林 升，余國鋒,2

(1.安徽理工大學(xué)， 安徽 淮南 232001；2.煤炭開采國家工程技術(shù)研究院 深部煤炭開采與環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 安徽 淮南 232000)

我國煤炭資源賦存條件復(fù)雜，消耗量大。隨著淺層煤炭資源的減少，煤礦開采深度增加、強(qiáng)度提高，煤炭開采的環(huán)境也變得更加復(fù)雜，礦山開采過程中沖擊地壓、煤與瓦斯突出、突水等動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生次數(shù)增多，這些災(zāi)害都是因?yàn)椴蓤鰬?yīng)力擾動(dòng)或地質(zhì)構(gòu)造引起的空間微破裂萌生、發(fā)展、貫通等煤巖體破裂過程失穩(wěn)的結(jié)果[1].微震監(jiān)測系統(tǒng)通過對(duì)煤巖體破裂過程中釋放的微地震信號(hào)、位置和能量等信息進(jìn)行采集及處理分析，研究煤礦巖體內(nèi)部的應(yīng)力分布特征、煤巖層破裂演化規(guī)律等[2]，對(duì)煤礦內(nèi)出現(xiàn)的動(dòng)力災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)防,為安全開采提供保障。

1 微震監(jiān)測技術(shù)

1.1 微震監(jiān)測技術(shù)原理

煤巖體受到采掘或溫度等擾動(dòng)影響會(huì)產(chǎn)生變形，其內(nèi)部積聚的彈性應(yīng)變能以地震波的形式迅速釋放的現(xiàn)象稱為微地震(MS).高靈敏檢波器可以自動(dòng)采集煤巖體破裂過程的微震信號(hào)及其他信息，通過軟件記錄、處理和分析微震信息，以推斷和分析微震事件發(fā)生的時(shí)間、位置、能量等震源特征的技術(shù)稱為微震監(jiān)測技術(shù)。還可通過軟件對(duì)監(jiān)測的信息以三維立體形式呈現(xiàn)，結(jié)合地震學(xué)原理對(duì)煤巖體應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行分析，深入了解煤巖層的破壞程度及其他性質(zhì)，對(duì)監(jiān)測對(duì)象的破壞和安全狀況做出評(píng)價(jià)。微震監(jiān)測系統(tǒng)原理見圖1.

圖1 微震監(jiān)測原理示意圖

1.2 微震監(jiān)測技術(shù)特點(diǎn)

微震監(jiān)測系統(tǒng)(圖2)通過單軸或三軸傳感器，以排列的方式安裝固定在煤礦監(jiān)測區(qū)域中，可以將煤巖體內(nèi)部產(chǎn)生的微震信號(hào)實(shí)時(shí)傳遞到井下數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中心，最終到達(dá)地面監(jiān)測站終端監(jiān)控計(jì)算機(jī)，通過對(duì)微震數(shù)據(jù)進(jìn)行空間定位分析的軟件進(jìn)行處理和分析，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)的三維立體呈現(xiàn)和高精度定位。隨著數(shù)字技術(shù)和光纖通訊技術(shù)的發(fā)展，微震監(jiān)測技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)程傳送和監(jiān)測，利用局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)多用戶可視化監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，為實(shí)時(shí)監(jiān)測分析提供便捷。

圖2 微震監(jiān)測系統(tǒng)圖

2 國內(nèi)外微震監(jiān)測應(yīng)用研究

20世紀(jì)中期，美國礦務(wù)局就提出了利用微地震法來探測礦井沖擊地壓的概念，利用標(biāo)準(zhǔn)微震技術(shù)研究地層結(jié)構(gòu)的破壞。在20世紀(jì)60年代，波蘭利用微震監(jiān)測技術(shù)對(duì)巖爆進(jìn)行研究，自主研發(fā)的SOS微震監(jiān)測系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于煤礦領(lǐng)域；加拿大、南非等國利用微震監(jiān)測技術(shù)監(jiān)測各類礦山的沖擊地壓破壞，研發(fā)出相應(yīng)的微震監(jiān)測系統(tǒng)。隨著數(shù)字化技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，全數(shù)字型微震監(jiān)測技術(shù)和設(shè)備逐漸代替了模擬信號(hào)型微震監(jiān)測設(shè)備，在煤礦安全高效生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。南非、波蘭等國形成了國家型礦山微震監(jiān)測臺(tái)網(wǎng)，對(duì)礦井發(fā)生沖擊地壓的震源位置、時(shí)間、能量等重要信息進(jìn)行了完整、詳細(xì)、長期的紀(jì)錄，對(duì)沖擊地壓的監(jiān)測和預(yù)防起到了關(guān)鍵作用[3].國內(nèi)最早的微震監(jiān)測系統(tǒng)是由竇林名引進(jìn)的SOS微震監(jiān)測系統(tǒng)，1985年在門頭溝煤礦利用該系統(tǒng)首次對(duì)煤礦內(nèi)沖擊地壓進(jìn)行監(jiān)測；2000年左右張興民等將微震監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用于礦井水害防治中[3].微震監(jiān)測系統(tǒng)的成功應(yīng)用使微震監(jiān)測技術(shù)在我國飛快發(fā)展，微震監(jiān)測設(shè)備的精度和穩(wěn)定性得到提高。姜帥帥等[4]設(shè)計(jì)出三角剪切式結(jié)構(gòu)的微震監(jiān)測壓電加速度傳感器，提高了微震傳感器的靈敏度和精確度；李世麗[5]研究的干涉型光纖微震傳感器解決了傳統(tǒng)電學(xué)傳感器不能同時(shí)滿足從低振高頻到高振低頻的煤巖破壞震動(dòng)寬頻段信息的監(jiān)測，成功研發(fā)出煤與瓦斯突出高靈敏寬頻帶全光纖微震監(jiān)測儀，提升了設(shè)備井下抗干擾傳輸能力。

在當(dāng)今煤礦智能化建設(shè)大背景下，發(fā)展煤礦災(zāi)害智能預(yù)警技術(shù)及裝備是保障煤礦高效生產(chǎn)和高質(zhì)量發(fā)展的有效途徑[6].依托微震監(jiān)測系統(tǒng)建立微震監(jiān)測臺(tái)網(wǎng)，對(duì)煤礦區(qū)域?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測，結(jié)合現(xiàn)代計(jì)算機(jī)信息技術(shù)，建立三維立體顯示模型，使煤礦內(nèi)各階段施工處于實(shí)時(shí)監(jiān)測狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)煤礦災(zāi)害信息動(dòng)態(tài)預(yù)警、透明共享化，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦內(nèi)各類工況的監(jiān)控調(diào)配。

3 微震監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用

3.1 監(jiān)測預(yù)測沖擊地壓

沖擊地壓是指煤礦及周邊受到煤巖體變形應(yīng)力突然釋放的動(dòng)力現(xiàn)象，具有突發(fā)性、復(fù)雜性、急劇性等特點(diǎn)。沖擊地壓伴隨著煤巖體的微破裂和地震波的釋放，利用微震監(jiān)測技術(shù)對(duì)煤巖體破裂后地震波特征進(jìn)行監(jiān)測，分析煤巖體破壞的位置、程度，以實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域的煤巖層活動(dòng)進(jìn)行有效監(jiān)控、分析和防治工作。沖擊地壓預(yù)測的依據(jù)是能準(zhǔn)確監(jiān)測到微震事件的前兆信息，通過對(duì)不同微震事件前兆信號(hào)的處理分析，可以得到不同類型下沖擊地壓的微震事件前兆信號(hào)發(fā)生的規(guī)律[7].多年礦區(qū)實(shí)踐證明微震監(jiān)測對(duì)于沖擊地壓的監(jiān)測預(yù)防是行之有效的。通過在淮南朱集礦建立微震監(jiān)測系統(tǒng)測得的微震信息曲線(圖3)可以看出，在微震事件頻發(fā)區(qū)加強(qiáng)頂板支護(hù)，可以有效減少微震事件發(fā)生，防止壓力激增而引起的礦山災(zāi)害。利用微震監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)沖擊地壓破壞進(jìn)行監(jiān)測，可以有效彌補(bǔ)常規(guī)監(jiān)測手段的不足，但由于煤礦沖擊地壓類型、地質(zhì)條件及發(fā)生機(jī)理復(fù)雜，難以得到不同礦區(qū)統(tǒng)一的沖擊地壓發(fā)生機(jī)理，還需加強(qiáng)對(duì)沖擊地壓微震監(jiān)測前兆信息的處理分析能力，以實(shí)現(xiàn)對(duì)沖擊地壓破壞的監(jiān)測預(yù)報(bào)。

圖3 對(duì)沖擊地壓的監(jiān)測圖

3.2 監(jiān)測預(yù)警煤與瓦斯突出

煤與瓦斯突出是一種典型的瓦斯特殊涌出、極具破壞力、突出機(jī)理復(fù)雜的災(zāi)害。在深部高應(yīng)力的作用下，礦井內(nèi)地質(zhì)條件更加復(fù)雜，煤巖體內(nèi)部聚集的高壓瓦斯氣體受到采掘等擾動(dòng)的影響急劇釋放，在高壓瓦斯和高地應(yīng)力共同影響下導(dǎo)致周圍煤巖體瞬間破壞，噴出大量瓦斯與煤渣，形成一定的動(dòng)力效應(yīng)。煤與瓦斯突出前伴隨著煤巖體的逐漸破壞會(huì)產(chǎn)生一定的微地震信號(hào)，因此可以運(yùn)用微震監(jiān)測技術(shù)來監(jiān)測煤巖體發(fā)生破壞時(shí)的微地震事件，對(duì)微震事件信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測收集，通過分析微震信號(hào)可知煤巖體的應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)煤巖體缺陷部位進(jìn)行定位，提前預(yù)測煤與瓦斯突出事件。如淮南新莊孜煤礦利用微震監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測煤與瓦斯突出事件(圖4)，有效分析出微震事件發(fā)生的時(shí)空強(qiáng)分布規(guī)律，測出地質(zhì)異常區(qū)(圖5)，防止了煤與瓦斯突出事故的發(fā)生。煤與瓦斯突出發(fā)生機(jī)理復(fù)雜，且煤礦區(qū)域瓦斯賦存條件和采掘擾動(dòng)強(qiáng)度差異較大，利用微震監(jiān)測技術(shù)連續(xù)對(duì)煤巖體瓦斯突出的過程和災(zāi)害突出前兆進(jìn)行監(jiān)測，難以總結(jié)適合所有煤礦煤與瓦斯突出的發(fā)生規(guī)律，應(yīng)結(jié)合傳統(tǒng)的接觸式的應(yīng)力、變形、瓦斯?jié)舛?、溫度等傳感器，采用信息融合等?shù)學(xué)方法，形成煤與瓦斯多種監(jiān)測方法協(xié)同預(yù)警體系。結(jié)合各礦區(qū)不同地質(zhì)條件，采取針對(duì)性的預(yù)測和治理技術(shù)，為煤礦安全管理工作提供了安全保障[8-9].

圖4 32110掘進(jìn)頭微震監(jiān)測系統(tǒng)布置圖

3.3 在煤礦水害防治中的應(yīng)用

在礦山建設(shè)和生產(chǎn)過程中，當(dāng)巷道穿過導(dǎo)水?dāng)嗔?、富水溶洞時(shí)，地下水瞬間涌入礦山井巷，當(dāng)?shù)V井涌水超過正常排水能力時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致礦山水災(zāi)。微震監(jiān)測技術(shù)監(jiān)測礦山水害是通過采集煤巖體采動(dòng)壓力和水壓力在擾動(dòng)應(yīng)力場誘發(fā)的微破裂產(chǎn)生的微震信號(hào)，經(jīng)過對(duì)收集的微震信息處理、分析煤礦危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)的微震事件積聚、變化規(guī)律，推測工作面在受到采動(dòng)或掘進(jìn)影響下的水文地質(zhì)變化過程及底板破裂深度，得到微震變化發(fā)展趨勢及其密集發(fā)生帶位置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦內(nèi)突水災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)報(bào)[10].現(xiàn)場實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)室研究表明，利用微震監(jiān)測技術(shù)合理布置光纖微震傳感器，能夠監(jiān)測煤巖層導(dǎo)水裂隙帶的形成和破裂動(dòng)態(tài)信息，分析出導(dǎo)水裂隙段的高度和位置，有效對(duì)導(dǎo)水通道在擾動(dòng)影響下的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)時(shí)監(jiān)測煤層頂板通道導(dǎo)水覆巖通道和突水裂隙通道變化過程，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦區(qū)域內(nèi)突水通道的防治。在董家河煤礦22517工作面布設(shè)微震監(jiān)測傳感器(圖6)建立連續(xù)監(jiān)測的微震監(jiān)測系統(tǒng)，微震監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)回采過程突水位置監(jiān)測的結(jié)果與主要地質(zhì)構(gòu)造賦存一致(圖7，8)[11].

圖5 62110面微震密度圖

圖6 22517工作面?zhèn)鞲衅鞑贾脠D

圖7 微震監(jiān)測導(dǎo)水裂隙帶圖

圖8 地質(zhì)構(gòu)造帶圖

根據(jù)微震監(jiān)測技術(shù)高效、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)全方位監(jiān)測等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合不同類型煤礦區(qū)特點(diǎn)建立合適的煤礦底板突水監(jiān)測預(yù)警分析系統(tǒng)，對(duì)煤礦安全管理工作，完善煤礦水災(zāi)防治技術(shù)體系具有積極意義。我國在礦井水害中利用微震監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測相較國外應(yīng)用較晚，還有許多不足亟需解決，如針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下的底板裂隙深度及巖層厚度的監(jiān)測仍不夠精確，不能準(zhǔn)確分析井下導(dǎo)水裂隙帶的形成過程，對(duì)頂板突水監(jiān)測應(yīng)用較少；目前微震監(jiān)測系統(tǒng)僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)導(dǎo)水通道的監(jiān)測，還不能滿足靜態(tài)監(jiān)測的需求，應(yīng)尋求多方式監(jiān)測信息相融合，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)相結(jié)合監(jiān)測，提高微震監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測精度。

3.4 在巷道掘進(jìn)安全管理中的應(yīng)用

深部煤礦巷道在掘進(jìn)過程中，煤巖體不僅受到高地應(yīng)力的影響，還存在著上部及周邊巷道和采場的影響，在巷道掘進(jìn)影響范圍內(nèi)，原巖受到應(yīng)力變形和破壞會(huì)產(chǎn)生微裂紋，微裂紋逐漸演變成裂隙，并沿著裂隙尖端發(fā)展，破壞了煤巖體完整性，易誘發(fā)巷道冒頂、片幫等災(zāi)害，嚴(yán)重的還會(huì)導(dǎo)致巖爆。利用微震監(jiān)測技術(shù)對(duì)煤礦巷道掘進(jìn)施工進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，得到巷道掘進(jìn)期間的巷道收斂變化規(guī)律和微震活動(dòng)特征、掘進(jìn)巷道影響范圍內(nèi)圍巖破壞程度，分析掘進(jìn)頭附近的微震事件變化規(guī)律，掌握圍巖破壞演化規(guī)律并進(jìn)行預(yù)警，為巷道支護(hù)提供可靠數(shù)據(jù)支撐[12-15].微震監(jiān)測結(jié)合常規(guī)監(jiān)測技術(shù)和現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)，有效彌補(bǔ)了常規(guī)分析圍巖破壞程度的局限性，為巷道的安全高效掘進(jìn)提供了技術(shù)支撐。煤礦巷道掘進(jìn)微震監(jiān)測雖然可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)三維監(jiān)測，具有高效靈敏等優(yōu)點(diǎn)，但在施工過程中，各類施工機(jī)械和人員交錯(cuò)，很難分析出有效微震信息，因此需要更高精度的設(shè)備以及信號(hào)拾取算法以提高有效微震事件的采集。

3.5 在應(yīng)急救援中的應(yīng)用

微震監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)震源定位更加精確，不僅對(duì)煤礦各類地質(zhì)動(dòng)力災(zāi)害進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和預(yù)測預(yù)報(bào)，也為礦井救災(zāi)搶險(xiǎn)和安全管理提供了新的途徑。利用微震監(jiān)測技術(shù)在井下進(jìn)行人員定位是完全可行的。劉超等[16]進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)研究，測試方案見圖9，模擬被困人員敲擊不同材料，得到微震監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)接受聲音信號(hào)的清晰程度為錨桿>圍巖>管道>喊話的結(jié)果(圖10)，并確定這4類不同敲擊信號(hào)的接收最佳距離。采用微震監(jiān)測震源定位技術(shù)對(duì)被困人員敲擊金屬管或巷道的微地震信號(hào)進(jìn)行收集和分析，對(duì)地下被困人員進(jìn)行定位，避免救助人員盲目救助，縮短了救助所需時(shí)間，提高井下工人的生存機(jī)會(huì)。因此，在國內(nèi)大型煤礦區(qū)建立微震監(jiān)測系統(tǒng)，可以有效提高礦山災(zāi)后應(yīng)急救援水平。但是煤礦災(zāi)害發(fā)生后，微震監(jiān)測系統(tǒng)極可能遭到破壞，線路受損，很難保障設(shè)備的正常運(yùn)行及信息傳輸能力，因此，需要提高監(jiān)測設(shè)備的穩(wěn)定性及抗破損能力，以保障設(shè)備在災(zāi)害發(fā)生時(shí)的正常工作，提高災(zāi)后救援能力。

圖9 測試方案圖

圖10 測試結(jié)果圖

3.6 其他方面的應(yīng)用

微震監(jiān)測技術(shù)在煤礦安全管理中還有許多其他方面的作用，通過在礦區(qū)建立完善的微震監(jiān)測系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)深部煤礦采動(dòng)區(qū)微震事件的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)全方位監(jiān)測，并建立三維可視化模型。利用其對(duì)煤巖體的破裂源有較高定位精度的特點(diǎn)，監(jiān)測礦區(qū)上覆巖層的穩(wěn)定性，對(duì)于采用爆破開挖礦區(qū)，可以進(jìn)行爆破及余震監(jiān)測，對(duì)煤巖體崩落范圍進(jìn)行預(yù)測，對(duì)采空區(qū)煤柱進(jìn)行監(jiān)測。微震監(jiān)測技術(shù)還可監(jiān)測礦山內(nèi)的安全管理工作，如煤礦內(nèi)瓦斯抽采、巷道鑿巖、采煤面割煤是否按生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行等。同時(shí)還可以利用微震監(jiān)測技術(shù)對(duì)民營礦區(qū)的越層越界盜采活動(dòng)進(jìn)行監(jiān)控，保護(hù)國有資產(chǎn)的流失。

4 結(jié) 語

微震監(jiān)測技術(shù)是一種集三維可視化、高靈敏性、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、多元信息分析等優(yōu)點(diǎn)于一身的新型煤礦信息化監(jiān)測技術(shù)，可以有效監(jiān)測和采集煤礦內(nèi)各類動(dòng)力災(zāi)害的前兆信息，對(duì)各類災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測預(yù)測，為煤礦內(nèi)設(shè)備及工作人員安全提供保障，還可為煤礦災(zāi)害后救援提供關(guān)鍵信息。利用微震監(jiān)測技術(shù)，結(jié)合常規(guī)監(jiān)測手段協(xié)同作用，建立適合不同類型礦區(qū)地質(zhì)特征的微震監(jiān)測系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)礦區(qū)的全天侯、自動(dòng)化監(jiān)測，是未來煤礦實(shí)現(xiàn)信息化施工及安全管理的基礎(chǔ)，對(duì)促進(jìn)煤礦高效生產(chǎn)，提高礦井的社會(huì)效益具有積極作用。目前微震監(jiān)測技術(shù)在我國煤礦應(yīng)用領(lǐng)域仍處于起步階段，應(yīng)加強(qiáng)以下研究：

1) 微震監(jiān)測設(shè)備主要來源于國外，應(yīng)當(dāng)推進(jìn)對(duì)國產(chǎn)設(shè)備的研發(fā)，以降低煤炭行業(yè)微震監(jiān)測系統(tǒng)建立的成本。加強(qiáng)對(duì)微震監(jiān)測事件信號(hào)的拾取能力，提高微震信號(hào)內(nèi)有效信號(hào)的分辨識(shí)別能力；研發(fā)無線智能傳輸傳感器，實(shí)現(xiàn)井下遠(yuǎn)距離準(zhǔn)確傳輸；研發(fā)靈敏度、精度更高，傳輸效果更好的微震傳感器，提高設(shè)備抗干擾能力。

2) 以微震監(jiān)測系統(tǒng)為基礎(chǔ)，結(jié)合我國數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)等觀測系統(tǒng)，加強(qiáng)對(duì)煤礦區(qū)域內(nèi)微震監(jiān)測臺(tái)網(wǎng)的布置，建立適合不同煤礦區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)條件以及煤礦儲(chǔ)存構(gòu)造的微震監(jiān)測系統(tǒng)，提高對(duì)礦區(qū)微震信號(hào)的接收和傳遞能力。

3) 在煤礦智能化建設(shè)大背景下，利用微震監(jiān)測技術(shù)對(duì)煤礦區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測，建立全礦區(qū)域的智能災(zāi)害預(yù)警模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦區(qū)的全面、及時(shí)、準(zhǔn)確監(jiān)測，有效保證煤礦安全高效生產(chǎn)，是未來煤礦安全管理的重要發(fā)展趨勢。