吉宁煤矿微震监测系统建设与应用研究

苏壮壮 姚 辉 于 涵

（华北科技学院安全工程学院，北京 065201）

随着我国煤矿开采深度的增加，突水事故发生的概率也在逐渐变大，因此，开展对水害隐患的监测和预警十分必要[1]。微震监测技术作为确保煤矿安全生产的重要监测预警手段之一[2]，被写入《煤矿防治水细则》。对于煤矿安全生产而言，搭建微震监测预警系统具有重要意义。吉宁煤矿缺少相应的监测手段，为在矿井回采过程中安全高效完成生产，特建立微震监测预警系统，为整个吉宁煤矿乃至周边煤矿起到了示范作用，确保了工作面的安全开采。

1 工作面概况

研究区域所在的2107 工作面是2 号煤的回采工作面，该工作面整体处于F5 正断层与F15 正断层组成的地堑式构造体中。探明工作面内存在8 条小型正断层，其中巷道实际揭露5 条，经槽波探测结果结合地面三维地震精细化解释成果和抽采钻孔情况判定断层3 条，分别为F7 正断层、F7-2 正断层、F7-3 正断层。回采过程中会出现煤岩层倾角变大、顶板破碎、片帮、瓦斯涌出等现象，对回采造成很大的影响。

2 微震系统建设

为达到监测吉宁煤矿2107 工作面开采过程中导水通道形成过程，预防矿井突水事故的发生，设计并建设微震监测系统。

2.1 微震监测原理

煤岩体在应力作用下发生破坏，并产生微震动和声波[3]。微震监测技术就是以这种微弱的震动和声波来解释煤岩体在变形和断裂过程中发生的微震事件。随着现代计算机技术、通讯技术等广泛应用，采用震动定位原理，可确定破裂发生的位置，并在三维空间显示出来[4]，从而准确地对煤岩体的活动范围及其稳定性做出安全评价[5]。

2.2 微震监测系统简介

通过对性能参数、成本、服务质量等对比，最终采用北京安科兴业股份有限公司依托北京科技大学独立研发的KJ551 微震监测系统。

KJ551 微震监测系统结构如图1 所示。安装在测区内的微震检波器接收震动信号，传输至井上(下)微震监测分站，微震分站将电信号转换为光信号，经光纤/环网传输至微震主机，经由交换机再将信号传输至数据采集主机，再传输至数据存储及处理主机进行微震事件的定位分析与多方位展示[6]，将微震监测情况实时展现在综合预警平台。

图1 KJ551 微震监测系统结构

2.3 台网布置方案

（1）系统整体配置。配备1 台微震分站，12个检波器。底板检波器安装于回采工作面，主要用于移动较频繁的区域。

（2）系统测点布置。共布置12 个测点。2107工作面胶带顺槽布置测点6 个（1#～6#），胶带顺槽1#检波器距离工作面120 m 布置第一个，其余检波器间隔120 m 连续向后布置。2107 工作面轨道顺槽布置测点6 个（7#～12#），轨道顺槽距离工作面60 m 布置第一个，其余间距120 m 连续向后布置。系统测点布置及使用电缆情况如图2。

图2 工作面微震监测布置示意图

3 工作面开采过程中监测情况分析

3.1 微震事件监测情况

2019 年11 月22 日—2020 年5 月12 日期间，微震事件共计924 个，平均每天接收5.3 个微震事件。其中1000 J 以上微震事件47 个，占比5.08%，微震事件以中低能量为主，释放较为缓和。2107 工作面共发生微震事件851 个，占比92.09%。由此可以看出，大部分微震事件发生在2107 回采工作面，具体统计见表1。

表1 微震事件数量统计

由于现场微震传感器布置间距约为120 m，通过微震事件数量表明，KJ551 微震监测系统具备较强的信号接收能力。

2107 工作面微震事件大部分位于F7 断层与工作面附近，受F7 断层影响较为明显，需重点关注现场支护情况。大能量事件主要发生在回采工作面靠近胶带顺槽一侧，与推测断层较为接近，需重点关注现场支护情况。

3.2 微震监测数据分析

通过对微震事件的部分数据统计得出表2。

表2 吉宁煤业日总能量频次对比表

所有微震事件 2107 工作面微震事件能量/J 频次 能量/J 频次2020.03.25 15 118.29 8 14 248.79 7 2020.03.26 1 191.23 6 1 191.23 6 2020.03.27 1 552.99 7 1 552.99 7 2020.03.28 744.54 3 460.19 2 2020.03.29 2 400.52 8 2 040.23 7 2020.03.30 2 147.09 10 2 147.09 10 2020.03.31 1 206.8 4 1 206.8 4 2020.04.01 549.96 3 549.96 3 2020.04.02 1 035.08 6 878.3 5 2020.04.03 3 935.94 15 3 935.94 15 2020.04.04 5 701.77 24 5 701.77 24 2020.04.05 3 897.63 8 3 897.63 8 2020.04.06 253.7 1 253.7 1 2020.04.07 2 932.45 13 1 952.51 11 2020.04.08 1 588.59 4 1 588.59 4 2020.04.09 3 967.11 7 3 092.7 6 2020.04.10 573.75 4 573.75 4日期

通过对照表2 绘制出折线柱状图如图3。

图3 折线柱状图

如图3（a）所示，3 月11 日—3 月15 日，微震事件频次较低，能量较低，但是有缓慢增长过程，直至3 月15 日—3 月19 日，微震事件频次能量明显处于高位，处于能量集中释放期，3 月25 日之后能量频次都有所下降，进入下一能量积累期。

如图3（b）所示，2107 工作面3 月11 日—3月15 日处于能量积累阶段，3 月15 日—3 月19 日能量频次都处于较高位置，能量集中释放期，之后能量频次有所降低，进入下一能量积累区间。

4 结论

（1）KJ551 微震系统自安装以来，运行良好，没有出现较大运行故障，基本满足现场的监测要求。通过对微震事件能量、数量统计分析，表明KJ551微震监测系统具备较强的信号接收能力。

（2）根据选取的部分数据分析得知：2107 工作面3 月11 日—3 月15 日处于能量积累阶段，3月15 日—3 月19 日能量频次都处于较高位置，能量集中释放期，之后能量频次有所降低并进入下一能量积累区间；大部分微震事件发生在2107工作面，且微震事件大部分位于F7 断层与工作面附近，受F7 断层影响较为明显，大能量事件主要发生在回采工作面靠近胶带顺槽一侧，与推测断层较为接近，需重点关注现场支护情况。