兗州礦區(qū)多尺度礦震規(guī)律監(jiān)測(cè)研究

姚剛

【摘 要】為監(jiān)測(cè)不同尺度礦震，兗州礦區(qū)分別在井田尺度和礦井尺度建立了礦震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)和微震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)?；诰锍叨缺O(jiān)測(cè)結(jié)果，分析了兗州礦區(qū)礦震活動(dòng)規(guī)律，按礦震強(qiáng)度及分布范圍確定了危險(xiǎn)區(qū)域，得出礦震與構(gòu)造區(qū)應(yīng)力場(chǎng)的分布具有較強(qiáng)的相關(guān)性；研究了強(qiáng)礦震的前兆規(guī)律，得出強(qiáng)礦震發(fā)生前其頻次和能量等級(jí)會(huì)顯著提高。利用微震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析了東灘礦工作面開(kāi)采過(guò)程中礦震在時(shí)間及空間上的活動(dòng)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了工作面附近震源的分布規(guī)律，得出了礦震與開(kāi)采活動(dòng)的關(guān)系密切，同時(shí)確定了各監(jiān)測(cè)點(diǎn)合理的波速值。該研究對(duì)兗州礦區(qū)沖擊礦壓的監(jiān)測(cè)預(yù)警和防治具有重要意義。

【關(guān)鍵詞】礦震規(guī)律；沖擊礦壓；微震監(jiān)測(cè)；頻次；開(kāi)采活動(dòng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TD 324 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2017）26-0070-004

Research on multi-scale mine earthquake monitoring in Yanzhoumining area

YAO Gang

（Yanzhou Mining Group Dongtan Coal Mine， Jining， Shandong 273512，China）

【Abstract】In order to monitor mine shock in different scales， it has set up mine seismic monitoring network and microseismic monitoring network at mine field scale and mine scale respectively in Yanzhou mining area. Based on the mine field monitoring results， the regularity of mine activity in Yanzhou mining area was analyzed. According to the intensity and distribution range of mine shocks， the dangerous area was determined. It was found that the mine shock and the distribution of stress field in tectonic area was strongly correlated. The precursor regular shows that the frequency and energy level will increase significantly before strong coal shock appeared. Using the monitoring results of microseismic monitoring network， the temporal and spatial regularity of mine shock during the mining process of Dongtan coal face was analyzed. The distribution of the source near the working face was studied， discovered the relationship between mine shock and mining activity was closely related. Finally， the reasonable wave speed value of each monitoring point is determined. This study is of great significance to monitoring， early warning and prevention of rock burst in Yanzhoumining area.

【Key words】Mine shock；Rockburst；Microseismic monitoring；Frequency；Mining activity

0 引言

煤炭作為我國(guó)的主體能源，隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，煤炭產(chǎn)量逐年上升，開(kāi)采強(qiáng)度逐年加大，目前煤礦以每年近20m的速度向深部延伸[1-3]。隨著煤礦開(kāi)采深度的增加，沖擊礦壓、礦震、突水、頂板大面積垮落等采動(dòng)誘發(fā)的動(dòng)力災(zāi)害事故越來(lái)越嚴(yán)重，越來(lái)越頻繁，嚴(yán)重威脅著礦山的安全生產(chǎn)[4-8]。

礦震是礦區(qū)內(nèi)在區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)和采礦活動(dòng)作用下，使得采區(qū)及周?chē)鷳?yīng)力處于失調(diào)不穩(wěn)的異常狀態(tài)，在局部地區(qū)積累了一定的能量后以沖擊或重力等作用方式釋放出來(lái)而產(chǎn)生的巖層震動(dòng)[9-11]。在礦震強(qiáng)烈的情況下，在地面能感覺(jué)到巖體的震動(dòng)，甚至使地面的建筑物遭到破壞。按礦震成因分，礦震分為煤柱沖擊型礦震、頂板型礦震、構(gòu)造型礦震等[12-17]。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，這幾種礦震往往伴隨發(fā)生，如當(dāng)出現(xiàn)大面積懸頂并久懸不落時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)頂板冒落和開(kāi)裂，產(chǎn)生頂板型礦震；如果附近存在煤柱或斷層，則很可能發(fā)生煤柱沖擊和斷層活動(dòng)的構(gòu)造型礦震。當(dāng)?shù)V山震動(dòng)較強(qiáng)烈時(shí)，地面震感明顯，甚至破壞地面建筑物。在一定條件下，礦山震動(dòng)將誘發(fā)沖擊礦壓，造成巷道、工作面的突然損壞和破壞，人員的傷亡[18-21]。

兗州礦區(qū)作為我國(guó)主要的煤炭生產(chǎn)基地，經(jīng)過(guò)30余年的快速發(fā)展，目前各礦井相繼進(jìn)入深部開(kāi)采階段，生產(chǎn)和地質(zhì)條件不斷惡化，礦震現(xiàn)象頻發(fā)，礦震引起的沖擊礦壓災(zāi)害在東灘、鮑店、南屯、濟(jì)三等煤礦陸續(xù)顯現(xiàn)，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)構(gòu)成重大威脅。同時(shí)，集團(tuán)所屬濟(jì)二、濟(jì)三煤礦等礦井也相繼發(fā)生多次沖擊礦壓事故。為確保礦工的生命安全和礦井的高效安全開(kāi)采，以?xún)贾莸V區(qū)及東灘礦為研究背景，基于礦區(qū)尺度和礦井工作面尺度礦震聯(lián)合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，研究了不同尺度下的礦震活動(dòng)規(guī)律，為指導(dǎo)兗州礦區(qū)防治沖擊礦震災(zāi)害奠定了基礎(chǔ)。endprint

1 兗州礦區(qū)微震聯(lián)合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

煤巖破裂震動(dòng)存在明顯的尺度效應(yīng)，其破裂運(yùn)動(dòng)的尺度越大，震源破裂運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的彈性波傳播范圍越大，彈性波頻率越低，釋放的彈性能越高。因此，采礦活動(dòng)引發(fā)的動(dòng)力現(xiàn)象按照礦井煤巖體破裂運(yùn)動(dòng)的尺度大小分為三個(gè)尺度：礦區(qū)尺度、礦井工作面尺度和采掘面局部百米內(nèi)的尺度。無(wú)論是微破裂，還是較大能量級(jí)別的震動(dòng)，主要是從煤巖體的破裂尺度考慮，而其本質(zhì)是基本相同的，都是煤巖體破裂產(chǎn)生的彈性波及其傳播的表現(xiàn)。但是礦井工作面尺度的礦震和礦區(qū)尺度的礦震威脅更大，這些礦震可能會(huì)引起沖擊礦壓等動(dòng)力災(zāi)害。為了更好的監(jiān)測(cè)不同尺度的震動(dòng)，兗州礦區(qū)在井田范圍建立了覆蓋整個(gè)井田的大尺度礦震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)，同時(shí)在沖擊礦壓與強(qiáng)礦震災(zāi)害嚴(yán)重的東灘、鮑店、濟(jì)三等煤礦建立了礦井尺度的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，兩套系統(tǒng)相互配合、補(bǔ)充，從而建立了完備的礦井煤巖震動(dòng)礦（微）震聯(lián)合監(jiān)測(cè)體系。

1.1 礦區(qū)概況

兗州煤田位于山東省西部的兗州、曲阜、鄒城等三市境內(nèi)，東至嶧山斷層，西、南、北三面均以第18上層煤露頭為界。南北長(zhǎng)30.0km，東西寬15.6km，面積475.6km2。兗礦集團(tuán)公司所屬各井田面積合計(jì)260.5km2，包括東灘煤礦、興隆莊煤礦、鮑店煤礦、南屯煤礦、北宿煤礦、楊村煤礦、唐村煤礦等。京滬鐵路自?xún)贾菝禾飽|部通過(guò)，交通十分便利，地面標(biāo)高+33.0～+60.0m，東北高、西南低。

兗州礦區(qū)內(nèi)構(gòu)造發(fā)育，這些大構(gòu)造也同樣是礦井邊界的劃分依據(jù)。

1.2 兗州礦區(qū)地震臺(tái)網(wǎng)建設(shè)

基于煤巖破類(lèi)震動(dòng)的尺度效應(yīng)，為有效監(jiān)測(cè)整個(gè)兗州礦區(qū)范圍內(nèi)礦震的分布規(guī)律，兗州礦區(qū)建立了由8個(gè)深井觀測(cè)遙測(cè)子臺(tái)，一個(gè)臺(tái)網(wǎng)接收中心組成的數(shù)字礦震遙測(cè)臺(tái)網(wǎng)。觀測(cè)方式均采用深井觀測(cè)，觀測(cè)頻帶為0.5Hz～40Hz。為避免和減輕由地面及周?chē)h(huán)境對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)帶來(lái)的干擾，采用了深井觀測(cè)技術(shù)提高觀測(cè)動(dòng)態(tài)范圍。數(shù)據(jù)傳輸方式采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線超短波信道實(shí)時(shí)傳輸方式。項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中可根據(jù)礦震監(jiān)測(cè)需要，隨時(shí)追加地面流動(dòng)臺(tái)的觀測(cè)，增加重點(diǎn)地區(qū)的礦震監(jiān)測(cè)能力，臺(tái)網(wǎng)中心設(shè)在鮑店煤礦。經(jīng)過(guò)標(biāo)定和測(cè)試，8個(gè)臺(tái)站的井下靜態(tài)地脈動(dòng)噪聲水平符合中國(guó)數(shù)字地震觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)規(guī)程要求。臺(tái)站中心主要設(shè)備技術(shù)連接與配置如圖1所示。

1.3 礦井微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)

井田尺度礦震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)的建立，對(duì)于指導(dǎo)兗州礦區(qū)礦震防治工作起到重要作用，在宏觀上確定了危險(xiǎn)集中礦井，從而能夠針對(duì)性進(jìn)行治理。但是，對(duì)于礦井范圍內(nèi)，尤其是采區(qū)、工作面區(qū)域的煤巖破裂與震動(dòng)，大尺度臺(tái)網(wǎng)的精確度就不能滿足生產(chǎn)要求，在礦區(qū)臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)震動(dòng)集中的礦井內(nèi)，建立礦井尺度的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能很好的彌補(bǔ)大尺度臺(tái)網(wǎng)的精度，并且大、小臺(tái)網(wǎng)互相補(bǔ)充，對(duì)于研究礦震的演化發(fā)展規(guī)律尤為重要。

礦井微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用波蘭礦山研究總院研制的SOS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對(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（最大10km）、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100J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。SOS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的硬件是由安裝在地面主站內(nèi)的信號(hào)采集站、記錄儀系統(tǒng)、分析儀系統(tǒng)、本安裝置、供電電源、信號(hào)傳輸線、以及井下檢波測(cè)量探頭等組成。

兗州煤業(yè)集團(tuán)在礦震頻發(fā)的東灘煤礦、鮑店煤礦、濟(jì)寧三號(hào)煤礦、趙樓煤礦和南屯煤礦建立礦井微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。圖2為東灘煤礦微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各測(cè)站布置示意圖，共計(jì)在井下布置了16個(gè)探頭，在地面布置了1個(gè)探頭。（其中16#為地面臺(tái)站）。

2 兗州礦區(qū)井田內(nèi)礦震分布特征

圖3為2009年兗州礦區(qū)全年所有可定位礦震事件，結(jié)合兗州礦區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)分布特征與礦區(qū)范圍內(nèi)礦震定位規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，礦震震源與主要構(gòu)造帶、應(yīng)力場(chǎng)分布具有較強(qiáng)的相關(guān)性。

通過(guò)對(duì)礦區(qū)微震事件進(jìn)行分析，對(duì)大區(qū)域進(jìn)行危險(xiǎn)性劃定，兗州礦區(qū)礦震頻繁區(qū)域：鮑店煤礦、東灘煤礦以及南屯煤礦為礦震最嚴(yán)重區(qū)域，礦震頻率高，震級(jí)也較大，應(yīng)該加強(qiáng)監(jiān)測(cè)預(yù)警及采取合理的卸壓措施。

礦區(qū)礦震臺(tái)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)表明，礦震活動(dòng)與潛伏構(gòu)造密切相關(guān)。每次開(kāi)采越過(guò)斷層前后，幾乎都不同程度地發(fā)生較強(qiáng)的礦震，在越過(guò)斷層之后，礦震頻次逐漸衰減。同時(shí)，若這些斷層構(gòu)造處于應(yīng)力集中程度較高的區(qū)域，如向斜軸部、翼部時(shí)，則誘發(fā)的礦震更加強(qiáng)烈。

東灘煤礦自微震系統(tǒng)運(yùn)行以來(lái)，即2010年5月30日至2011年8月28日之間的微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。在全礦監(jiān)測(cè)區(qū)域共監(jiān)測(cè)到有效礦震14853個(gè)，其中最大能量為5.45E+06J，最小能量為6.55E-01J，平均能量為3.09E+03J，震動(dòng)能量分級(jí)統(tǒng)計(jì)如圖4所示，可見(jiàn)，震動(dòng)能量主要集中在102～103J之間，占總礦震的52.47%，說(shuō)明全礦微震強(qiáng)度比較小，以小能量釋放的微震事件為主。

3 東灘礦采掘工作面礦震活動(dòng)規(guī)律

基于礦井SOS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)震源的空間分布和演化特征，可進(jìn)一步研究震動(dòng)發(fā)生的層位和破斷形態(tài)，為研究采礦活動(dòng)引起的覆巖活動(dòng)規(guī)律打下基礎(chǔ)。東灘礦1305工作面回采以來(lái)工作面全部平面投影及每月震源平面分布情況如圖5所示，綜合分析可以發(fā)現(xiàn)：

（1）從震源平面的月分布和演化趨勢(shì)可見(jiàn)，震源集中區(qū)域隨著工作面的推進(jìn)，逐步往前移動(dòng)；工作面超前應(yīng)力集中區(qū)在開(kāi)采初期震源較少，隨著開(kāi)采范圍的擴(kuò)大，前方也出現(xiàn)較多震動(dòng)，并出現(xiàn)幾次能量較高的強(qiáng)礦震事件，表明煤巖層在超前支承壓力作用下已經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn)大范圍斷裂或破壞。

（2）在平面分布上，礦震主要發(fā)生在工作面、采空區(qū)，同時(shí)影響至工作面前方及工作面傾斜方向上下，充分體現(xiàn)了工作面超前支承壓力和殘余支承壓力的影響，同時(shí)也表明了在應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)煤巖體發(fā)生破裂并釋放能量，與礦震震源的分布位置形成了很好的對(duì)應(yīng)?？衫梦⒄鸨O(jiān)測(cè)系統(tǒng)輔助鉆孔應(yīng)力計(jì)判斷超前應(yīng)力集中區(qū)域和破裂范圍。

（3）在每小時(shí)礦震累積頻次幾乎相同的情況下，每小時(shí)礦震累積能量在時(shí)間上分布有明顯的集中顯現(xiàn)，說(shuō)明礦震與開(kāi)采活動(dòng)的直接相關(guān)性很強(qiáng)。從礦震累積能量分布來(lái)看，能量釋放主要集中在1：00、5：00、9：00、10：00、21：00，說(shuō)明這段時(shí)間內(nèi)礦震活動(dòng)強(qiáng)烈。endprint

（4）實(shí)踐表明井下范圍內(nèi)1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#、11#測(cè)點(diǎn)的波速為4500m/s，地面16#測(cè)點(diǎn)的波速為3600m/s時(shí)較為合理。

4 結(jié)論

利用系統(tǒng)記錄的大量震動(dòng)事件，系統(tǒng)分析了兗州礦區(qū)礦震活動(dòng)規(guī)律，得到的主要結(jié)論如下：

（1）結(jié)合兗州礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造區(qū)劃分、應(yīng)力場(chǎng)分布特征與礦區(qū)范圍內(nèi)礦震定位規(guī)律可以看出，礦震震源與主要構(gòu)造帶、應(yīng)力場(chǎng)分布具有較強(qiáng)的相關(guān)性。

（2）根據(jù)礦區(qū)礦震臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)，得出東灘礦及附近2.0級(jí)以上礦震前兆規(guī)律為：在較強(qiáng)的礦震發(fā)生前，相對(duì)較大礦震頻次明顯增加，平均能量等級(jí)也顯著提高；當(dāng)一定量級(jí)的礦震發(fā)生的頻次達(dá)到一定數(shù)量后，預(yù)示較強(qiáng)礦震發(fā)生的危險(xiǎn)明顯增高。

（a）1305工作面回采期間全部礦震震源平面圖（2010-11-1-2011-8-28）

（b）1305工作面回采期間礦震震源月平面圖（2010-11-1-2010-12-1）

（3）礦震活動(dòng)與潛伏構(gòu)造密切相關(guān)。每次開(kāi)采越過(guò)斷層前后，幾乎都不同程度地發(fā)生較強(qiáng)的礦震，在越過(guò)斷層之后，礦震頻次逐漸衰減。同時(shí)，若這些斷層構(gòu)造處于應(yīng)力集中程度較高的區(qū)域，如向斜軸部、翼部時(shí)，則誘發(fā)的礦震更加強(qiáng)烈。

（4）確定了礦震波速。井下范圍內(nèi)1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#、11#測(cè)點(diǎn)的波速為4500m/s，9#、10#、12#、13#、14#、15#測(cè)點(diǎn)的波速為4800m/s，地面16#測(cè)點(diǎn)的波速為3600m/s；可以計(jì)算能量≥100J的礦山震動(dòng)，可以比較準(zhǔn)確的對(duì)能量≥100J的礦震進(jìn)行三維定位。

（5）微震活動(dòng)集中在工作面生產(chǎn)的時(shí)間內(nèi)，且與工作面開(kāi)采活動(dòng)密切相關(guān)，日震動(dòng)頻次基本隨日推進(jìn)速度和開(kāi)采強(qiáng)度的變化而變化，月進(jìn)尺較大月份其震動(dòng)頻次明顯增多；且強(qiáng)礦震事件發(fā)生前，日震動(dòng)頻次往往都有一個(gè)先增后降的發(fā)展趨勢(shì)。從震源空間分布和演化趨勢(shì)來(lái)看，震源集中區(qū)域隨著工作面的推進(jìn)，逐步往前移動(dòng)。

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