矿内-矿间微震监测技术研究

辛崇伟，姜福兴，樊 硕，魏向志，张立明

(1.北京科技大学 土木与资源工程学院，北京 100083；2.北京安科兴业科技股份有限公司，北京 100083；3.义马煤业集团股份有限公司，河南 义马 472300)

微震(MS)是指由岩石破裂或流体扰动产生的微小震动[1，2]。在微震监测过程中根据监测范围的不同分为区域微震、全矿微震和矿间微震。区域微震和全矿微震的监测范围分别对应井田内的某一重点区域和全矿井；矿间微震是为了提高井田边界的监测能力，相邻矿井在矿内微震的基础上进行的联合监测。

煤矿的传统监测方法大多采用巷道或工作面表观变形特征作为监测对象，难以得到煤矿巷道或工作面动力灾害预测所必需的信息。作为一种动态时空监测方法，微震监测技术能够及时发现煤岩体内部破裂[3]。利用煤岩体内部破裂产生的微震活动，以动力显现前的微震前兆信息作为失稳判据，监测煤矿冲击地压的产生。20世纪40年代美国矿业局就应用声发射技术来监测采场的冒顶，片帮等灾害[4]。此后，国内外学者开始应用微震监测技术研究煤矿井下煤岩体破裂的活动规律，上覆岩层破坏规律，冲击地压、煤矿突水、煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害监测等方面取得大量的成果[5-11]。我国煤矿间的微震监测系统相互独立，使得各矿为了提高监测精度和监测范围必须增加微震传感器的数量，但微震监测台网受制于本矿的巷道分布导致无法实现井田边界覆盖。随着我国煤矿开采深度和强度的增加，多个矿区出现了矿间开采扰动引起的动力显现，但市场上并无矿间微震监测系统，因此研发了矿间微震监测系统。

1 矿内-矿间微震原理及系统组成

早在20世纪40年代美国矿业局开展的研究中发现，应力作用下的岩石会发射可探测的地震能，其发射率随应力值的增大而提高[12]。一般来说，声发射速率的增长超前于岩石破裂。根据震动波到达多个震动传感器的时间差可确定震中位置。

矿内-矿间微震监测系统主要包括两套KJ551全矿微震监测系统和矿间微震的数据处理系统两个部分，为了保证两套矿内微震监测系统的同步性，本系统采用GPS授时实现多节点时间同步。系统包括微震传感器、通信电缆和光缆、信号采集系统、微震信号处理系统等。在常村煤矿和跃进煤矿分别安装11和9个微震传感器，可在监测矿内回采造成的微破裂的同时，监测常村和跃进矿井边界煤岩体的破裂。井下的信号通过电缆和光缆传输到地面微震主机，实现矿内微震信号的分析处理。矿内微震系统主机实时存储井下通过光纤传输的震动信号，以云传输方式将两个套矿内微震系统的数据进行共享。利用矿间微震监测处理系统，在单独监测某一矿井的微震信息的同时，将两个矿的信号整合分析，实现矿井边界区域的岩层断裂的监测。

2 工程背景

根据义煤集团采掘安排，常村煤矿21162工作面和跃进煤矿23092工作面同时回采，可能会对矿井边界区域产生扰动。义马煤田煤层顶板砾岩厚度大、岩性坚硬、完整性好、抗变形能力强，为弹性能的大量积蓄提供了条件。为了避免事故发生，矿内-矿间微震监测系统安装于常村和跃进煤矿井田边界的21162和23092工作面，两个工作面的开始回采时间分别为2018年10月和2018年5月。跃进煤矿与常村煤矿边界区域的工作面回采情况如图1所示，跃进煤矿23092工作面和常村21162工作面中间全部为采空区或煤柱，矿内-矿间微震传感器将在该两个工作面布置测点，对23092工作面和21162工作面开采对井田边界及采空区进行实时监测。通过布设矿内-矿间微震监测系统，对采集到的微震事件进行分析研究，利用人工爆破标定试验进行矿内微震和矿间微震的定位误差分析并确定弹性波在义马煤田煤岩体中的传播速度。

图1 常村跃进煤矿井田边界区域开采情况

3 台网布设及优化

研究表明，微震台网的监控能力和定位精度主要取决于台站的密度、几何布局、台站的时间服务精度等诸多因素[13]。台网布设方式将直接影响矿内-矿间微震监测系统的定位精度。下面将介绍当前台网布设方式及现场定位精度误差，并通过微震误差标定检验台网的可靠性。

3.1 台网布设方式

综合两个矿井内的生产实际与矿井间的相互位置，最终确定矿内-矿间微震监测台网的布设方式。跃进煤矿微震监测系统共布置9个测点，23采区轨道下山3个，23092工作面6个，两条工作面回采巷道的传感器交叉布置；常村煤矿微震监测系统共布置测点11个，21采区下山5个，21162工作面6个，两条工作面回采巷道的传感器交叉布置，间距约为300m。具体布设位置如图2所示。

图2 微震台网布设方案

3.2 定位误差数值模拟分析。

Kijko基于D值最优设计理论提出设计微震台网的方法[14，15]。D值理论认为震源参数协方差矩阵行列式大小正比于误差椭球体体积，行列式越小，椭球体体积越小，震源参数分布越集中，参数估计就越准确。根据D值最优设计理论对矿内和矿间微震台网布设结果进行矿内-矿间微震监测系统定位误差数值模拟，结果如图3所示。

图3 震中定位误差理论计算结果

由定位误差数值模拟计算结果可以看出，常村煤矿和跃进煤矿的矿内微震在本工作面的定位精度较高，其他区域定位精度明显降低。但是矿间微震在两个工作面及井田边界区域定位精度平均提高2～5倍。

3.3 系统工作状态标定

在常村煤矿21162回采工作面及跃进煤矿23093回采工作面各进行两次标定爆破，爆破位置与矿内微震定位结果见表1、表2。

表1 常村煤矿微震监测系统标定结果

表2 跃进煤矿微震监测系统标定结果

采用人工定位爆破检验微震监测系统的震源定位精度，结果表明矿内微震监测系统的定位误差小于15m，反映出矿内微震监测系统在矿井内的性能良好、微震传感器空间布置合理，能够满足矿山微震监测的需要。

为验证矿间微震的可靠性，根据工程条件，于2019年3月6日与2019年3月11日分别在原21220综放工作面运输巷进行两次定位爆破。爆破方案如图4所示，具体爆破位置坐标见表3。

图4 矿间微震人工爆破位置

表3 人工爆破点位置

表4 矿内与矿间微震定位坐标

由21220综放工作面运输巷道进行的两次人工定位爆破结果中可以看出，跃进煤矿仅有两个微震传感器接收到该人工爆破的信号，但未能对人工爆破事件进行定位。常村煤矿矿内微震监测结果显示两次爆破的定位误差均超过40m，误差较大。在利用矿间微震进行定位后明显看出，矿间微震对两次人工定位爆破的定位精度明显比常村矿内微震的定位精度高，两次定位误差均小于20m。

上述人工爆破标定表明，在不增加微震传感器的情况下，利用矿间微震监测系统可以定位到更多、更准确的微震事件，提高了矿井的监测精度和监测范围，尤其对于本矿的巷道分布无法实现覆盖或监测精度较低的井田边界区域具有良好的效果。

4 高位覆岩破裂位置研究

义马煤田巨厚砾岩顶板特厚煤层开采相互干扰条件下，利用矿间微震监测范围广、监测精度高等优点，对井田边界区域的巨厚砾岩上覆岩层进行有效监测，通过对井田边界上覆岩层破裂产生的微震事件进行分析，研究巨厚砾岩上覆岩层冒落发育高度及对工作面可能产生的影响。

4.1 井田边界覆岩空间结构

通过分析特厚煤层井田边界煤柱区域覆岩空间结构，研究井田边界上覆岩层的空间破裂过程。特厚煤层井田边界煤柱区域覆岩空间结构如图5所示。覆岩空间结构存在高位岩层结构和低位岩层结构，低位岩层随着回采的进行而垮落，高位岩层结构中存在尚未断裂的坚硬岩层。当新的工作面开始回采，高位坚硬岩层尚未断裂的井田边界区域受工作面回采扰动，高位覆岩出现离层和断裂，巨厚砾岩的断裂将释放大量能量，能量的冲击可能会对巷道及工作面安全产生影响[16]。

图5 井田边界煤柱高低覆岩空间结构

4.2 微震空间分布规律

矿间微震事件的空间分布规律对研究跃进煤矿和常村煤矿井田边界巨厚砾岩上覆岩层破裂集中区的发育高度有重要作用。以2018年12月1日～2018年12月31日的矿间微震数据为例，重点针对跃进煤矿23092回采工作面和常村煤矿21162回采工作面之间的采空区微震定位结果进行分析。跃进煤矿和常村煤矿矿间微震事件平面和剖面分布如图6(a)～(b)所示，图中圆球代表微震事件。从图中可看出，12月份矿间微震在共接收到矿间微震事件36个，其中超过104J的大能量事件为13个，但矿内微震接收到的该区域的微震事件分别为9个和7个，由于常村煤矿21220工作面开采时间为2015年12月～2018年4月，上覆岩层未完全稳定，导致多数微震事件发生于常村煤矿21220采空区靠近井田煤柱的一侧，最上方的微震事件约在煤层上方300m处，大能量事件主要集中在工作面上方140-300m之间。根据现场地质条件，大能量事件发生区域为巨厚砾岩层。

图6 微震事件定位结果

为了有效的验证矿间微震监测空间分布规律的合理性，利用FLAC3D模拟软件建立数值模型，模拟两个目标工作面开采对井田边界上覆岩层的影响。

按照圣维南原理，一般研究区域选开挖尺寸的3～5倍较为合理，既能满足求解精度要求，又可以满足计算速度要求。因此，本数值计算模型尺寸为1000m×1000m×900m，单元格数量192500个，根据现场实际地质条件共分为8个地层，其中煤层组又分为未开采部分、采空区和回采工作面三个部分。义马煤田地层倾角一般为6°～25°，常村-跃进煤矿区域的煤层平均倾角12°，数值模型中煤层倾角设置为12°；煤层直接顶板一般为泥岩，厚度约为22m，之上为中侏罗统马凹组，为砂砾岩-泥砂岩互层，平均厚度166m。再向上为发育到地表或接近地表的上侏罗统巨厚砾岩层。2-1煤层及2-3煤层厚度变化较大，2-1煤层厚度0～8.15m，平均4m左右，2-3煤层厚度0～21.86m，平均厚度约为8m，为了简化模型，在模型中煤层厚度设置为12m。

首先开挖常村煤矿及跃进煤矿的采空区，利用有限差分法计算平衡后再开挖常村煤矿21162回采工作面和跃进煤矿23092回采工作面的已回采部分，得到工作面开挖前后的井田边界的塑性区分布如图7所示。

图7 塑性区分布

由图7可知，两工作面开采之前上部塑性区高度约180m，两工作面开采后上部塑性区高度约为270m，数值模拟得到的井田边界上覆岩层塑性区分布与矿间微震监测系统监测到的数据基本一致。由此可知，数值模拟结果与微震监测结果基本吻合，证明了微震监测结果的可靠性。

4.3 井田边界微震事件分析

从矿间微震事件定位平面图和剖面图可以看出，微震事件主要集中在井田边界上方，大能量事件主要分布在工作面上覆岩层较高位置，且大能量事件占总事件数的比例高达36%，从常村煤矿和跃进煤矿的矿内微震数据可以看出，两套矿内微震系统监测的井田边界的微震事件均不超过10个。由此可知，矿间微震对井田边界煤岩体破裂产生的震动接收能力强。

由2018年12月份的矿间微震数据可知，21220工作面靠近井田边界的一侧，其上覆岩层随常村煤矿21162工作面和跃进煤矿23092工作面的开采而冒落高度逐渐增高，具体表现为上覆巨厚砾岩的离层和断裂。巨厚砾岩的断裂往往造成大的能量释放，如果巷道或工作面处于冲击的临界状态，则巨厚砾岩的断裂可能导致冲击地压的发生，因此需要特别注意井田边界大能量事件的发生。

5 结 论

1)矿间微震系统在井田边界区域利用的微震检波器数量更多，可定位到更多的微震事件。

2)矿井边界区域位于矿间微震监测系统台网内，监测精度较矿内微震监测系统更高。

3)矿间微震监测手段在常村-跃进煤矿井田边界取得良好的监测效果。

4)矿间微震对义煤集团井田边界高位覆岩运动监测发现，微震事件主要集中在21220采空区后方的边界煤柱附近，且在高位覆岩中出现较多的大能量事件。