辛崇偉，姜福興，樊 碩，魏向志，張立明

(1.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083；2.北京安科興業(yè)科技股份有限公司，北京 100083；3.義馬煤業(yè)集團股份有限公司，河南 義馬 472300)

微震(MS)是指由巖石破裂或流體擾動產(chǎn)生的微小震動[1，2]。在微震監(jiān)測過程中根據(jù)監(jiān)測范圍的不同分為區(qū)域微震、全礦微震和礦間微震。區(qū)域微震和全礦微震的監(jiān)測范圍分別對應(yīng)井田內(nèi)的某一重點區(qū)域和全礦井；礦間微震是為了提高井田邊界的監(jiān)測能力，相鄰礦井在礦內(nèi)微震的基礎(chǔ)上進行的聯(lián)合監(jiān)測。

煤礦的傳統(tǒng)監(jiān)測方法大多采用巷道或工作面表觀變形特征作為監(jiān)測對象，難以得到煤礦巷道或工作面動力災(zāi)害預(yù)測所必需的信息。作為一種動態(tài)時空監(jiān)測方法，微震監(jiān)測技術(shù)能夠及時發(fā)現(xiàn)煤巖體內(nèi)部破裂[3]。利用煤巖體內(nèi)部破裂產(chǎn)生的微震活動，以動力顯現(xiàn)前的微震前兆信息作為失穩(wěn)判據(jù)，監(jiān)測煤礦沖擊地壓的產(chǎn)生。20世紀(jì)40年代美國礦業(yè)局就應(yīng)用聲發(fā)射技術(shù)來監(jiān)測采場的冒頂，片幫等災(zāi)害[4]。此后，國內(nèi)外學(xué)者開始應(yīng)用微震監(jiān)測技術(shù)研究煤礦井下煤巖體破裂的活動規(guī)律，上覆巖層破壞規(guī)律，沖擊地壓、煤礦突水、煤與瓦斯突出等煤巖動力災(zāi)害監(jiān)測等方面取得大量的成果[5-11]。我國煤礦間的微震監(jiān)測系統(tǒng)相互獨立，使得各礦為了提高監(jiān)測精度和監(jiān)測范圍必須增加微震傳感器的數(shù)量，但微震監(jiān)測臺網(wǎng)受制于本礦的巷道分布導(dǎo)致無法實現(xiàn)井田邊界覆蓋。隨著我國煤礦開采深度和強度的增加，多個礦區(qū)出現(xiàn)了礦間開采擾動引起的動力顯現(xiàn)，但市場上并無礦間微震監(jiān)測系統(tǒng)，因此研發(fā)了礦間微震監(jiān)測系統(tǒng)。

1 礦內(nèi)-礦間微震原理及系統(tǒng)組成

早在20世紀(jì)40年代美國礦業(yè)局開展的研究中發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力作用下的巖石會發(fā)射可探測的地震能，其發(fā)射率隨應(yīng)力值的增大而提高[12]。一般來說，聲發(fā)射速率的增長超前于巖石破裂。根據(jù)震動波到達多個震動傳感器的時間差可確定震中位置。

礦內(nèi)-礦間微震監(jiān)測系統(tǒng)主要包括兩套KJ551全礦微震監(jiān)測系統(tǒng)和礦間微震的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)兩個部分，為了保證兩套礦內(nèi)微震監(jiān)測系統(tǒng)的同步性，本系統(tǒng)采用GPS授時實現(xiàn)多節(jié)點時間同步。系統(tǒng)包括微震傳感器、通信電纜和光纜、信號采集系統(tǒng)、微震信號處理系統(tǒng)等。在常村煤礦和躍進煤礦分別安裝11和9個微震傳感器，可在監(jiān)測礦內(nèi)回采造成的微破裂的同時，監(jiān)測常村和躍進礦井邊界煤巖體的破裂。井下的信號通過電纜和光纜傳輸?shù)降孛嫖⒄鹬鳈C，實現(xiàn)礦內(nèi)微震信號的分析處理。礦內(nèi)微震系統(tǒng)主機實時存儲井下通過光纖傳輸?shù)恼饎有盘?，以云傳輸方式將兩個套礦內(nèi)微震系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行共享。利用礦間微震監(jiān)測處理系統(tǒng)，在單獨監(jiān)測某一礦井的微震信息的同時，將兩個礦的信號整合分析，實現(xiàn)礦井邊界區(qū)域的巖層斷裂的監(jiān)測。

2 工程背景

根據(jù)義煤集團采掘安排，常村煤礦21162工作面和躍進煤礦23092工作面同時回采，可能會對礦井邊界區(qū)域產(chǎn)生擾動。義馬煤田煤層頂板礫巖厚度大、巖性堅硬、完整性好、抗變形能力強，為彈性能的大量積蓄提供了條件。為了避免事故發(fā)生，礦內(nèi)-礦間微震監(jiān)測系統(tǒng)安裝于常村和躍進煤礦井田邊界的21162和23092工作面，兩個工作面的開始回采時間分別為2018年10月和2018年5月。躍進煤礦與常村煤礦邊界區(qū)域的工作面回采情況如圖1所示，躍進煤礦23092工作面和常村21162工作面中間全部為采空區(qū)或煤柱，礦內(nèi)-礦間微震傳感器將在該兩個工作面布置測點，對23092工作面和21162工作面開采對井田邊界及采空區(qū)進行實時監(jiān)測。通過布設(shè)礦內(nèi)-礦間微震監(jiān)測系統(tǒng)，對采集到的微震事件進行分析研究，利用人工爆破標(biāo)定試驗進行礦內(nèi)微震和礦間微震的定位誤差分析并確定彈性波在義馬煤田煤巖體中的傳播速度。

圖1 常村躍進煤礦井田邊界區(qū)域開采情況

3 臺網(wǎng)布設(shè)及優(yōu)化

研究表明，微震臺網(wǎng)的監(jiān)控能力和定位精度主要取決于臺站的密度、幾何布局、臺站的時間服務(wù)精度等諸多因素[13]。臺網(wǎng)布設(shè)方式將直接影響礦內(nèi)-礦間微震監(jiān)測系統(tǒng)的定位精度。下面將介紹當(dāng)前臺網(wǎng)布設(shè)方式及現(xiàn)場定位精度誤差，并通過微震誤差標(biāo)定檢驗臺網(wǎng)的可靠性。

3.1 臺網(wǎng)布設(shè)方式

綜合兩個礦井內(nèi)的生產(chǎn)實際與礦井間的相互位置，最終確定礦內(nèi)-礦間微震監(jiān)測臺網(wǎng)的布設(shè)方式。躍進煤礦微震監(jiān)測系統(tǒng)共布置9個測點，23采區(qū)軌道下山3個，23092工作面6個，兩條工作面回采巷道的傳感器交叉布置；常村煤礦微震監(jiān)測系統(tǒng)共布置測點11個，21采區(qū)下山5個，21162工作面6個，兩條工作面回采巷道的傳感器交叉布置，間距約為300m。具體布設(shè)位置如圖2所示。

圖2 微震臺網(wǎng)布設(shè)方案

3.2 定位誤差數(shù)值模擬分析。

Kijko基于D值最優(yōu)設(shè)計理論提出設(shè)計微震臺網(wǎng)的方法[14，15]。D值理論認為震源參數(shù)協(xié)方差矩陣行列式大小正比于誤差橢球體體積，行列式越小，橢球體體積越小，震源參數(shù)分布越集中，參數(shù)估計就越準(zhǔn)確。根據(jù)D值最優(yōu)設(shè)計理論對礦內(nèi)和礦間微震臺網(wǎng)布設(shè)結(jié)果進行礦內(nèi)-礦間微震監(jiān)測系統(tǒng)定位誤差數(shù)值模擬，結(jié)果如圖3所示。

圖3 震中定位誤差理論計算結(jié)果

由定位誤差數(shù)值模擬計算結(jié)果可以看出，常村煤礦和躍進煤礦的礦內(nèi)微震在本工作面的定位精度較高，其他區(qū)域定位精度明顯降低。但是礦間微震在兩個工作面及井田邊界區(qū)域定位精度平均提高2～5倍。

3.3 系統(tǒng)工作狀態(tài)標(biāo)定

在常村煤礦21162回采工作面及躍進煤礦23093回采工作面各進行兩次標(biāo)定爆破，爆破位置與礦內(nèi)微震定位結(jié)果見表1、表2。

表1 常村煤礦微震監(jiān)測系統(tǒng)標(biāo)定結(jié)果

表2 躍進煤礦微震監(jiān)測系統(tǒng)標(biāo)定結(jié)果

采用人工定位爆破檢驗微震監(jiān)測系統(tǒng)的震源定位精度，結(jié)果表明礦內(nèi)微震監(jiān)測系統(tǒng)的定位誤差小于15m，反映出礦內(nèi)微震監(jiān)測系統(tǒng)在礦井內(nèi)的性能良好、微震傳感器空間布置合理，能夠滿足礦山微震監(jiān)測的需要。

為驗證礦間微震的可靠性，根據(jù)工程條件，于2019年3月6日與2019年3月11日分別在原21220綜放工作面運輸巷進行兩次定位爆破。爆破方案如圖4所示，具體爆破位置坐標(biāo)見表3。

圖4 礦間微震人工爆破位置

表3 人工爆破點位置

表4 礦內(nèi)與礦間微震定位坐標(biāo)

由21220綜放工作面運輸巷道進行的兩次人工定位爆破結(jié)果中可以看出，躍進煤礦僅有兩個微震傳感器接收到該人工爆破的信號，但未能對人工爆破事件進行定位。常村煤礦礦內(nèi)微震監(jiān)測結(jié)果顯示兩次爆破的定位誤差均超過40m，誤差較大。在利用礦間微震進行定位后明顯看出，礦間微震對兩次人工定位爆破的定位精度明顯比常村礦內(nèi)微震的定位精度高，兩次定位誤差均小于20m。

上述人工爆破標(biāo)定表明，在不增加微震傳感器的情況下，利用礦間微震監(jiān)測系統(tǒng)可以定位到更多、更準(zhǔn)確的微震事件，提高了礦井的監(jiān)測精度和監(jiān)測范圍，尤其對于本礦的巷道分布無法實現(xiàn)覆蓋或監(jiān)測精度較低的井田邊界區(qū)域具有良好的效果。

4 高位覆巖破裂位置研究

義馬煤田巨厚礫巖頂板特厚煤層開采相互干擾條件下，利用礦間微震監(jiān)測范圍廣、監(jiān)測精度高等優(yōu)點，對井田邊界區(qū)域的巨厚礫巖上覆巖層進行有效監(jiān)測，通過對井田邊界上覆巖層破裂產(chǎn)生的微震事件進行分析，研究巨厚礫巖上覆巖層冒落發(fā)育高度及對工作面可能產(chǎn)生的影響。

4.1 井田邊界覆巖空間結(jié)構(gòu)

通過分析特厚煤層井田邊界煤柱區(qū)域覆巖空間結(jié)構(gòu)，研究井田邊界上覆巖層的空間破裂過程。特厚煤層井田邊界煤柱區(qū)域覆巖空間結(jié)構(gòu)如圖5所示。覆巖空間結(jié)構(gòu)存在高位巖層結(jié)構(gòu)和低位巖層結(jié)構(gòu)，低位巖層隨著回采的進行而垮落，高位巖層結(jié)構(gòu)中存在尚未斷裂的堅硬巖層。當(dāng)新的工作面開始回采，高位堅硬巖層尚未斷裂的井田邊界區(qū)域受工作面回采擾動，高位覆巖出現(xiàn)離層和斷裂，巨厚礫巖的斷裂將釋放大量能量，能量的沖擊可能會對巷道及工作面安全產(chǎn)生影響[16]。

圖5 井田邊界煤柱高低覆巖空間結(jié)構(gòu)

4.2 微震空間分布規(guī)律

礦間微震事件的空間分布規(guī)律對研究躍進煤礦和常村煤礦井田邊界巨厚礫巖上覆巖層破裂集中區(qū)的發(fā)育高度有重要作用。以2018年12月1日～2018年12月31日的礦間微震數(shù)據(jù)為例，重點針對躍進煤礦23092回采工作面和常村煤礦21162回采工作面之間的采空區(qū)微震定位結(jié)果進行分析。躍進煤礦和常村煤礦礦間微震事件平面和剖面分布如圖6(a)～(b)所示，圖中圓球代表微震事件。從圖中可看出，12月份礦間微震在共接收到礦間微震事件36個，其中超過104J的大能量事件為13個，但礦內(nèi)微震接收到的該區(qū)域的微震事件分別為9個和7個，由于常村煤礦21220工作面開采時間為2015年12月～2018年4月，上覆巖層未完全穩(wěn)定，導(dǎo)致多數(shù)微震事件發(fā)生于常村煤礦21220采空區(qū)靠近井田煤柱的一側(cè)，最上方的微震事件約在煤層上方300m處，大能量事件主要集中在工作面上方140-300m之間。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件，大能量事件發(fā)生區(qū)域為巨厚礫巖層。

圖6 微震事件定位結(jié)果

為了有效的驗證礦間微震監(jiān)測空間分布規(guī)律的合理性，利用FLAC3D模擬軟件建立數(shù)值模型，模擬兩個目標(biāo)工作面開采對井田邊界上覆巖層的影響。

按照圣維南原理，一般研究區(qū)域選開挖尺寸的3～5倍較為合理，既能滿足求解精度要求，又可以滿足計算速度要求。因此，本數(shù)值計算模型尺寸為1000m×1000m×900m，單元格數(shù)量192500個，根據(jù)現(xiàn)場實際地質(zhì)條件共分為8個地層，其中煤層組又分為未開采部分、采空區(qū)和回采工作面三個部分。義馬煤田地層傾角一般為6°～25°，常村-躍進煤礦區(qū)域的煤層平均傾角12°，數(shù)值模型中煤層傾角設(shè)置為12°；煤層直接頂板一般為泥巖，厚度約為22m，之上為中侏羅統(tǒng)馬凹組，為砂礫巖-泥砂巖互層，平均厚度166m。再向上為發(fā)育到地表或接近地表的上侏羅統(tǒng)巨厚礫巖層。2-1煤層及2-3煤層厚度變化較大，2-1煤層厚度0～8.15m，平均4m左右，2-3煤層厚度0～21.86m，平均厚度約為8m，為了簡化模型，在模型中煤層厚度設(shè)置為12m。

首先開挖常村煤礦及躍進煤礦的采空區(qū)，利用有限差分法計算平衡后再開挖常村煤礦21162回采工作面和躍進煤礦23092回采工作面的已回采部分，得到工作面開挖前后的井田邊界的塑性區(qū)分布如圖7所示。

圖7 塑性區(qū)分布

由圖7可知，兩工作面開采之前上部塑性區(qū)高度約180m，兩工作面開采后上部塑性區(qū)高度約為270m，數(shù)值模擬得到的井田邊界上覆巖層塑性區(qū)分布與礦間微震監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)基本一致。由此可知，數(shù)值模擬結(jié)果與微震監(jiān)測結(jié)果基本吻合，證明了微震監(jiān)測結(jié)果的可靠性。

4.3 井田邊界微震事件分析

從礦間微震事件定位平面圖和剖面圖可以看出，微震事件主要集中在井田邊界上方，大能量事件主要分布在工作面上覆巖層較高位置，且大能量事件占總事件數(shù)的比例高達36%，從常村煤礦和躍進煤礦的礦內(nèi)微震數(shù)據(jù)可以看出，兩套礦內(nèi)微震系統(tǒng)監(jiān)測的井田邊界的微震事件均不超過10個。由此可知，礦間微震對井田邊界煤巖體破裂產(chǎn)生的震動接收能力強。

由2018年12月份的礦間微震數(shù)據(jù)可知，21220工作面靠近井田邊界的一側(cè)，其上覆巖層隨常村煤礦21162工作面和躍進煤礦23092工作面的開采而冒落高度逐漸增高，具體表現(xiàn)為上覆巨厚礫巖的離層和斷裂。巨厚礫巖的斷裂往往造成大的能量釋放，如果巷道或工作面處于沖擊的臨界狀態(tài)，則巨厚礫巖的斷裂可能導(dǎo)致沖擊地壓的發(fā)生，因此需要特別注意井田邊界大能量事件的發(fā)生。

5 結(jié) 論

1)礦間微震系統(tǒng)在井田邊界區(qū)域利用的微震檢波器數(shù)量更多，可定位到更多的微震事件。

2)礦井邊界區(qū)域位于礦間微震監(jiān)測系統(tǒng)臺網(wǎng)內(nèi)，監(jiān)測精度較礦內(nèi)微震監(jiān)測系統(tǒng)更高。

3)礦間微震監(jiān)測手段在常村-躍進煤礦井田邊界取得良好的監(jiān)測效果。

4)礦間微震對義煤集團井田邊界高位覆巖運動監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，微震事件主要集中在21220采空區(qū)后方的邊界煤柱附近，且在高位覆巖中出現(xiàn)較多的大能量事件。