两种微震监测系统协同印证模式下的对比分析

白俊杰 吕玉磊

（中煤西北能源公司乌审旗蒙大矿业，内蒙古 鄂尔多斯 017300）

目前正值我国能源战略西移的历史阶段，鄂尔多斯市已成为全国煤炭工业的主阵地。伴随着一批高产高效的千万吨级矿井、亿吨级矿区相继规划、建成投产，冲击地压灾害问题也日趋严重[1]。微震监测是冲击地压矿井中区域监测手段的重要一种[2]，目前主要有三种微震监测系统：天地科技ARAMIS M/E、北京安科兴业KJ551 和中国矿业大学SOS，多数矿井采用ARAMIS M/E 和KJ551。鉴于矿井冲击地压监测的复杂性，为了确保安全生产，纳林河二号矿井安装两套微震监测系统，形成了相互协同、印证的监测预警模式。本文通过对比同时间、同区域回采期间，煤层及上覆岩层内产生的能量事件频次、释放总能量和上覆岩层中微震事件分布规律[3]，结合顶板取芯柱状图，从多个角度对KJ551和ARAMIS 两套微震监测系统进行分析，为矿井微震监测设备选型提供有益的借鉴。

1 监测工作面概况

31103-1 工作面为首采盘区南翼的第三个工作面，工作面长241 m，走向长度1787 m，煤层厚度5.5 m，为近水平煤层。东侧为31102 工作面采空区，区段煤柱宽度25 m。31103-1、31102 和31101工作面切眼呈外错布置，分别外错355 m、345 m。31103-1 工作面两侧顺槽掘进过程中未揭露断层等地质构造。经鉴定3-1 煤顶板、煤层属于强冲击倾向性，底板为弱冲击倾向性。

2 微震监测系统布置情况

为了提高微震监测系统的监测精确性和可靠性[4]，在31103 工作面安装KJ551 和ARAMIS 两套微震监测系统。两种微震监测系统在协同、印证模式下，通过对比能量事件的个数、释放总能量和分布规律，多方面对工作面冲击危险程度进行预测。

2.1 KJ551 微震监测系统

KJ551 微震监测系统为48 通道，在回采工作面两侧顺槽分别布置4 个检波器，相邻的检波器距离100 m，工作面开采至距离检波器40 m 左右及时将检波器和缆线移组。井下监测分站通过环网连接至地面监测室的监测主机。

2.2 ARAMIS 微震监测系统

ARAMIS 微震监测系统[5]为24 通道，在回采工作面两侧顺槽分别布置1 个底板拾震器及1 个顶板探头。拾震器作为半永久设备一般不予移动，探头随着工作面推进移组，工作面开采至距离探头60 m 左右及时将探头和缆线移组。井下监测分站通过环网连接至地面监测室的监测主机。

2.3 微震监测设备布置情况

KJ551 微震监测系统检波器布置在工作面两顺槽超前300 m 范围内，ARAMIS 微震监测系统在31103回风顺槽布置底板拾震器一个、顶板探头一个，在31103 胶运顺槽及31104 主回撤通道内布置底板拾震器一个，另外在31103 胶运顺槽布置顶板探头一个。微震监测设备布置位置示意图如图1 所示。

3 监测结果对比分析

31103 工作面于2019 年4 月25 日开始回采，2019 年12 月1 日—2019 年12 月30 日回采区域对应距离切眼915.3～999.6 m 范围（84.3 m）。该区域主要受采空区侧向支撑压力、本工作面采动应力、双面见方、二次见方等因素影响，经冲击危险等级评价为强。该区域回采期间采场上覆岩层破断、运移较剧烈，因此选择该区域为监测区域，对KJ551和ARAMIS M/E 微震监测结果进行对比分析。监测对比区域如图1 所示。

3.1 区域密集监测

监测范围比较：KJ551 微震监测系统检测到能量事件最高发育至煤层上方168 m 处；ARAMIS 微震监测系统检测到能量事件最高发育至煤层上方314 m 处。

（1）KJ551 微震监测结果，如图2 所示。

（2）ARAMIS 微震监测结果，如图3 所示。

图1 微震监测设备布置位置示意图

图2 工作面顶板上方岩层频次、释放总能量分布图（KJ551，2019.12.1—2019.12.30）

图3 工作面顶板上方岩层频次、释放总能量分布图（ARAMIS M/E,2019.12.1—2019.12.30）

（3）对比分析

数 量 比 较：2019.12.1—2019.12.30 期 间，ARAMIS 监测系统共接收到微震事件2361 个，释放总能量1.53×106J，单个事件平均能量648.03 J；KJ551 监测系统共接收到微震事件2335 个，释放总能量1.3×107J，单个事件平均能量5 567.45 J。

各级事件频次比例：KJ551 微震监测结果以三次方事件为主，占比达到88%，四次方事件占比9%；ARAMIS 微震监测结果以一次方和二次方事件为主，占比达到93%，四次方事件占比1%，三次方事件占比仅为6%。各级微震事件频次占比分布如图4 所示。

图4 各级微震事件频次占比分布

3.2 顶板岩层重点层位观测对照

采用对顶板岩层取芯的方式，对附近已有的NL51、MD28 钻孔柱状图进行重新修正、编录。如图4 所示为在31103 工作面主回撤通道进行的60 m高度范围内的顶板岩层柱状图。结合顶板取芯岩层柱状图对KJ511 和ARAMIS 微震监测事件数据进行分析，如图5 所示，初步结论如下所述。

图5 回采区域煤层上方60 m 取芯柱状图与微震事件频次、能量分布对比图

（1）KJ551 监测系统对煤层上方60 m 范围内的各坚硬岩层内的破断微震事件辨识度相对较为清晰。

（2）KJ551 监测系统对煤层及17 m 范围内近距离顶板岩层内微震事件的区分度较好，对煤层内的微震事件尤为明显。

（3）KJ551 监测系统对各区域的微震事件能量与频次监测结果，基本呈“能-频同步”；ARAMIS 监测系统对煤层至10 m 高度范围的顶板岩层内的微震事件能量与频次监测不协调，煤层及上方5 m 高度范围呈“低能-高频”现象，煤层上方5～10 m 范围由“低频高能”向“高频低能”转换；煤层上方10 m 以外，未见明显规律。

4 结 论

（1）KJ511 和ARAMIS 微震在协同印证模式下，有一定的互补作用。相比较之下，ARAMIS 微震监测系统监测结果侧重于高频次、低能量事件，KJ551 微震监测系统监测结果侧重于较低频次、较高能量事件。

（2）ARAMIS 微震监测系统对监测区域上方岩层的监测范围较KJ551 更广，但KJ551 对上覆岩层内坚硬岩层的破断引发的能量事件识别更具区分度。

（3）ARAMIS 微震监测系统采用底板拾震器与顶板探头相结合的方式布置后，对煤层有一定的地音监测功能。

（4）今后现场实施过程中，应尽量做到三维立体监测，确保微震监测系统对垂直空间范围的岩层破断事件进行有效监测、反馈。