王俊光，田利軍，梁　冰，汪北方（.遼寧工程技術(shù)大學(xué)，遼寧阜新3000；.山西省大同煤業(yè)集團(tuán)，山西大同03704）

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“三硬”煤層沖擊礦壓的微震信號(hào)特征分析

王俊光1，田利軍2，梁冰1，汪北方1
（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)，遼寧阜新123000；2.山西省大同煤業(yè)集團(tuán)，山西大同037041）

摘要：為研究頂板、底板和煤層相對(duì)較硬的“三硬”煤層工作面微震活動(dòng)規(guī)律，以忻州窯煤礦微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為工程背景，針對(duì)震源分布特征、微震能量及頻次與采動(dòng)的關(guān)系、典型沖擊礦壓微震信號(hào)特性分析等方面進(jìn)行研究，揭示工作面微震活動(dòng)總體規(guī)律，特別是沖擊礦壓前兆的微震效應(yīng)，為建立“三硬”沖擊礦壓微震預(yù)測(cè)技術(shù)、評(píng)價(jià)礦井沖擊礦壓提供依據(jù)，具有一定理論意義與實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：振動(dòng)與波；三硬煤層；沖擊礦壓；微震監(jiān)測(cè)；波形特征

微震監(jiān)測(cè)技術(shù)作為一種先進(jìn)、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)巖爆預(yù)報(bào)手段，近年來(lái)，在理論研究和應(yīng)用方面取得長(zhǎng)足進(jìn)步。在國(guó)外[1，2]，特別是南非、加拿大等國(guó)的深井礦山中得到了廣泛的應(yīng)用，已作為礦山安全的重要措施。在國(guó)內(nèi)，李庶林等用加拿大ESG的設(shè)備建立監(jiān)測(cè)凡口鉛鋅地壓的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[3，4]；姜福興等用澳大利亞設(shè)備在煤礦建立微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，研究煤礦深部采場(chǎng)爆破地震波的傳播規(guī)律及采場(chǎng)地應(yīng)力分布[5–7]；魯振華和張連城在門(mén)頭溝煤礦進(jìn)行微震監(jiān)測(cè)，評(píng)估微震的近場(chǎng)監(jiān)測(cè)效能[8]；唐春安等在紅透山銅礦等金屬礦山開(kāi)展大量的微震監(jiān)測(cè)研究[9–11]；為監(jiān)測(cè)冬瓜山銅礦的深部開(kāi)采巖爆問(wèn)題，唐禮忠利用南非IS的設(shè)備建立微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[12]。我國(guó)僅有極少數(shù)礦山進(jìn)行微震監(jiān)測(cè)，研究“三硬”條件下的煤層沖擊地壓預(yù)測(cè)處于起步階段，為此，以典型的“三硬”煤礦—忻州窯煤礦西二盤(pán)區(qū)8929綜放工作面和東三盤(pán)區(qū)8512工作面為背景，鑒于忻州窯煤礦微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)處于初期運(yùn)行的情況，對(duì)微震活動(dòng)規(guī)律的研究主要針對(duì)震源的分布特征、微震能量及頻次與采動(dòng)的關(guān)系、典型沖擊礦壓微震信號(hào)的特性分析等方面展開(kāi)，揭示工作面采動(dòng)過(guò)程中微震活動(dòng)的總體規(guī)律，特別是沖擊礦壓前兆的微震效應(yīng)，可為礦井評(píng)價(jià)沖擊礦壓提供依據(jù)，具有一定的理論意義與實(shí)用價(jià)值。

1　微震震源分布特征

忻州窯煤礦工作面頂板、底板、煤層相對(duì)較硬，屬典型“三硬”煤層，極易發(fā)生沖擊地壓，采用SOS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)沖擊地壓進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào)。SOS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能對(duì)礦井包括沖擊礦壓在內(nèi)的礦震信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)距離、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、自動(dòng)監(jiān)測(cè)，準(zhǔn)確計(jì)算出能量大于102J的震動(dòng)及沖擊礦壓發(fā)生的時(shí)間、能量及空間坐標(biāo)，且系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。能給出沖擊礦壓等礦震信號(hào)的完全波形，能確定出每次震動(dòng)的震動(dòng)類型，判斷出沖擊礦壓發(fā)生力源。SOS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由1 Hz～600 Hz震動(dòng)記錄性能、帶嵌入式信號(hào)傳輸模塊的震動(dòng)檢波器實(shí)時(shí)測(cè)量探頭、中心信號(hào)數(shù)據(jù)接收器、信號(hào)監(jiān)測(cè)和分析模塊的數(shù)字信號(hào)記錄器、中心計(jì)算機(jī)組成。井下布置非常簡(jiǎn)單，只有探頭和傳輸線。探頭安裝在錨桿上，便于施工、維護(hù)和移動(dòng)。采用獨(dú)立的干線式數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)雙向控制傳輸。

通過(guò)布置傳感器位置，觀測(cè)并采集發(fā)生震動(dòng)時(shí)的微震信號(hào)，根據(jù)這些傳感器的坐標(biāo)及到時(shí)信息，確定微震發(fā)出位置及發(fā)出時(shí)刻，即確定微震震源。通過(guò)監(jiān)測(cè)，忻州窯煤礦微震震源主要集中在兩個(gè)采動(dòng)區(qū)域：

（1）西二盤(pán)區(qū)8929綜放工作面；

（2）東三盤(pán)區(qū)8512工作面。

能量為105～107J的震動(dòng)主要發(fā)生在上述兩個(gè)區(qū)域。并且東三盤(pán)區(qū)8512工作面震動(dòng)能級(jí)較大。西二盤(pán)區(qū)8929綜放工作面為震動(dòng)多發(fā)區(qū)。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，在井下工作面上共布置16個(gè)測(cè)點(diǎn)，在地面布置一個(gè)探頭，重點(diǎn)布置在8929工作面以及8512工作面，如圖1所示。

圖1　微震震源的分布

2　微震能量及頻次與采動(dòng)的關(guān)系

聲發(fā)射與微震信號(hào)的特征決定于震源性質(zhì)、所經(jīng)巖體性質(zhì)及監(jiān)測(cè)點(diǎn)到震源的距離等?；緟?shù)與巖體穩(wěn)定狀態(tài)密切相關(guān),基本反映了巖體的破壞現(xiàn)狀[13-15]。能率大小,主要反映巖體變形和破壞范圍，頻率變化則反映巖體變形和破壞過(guò)程。圖2給出了微震總能量、頻次與時(shí)間的關(guān)系，以西二盤(pán)區(qū)8929工作面為例，8929綜放工作面老頂初次破斷步距為工作面長(zhǎng)度的85%～110%。8929工作面傾斜長(zhǎng)度為120 m，則老頂?shù)某醮蝸?lái)壓步距為102～132，老頂?shù)某醮蝸?lái)壓步距為周期來(lái)壓步距的2.45～2.5，則工作面老頂?shù)闹芷趤?lái)壓步距為40.8 m～53 m。8929工作面推進(jìn)速度為3 m/天，則老頂?shù)闹芷趤?lái)壓時(shí)間為13—17天，平均為15天。從圖2中可以看出，忻州窯煤礦的微震活動(dòng)規(guī)律與老頂巖層的周期來(lái)壓密切相關(guān)，每一次老頂周期來(lái)壓時(shí)，均造成工作面附近微震的總能量以及頻次突然增加。

圖2　微震總能量及頻次與時(shí)間的關(guān)系

圖3　不同工作面微震總能量及頻次的統(tǒng)計(jì)曲線

圖3給出了不同工作面微震總能量及頻次的統(tǒng)計(jì)曲線。根據(jù)不同采動(dòng)工作面微震信號(hào)總能量以及頻次的統(tǒng)計(jì)分布曲線，利用微震臺(tái)網(wǎng)的三維定位和能量計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)能量較大的震源多處于8929工作面區(qū)段煤柱區(qū)域內(nèi)，工作面煤壁前方震動(dòng)能量及頻次比采空區(qū)要多。

（1）震動(dòng)頻繁發(fā)生區(qū)域在西二盤(pán)區(qū)，東三盤(pán)區(qū)8516面和8518面是震動(dòng)能量異常區(qū)，每次震動(dòng)能量普遍在105J以上。

（2）西二盤(pán)區(qū)是震動(dòng)的多發(fā)區(qū)域，工作面的尾巷震動(dòng)能量比其它地方要高，并且沖擊礦壓發(fā)生概率高。

3　沖擊礦壓前兆微震效應(yīng)規(guī)律

忻州窯煤礦2010年7月12日發(fā)生了沖擊礦壓事故，給礦井的安全生產(chǎn)造成了一定的影響。經(jīng)SOS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的定位和能量計(jì)算，7月12日的微震能量達(dá)到2.5×107J，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)沖擊礦壓發(fā)生的最小能量極限。圖4所示為沖擊礦壓的微震信號(hào)波形圖。

圖4　沖擊礦壓微震波形圖

由圖4可知，沖擊礦壓微震信號(hào)的振動(dòng)速度均接近10-3m/s，信號(hào)持續(xù)時(shí)間3s～4s，且能量較高。

（1）沖擊前兆微震能量及頻次效應(yīng)

由圖5可知，在7月12日發(fā)生沖擊礦壓的前幾天，微震能量開(kāi)始增加后下降再增加，并且震動(dòng)次數(shù)總體上處在增加趨勢(shì)，能量經(jīng)過(guò)釋放和積聚過(guò)程，應(yīng)力處于極限狀態(tài)的區(qū)段煤柱煤體在12號(hào)夜班采礦活動(dòng)的擾動(dòng)下誘發(fā)沖擊。同理，7月17日沖擊礦壓發(fā)生前，直至在工作面采動(dòng)影響下誘發(fā)沖擊礦壓。這就說(shuō)明沖擊礦壓屬于典型的堅(jiān)硬頂板型。當(dāng)沖擊礦壓發(fā)生之前，由于頂板的周期破斷，巖層內(nèi)部形成眾多的微裂紋，此時(shí)微震信號(hào)呈現(xiàn)多峰值型的高頻特征（微震信號(hào)能量及頻次較高）。隨著頂板內(nèi)部微裂紋的匯合、貫通，此時(shí)微震信號(hào)呈現(xiàn)低頻特征（微震信號(hào)能量與頻次下降）。當(dāng)頂板內(nèi)部形成宏觀主裂紋，誘發(fā)煤體沖擊礦壓前兆，此時(shí)微震信號(hào)呈現(xiàn)超低頻（＜10 Hz）特征，能量有所增加，頻次下降。當(dāng)沖擊礦壓發(fā)生之后，微震又呈現(xiàn)多峰值型的高頻特征，頻次開(kāi)始增加，能量降低。

（2）沖擊前兆微震頻譜效應(yīng)

圖6所示為2010年7月12沖擊礦壓發(fā)生之前微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)1通道采集的微震信號(hào)的頻譜分布。從圖6可知，沖擊礦壓發(fā)生之前，微震信號(hào)的頻譜主要分布在0～150 Hz，高頻成份較多，且振動(dòng)速度較低。說(shuō)明8929工作面上方的堅(jiān)硬砂巖頂板正處于周期的破斷活動(dòng)之中。

圖5　沖擊礦壓發(fā)生前后微震能量及頻次統(tǒng)計(jì)曲線

圖6　沖擊礦壓之前微震信號(hào)頻譜分布

圖7所示為2010年7月12沖擊礦壓發(fā)生時(shí)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)1通道采集的微震信號(hào)頻譜分布。由圖7可知，當(dāng)堅(jiān)硬頂板巖層內(nèi)部形成宏觀主裂紋時(shí)，微震信號(hào)主頻帶為10 Hz～35 Hz，振動(dòng)速度高于沖擊之前的微震信號(hào)。當(dāng)煤體發(fā)生沖擊礦壓時(shí)，此時(shí)微震信號(hào)主頻帶為0～10 Hz，且振動(dòng)速度較高，達(dá)到10-3m/s。

圖8所示為2010年7月12沖擊礦壓發(fā)生之后微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)1通道采集的微震信號(hào)頻譜分布。由圖8可知，沖擊礦壓發(fā)生之后，由于頂板內(nèi)部重新產(chǎn)生了大量的微裂紋以及煤體產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)，導(dǎo)致微震信號(hào)的頻譜又呈現(xiàn)出多峰值型的高頻特征，主頻帶分布在0～300 Hz，其中高頻成份急劇增加。

圖7　沖擊礦壓微震信號(hào)頻譜分布

圖8　沖擊礦壓之后微震信號(hào)頻譜分布

綜上，堅(jiān)硬頂板型沖擊礦壓的微震頻譜效應(yīng)為沖擊之前微震信號(hào)呈現(xiàn)高頻、低振動(dòng)速度的特征；沖擊前兆為微震信號(hào)呈現(xiàn)低頻、較高振動(dòng)速度的特征；沖擊發(fā)生時(shí)，微震信號(hào)呈現(xiàn)較低頻（＜10 Hz）的特征，振動(dòng)速度達(dá)到極值；沖擊發(fā)生之后，微震信號(hào)呈現(xiàn)高頻、低振動(dòng)速度的特征。

4　結(jié)語(yǔ)

（1）根據(jù)微震能量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，在空間上忻州窯煤礦微震震源主要集中8929綜放工作面以及8512工作面。其中8512工作面接近斷層以及構(gòu)造區(qū)域，造成大部分高能級(jí)的微震信號(hào)集中在該區(qū)域，但頻次較低。8929工作面因區(qū)段煤柱的高應(yīng)力集中，為震源多發(fā)區(qū)。

（2）在時(shí)間上，忻州窯煤礦的微震活動(dòng)規(guī)律與老頂巖層的周期來(lái)壓密切相關(guān)，每一次老頂周期來(lái)壓時(shí)，均造成工作面附近微震的總能量以及頻次突然增加。

（3）忻州窯煤礦沖擊礦壓微震前兆能量及頻次效應(yīng)為微震能量開(kāi)始增加后下降再增加，并且震動(dòng)次數(shù)總體上處在增加趨勢(shì)，能量經(jīng)過(guò)釋放和積聚過(guò)程，應(yīng)力處于極限狀態(tài)的區(qū)段煤柱煤體在采礦活動(dòng)的擾動(dòng)下誘發(fā)沖擊。

（4）忻州窯煤礦沖擊礦壓微震前兆頻譜效應(yīng)為沖擊之前微震信號(hào)呈現(xiàn)高頻、低振動(dòng)速度的特征；沖擊前兆為微震信號(hào)呈現(xiàn)低頻、較高振動(dòng)速度的特征；沖擊發(fā)生時(shí)，微震信號(hào)呈現(xiàn)較低頻（＜10 Hz）的特征，振動(dòng)速度達(dá)到極值；沖擊發(fā)生之后，微震信號(hào)呈現(xiàn)高頻、低振動(dòng)速度的特征。

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Analysis of Microseismic Signal Characteristics of Rock Burst in the“Three-Hard”Featured Coal Seam

WANG Jun-guang1, TIAN Li-jun1, LIANG Bing1, WANG Bei-fang1
( 1. Liaoning Technical University, Fuxin 123000, Liaoning China; 2. Datong Coal MineGroupof Shanxi Province, Datong 037041, Shanxi China)

Abstract:Themicro-seismic activity law of theworking facein thehard celling, hard floor and hard seam (known as “three hard”) coal mine was studied. The micro- seismic monitoring system of Xinzhou coal mine was taken as the engineering example. Therelation among distribution featuresof theseismic sourceintensity, seismic energy, frequency and mining wasstudied.And thecharacteristicsof themicro-seismic signal of typical rock-burst wereanalyzed. Thegeneral law of the micro-seismic activity in the working face, especially the micro-seismic effect prior to the rock-burst was revealed. Thestudy may provideabasisfor setting up themicro-seismic prediction and evaluation methodsfor the“threehard”coal seamrock-burst. It hastheoretical significanceandpractical value.

Key words:vibration and wave;“three hard”featured coal seam; rock burst; micro seismic monitoring; wave characteristics

作者簡(jiǎn)介：王俊光（1980-），男，遼寧省阜新市人，博士，主要研究方向?yàn)榈V山壓力與巖層控制。E-mail:shenliu_303@163.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51404130）；教育部博士點(diǎn)基金資助項(xiàng)目（20122121120004)

收稿日期：2015-10-26

文章編號(hào)：1006-1355(2016)02-0185-04

中圖分類號(hào)：

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.02.041