面礦壓顯現(xiàn)微震預(yù)警指標(biāo)為日微震頻次40 次、日累積微震總能量5×104J、單個微震事件最大能量1×104J。這些指標(biāo)可為礦壓顯現(xiàn)微震預(yù)測提供現(xiàn)場指導(dǎo)，但在指標(biāo)的準(zhǔn)確性方面還有待進(jìn)一步測量。