基于微震監(jiān)測(cè)技術(shù)的煤炭開采臨斷層區(qū)沖擊礦壓預(yù)測(cè)研究

龍 御

(中國(guó)煤炭地質(zhì)總局地球物理勘探研究院，河北 涿州 072750)

0 引言

沖擊礦壓是煤礦礦井內(nèi)嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一。沖擊礦壓災(zāi)害通常是由于開采造成，具有突然、猛烈的特點(diǎn)，是一種煤巖體變形能大量釋放所造成的自然災(zāi)害，其直接表現(xiàn)形式是巖體震動(dòng)以及巨大聲響[1]，沖擊礦壓震動(dòng)時(shí)間可從幾秒持續(xù)至幾十秒。沖擊礦壓災(zāi)害可造成建筑物毀壞、人員傷害、井巷破壞等嚴(yán)重后果，并且可能造成煤塵爆炸以及瓦斯爆炸等衍生災(zāi)害。沖擊礦壓災(zāi)害形成原因過于復(fù)雜[2]，災(zāi)害的誘發(fā)受大量因素造成，災(zāi)害發(fā)生強(qiáng)度以及發(fā)生地點(diǎn)無法精準(zhǔn)預(yù)估，是巖石力學(xué)領(lǐng)域的重要難題。

沖擊礦壓災(zāi)害主要在堅(jiān)硬頂板工作面、煤柱高應(yīng)力區(qū)以及斷層帶附近誘發(fā)，臨斷層區(qū)是沖擊礦壓極為嚴(yán)重與復(fù)雜區(qū)域[3-5]，煤炭開采臨斷層區(qū)沖擊礦壓預(yù)測(cè)具有較高的必然性。我國(guó)煤炭需求不斷提升，煤礦開采深度逐年向下延伸，煤炭開采環(huán)境逐漸復(fù)雜，由于深部開采誘發(fā)的動(dòng)力所造成的突發(fā)性礦震更加明顯[6]，礦震嚴(yán)重時(shí)將造成沖擊礦壓，沖擊礦壓威脅礦山安全，沖擊礦壓災(zāi)害發(fā)生時(shí)將造成巨大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。

微震檢測(cè)技術(shù)是檢測(cè)煤礦動(dòng)力狀態(tài)的重要技術(shù)，近30年來，微震監(jiān)測(cè)技術(shù)在煤礦安全高效生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用微震監(jiān)測(cè)技術(shù)研究礦震活動(dòng)規(guī)律，沖擊地壓、煤與瓦斯突出、突水等煤巖動(dòng)力災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警，應(yīng)力監(jiān)測(cè)與巖層控制，煤巖體水力壓裂監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)等，取得了大量的研究成果。崔峰等[7]結(jié)合微震檢測(cè)儀器來研究沖擊傾向性頂板破斷及其能量釋放規(guī)律，賀虎等[8]提出了基于動(dòng)靜應(yīng)力分析的沖擊危險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，其在回采前定量評(píng)價(jià)復(fù)雜條件工作面沖擊危險(xiǎn)等級(jí)及劃分沖擊危險(xiǎn)區(qū)域。

以上方法具有較高的工程量，局限性強(qiáng)，科學(xué)合理的巖層監(jiān)測(cè)方法是目前急需解決的重要難題。研究基于微震監(jiān)測(cè)技術(shù)的煤炭開采臨斷層區(qū)沖擊礦壓預(yù)測(cè)，利用開采區(qū)域內(nèi)波速大小反演臨斷層區(qū)應(yīng)力分布。將微震監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用于沖擊礦壓突變模型中，建立沖擊危險(xiǎn)預(yù)警指標(biāo)，利用沖擊變形能指數(shù)獲取沖擊礦壓空間域變化情況，實(shí)現(xiàn)煤炭開采過程中沖擊危險(xiǎn)區(qū)域以及能量聚散程度的預(yù)測(cè)，以期為沖擊礦壓的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)提供技術(shù)依據(jù)。

1 微震監(jiān)測(cè)技術(shù)的煤炭開采臨斷層區(qū)沖擊礦壓預(yù)測(cè)

1.1 沖擊礦壓非均質(zhì)應(yīng)變損傷軟化本構(gòu)模型

煤炭礦區(qū)內(nèi)的煤巖材料內(nèi)部由于非均質(zhì)性，導(dǎo)致眾多缺陷存在隨機(jī)分布的差異力學(xué)性質(zhì)[9-10]。設(shè)煤巖材料的微元強(qiáng)度服從Weibull分布，煤巖材料概率密度函數(shù)見公式(1)：

(1)

式(1)中，ε*表示抗拉強(qiáng)度、應(yīng)變、彈性模量等參數(shù)的微元強(qiáng)度；m表示W(wǎng)eibull分布的形狀參數(shù)；F表示W(wǎng)eibull分布的尺度參數(shù)，為其中力學(xué)參數(shù)ε*的均值。

設(shè)固定荷載下總微元體數(shù)量N與已破壞微元體數(shù)量N*的比即為統(tǒng)計(jì)損傷參量D，當(dāng)受到損壞的微元數(shù)量在隨機(jī)強(qiáng)度區(qū)間 [N*(ε*)] 內(nèi)時(shí)用NP(ε*)dε*表示，可知已損壞的微元體在加載至ε*水平時(shí)，見公式(2)：

(2)

設(shè)D=N*/N，可得

(3)

式(3)即為損傷演化方程。當(dāng)D=0以及D=1時(shí)，分別表示煤巖材料為完整材料以及完全破壞材料。

樣本已損傷部分無承載能力[11]，未損傷部分的應(yīng)變?chǔ)乓约皯?yīng)力σ滿足虎克定律，可得公式(4)：

σ=Eε(1-D)

(4)

式(4)中，E表示未損傷煤巖材料的彈性模量。

煤巖的損傷變量用D表示，煤巖受壓公式(5)：

σ=Eε(1-RnD)

(5)

式(5)中，Rn表示損傷比例系數(shù)。

設(shè)置僅考慮內(nèi)摩擦角φ以及黏結(jié)力c軟化情況下的應(yīng)變損傷軟化本構(gòu)模型見公式(6)：

(6)

式(6)中，c0表示未破壞微元的初始黏結(jié)力；φ0表示未破壞微元的初始內(nèi)摩擦角，εP表示塑性應(yīng)變。

1.2 臨斷層區(qū)沖擊礦壓的突變模型

基于沖擊礦壓非均質(zhì)應(yīng)變損傷軟化本構(gòu)模型建立臨斷層區(qū)沖擊礦壓的突變模型。利用長(zhǎng)度與厚度分別為L(zhǎng)與D的半條帶設(shè)置為臨斷層區(qū)沖擊礦壓突變模型，可得該研究區(qū)域的臨斷層區(qū)以及圍巖之間的剪力-切向位移關(guān)系圖(圖1)。

可得關(guān)系公式(7)和(8)：

(7)

P=H=ksvH

(8)

式(7)、(8)中，λ=gDL/b，ks=GDL/B；B表示圍巖邊界至斷層距離，g表示臨斷層區(qū)的初始剪切彈性模量；G表示圍巖的初始剪切彈性模量；m與v分別表示臨斷層區(qū)的軟化參數(shù)以及相對(duì)切向位移；v0與vH分別表示圍巖的軟化參數(shù)以及相對(duì)切向位移。

Q(vc)=λvc·exp(-m-1/m)

(9)

(10)

圖1 圍巖作用下臨斷層區(qū)巖體本構(gòu)關(guān)系Fig.1 Constitutive relation of rock mass nearfault zone under the action of surrounding rock

沖擊礦壓非均質(zhì)應(yīng)變損傷軟化本構(gòu)模型為

(11)

關(guān)于“話語”，復(fù)旦大學(xué)教授范曉認(rèn)為:“話語是由兩個(gè)互相依存的部分組成的:一部分是話語內(nèi)容，也就是言語表達(dá)的思想內(nèi)容;另一部分是話語形式，也就是言語者借以表達(dá)思想的形式，這種形式就是語言?！保?］3這樣看來，“話語”不僅是一種交流和傳播的“中介”，還是一種“語言和思想的結(jié)合體”［3］4?！霸捳Z權(quán)”即“話語”與“權(quán)”?！皺?quán)”不僅是指“權(quán)利”，也指“權(quán)力”。換言之，話語權(quán)既是一種表征資格與利益的“話語的權(quán)利”，也是一種象征權(quán)威與力量的“話語的權(quán)力”。據(jù)此，輔導(dǎo)員在大學(xué)生思想政治教育中的話語權(quán)也應(yīng)包含兩個(gè)方面，它既可被理解為作為權(quán)利的“話語權(quán)”，同時(shí)也是象征權(quán)力的“話語權(quán)”。

1.3 微震監(jiān)測(cè)技術(shù)下沖擊礦壓預(yù)測(cè)

在對(duì)沖擊礦壓進(jìn)行預(yù)測(cè)前，利用微震監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)沖擊震源進(jìn)行定位，震源定位能夠確定煤巖體破裂時(shí)間和空間坐標(biāo)，是采用微震監(jiān)測(cè)技術(shù)研究煤巖體破裂機(jī)制、礦震活動(dòng)規(guī)律、煤巖動(dòng)力災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警以及裂縫微震監(jiān)測(cè)成像的基礎(chǔ)，通過波速大小呈現(xiàn)應(yīng)力分布狀態(tài)，煤巖體應(yīng)力越高，傳輸振動(dòng)速度越大[13]。

沖擊震源定位算法的實(shí)施主要包括以下幾個(gè)步驟：

1)在微震監(jiān)測(cè)空間中選擇任意4點(diǎn)，以這4個(gè)點(diǎn)為頂點(diǎn)構(gòu)造初始單純形；

2)采用L1范數(shù)統(tǒng)計(jì)準(zhǔn)則或L2范數(shù)統(tǒng)計(jì)準(zhǔn)則計(jì)算每個(gè)頂點(diǎn)的事件殘差；

3)比較4個(gè)點(diǎn)的事件殘差，選出最小值和最大值；根據(jù)4種變換準(zhǔn)則在誤差空間中尋找新的頂點(diǎn)，從而組成新的單純形；

4)重復(fù)以上步驟，不斷移動(dòng)單純形，直到給出最佳的震源位置或者滿足迭代終止條件時(shí)，此時(shí)迭代終止，同時(shí)給出定位結(jié)果。

用L表示煤礦礦震震源與微震監(jiān)測(cè)臺(tái)間距離，T表示微震監(jiān)測(cè)臺(tái)站所接收的初始傳播時(shí)間，用V(x，y，z)與S(x，y，z)=1/V(x，y，z)分別反演煤炭開采區(qū)域的波速分布以及慢度；設(shè)Li與Ti分別表示震動(dòng)波的傳播路徑以及傳播時(shí)間，可得：

(12)

(13)

(14)

式(12)(13)(14)中，Ti與Li分別表示震動(dòng)波i傳輸時(shí)間以及震動(dòng)波的射線路徑；V(x，y，z)與S(x，y，z)分別表示震動(dòng)波傳播速度以及震動(dòng)波傳播慢度；di，j表示震動(dòng)波射線i穿射網(wǎng)格j的路徑長(zhǎng)度；Sj表示震動(dòng)波射線i穿射網(wǎng)格j的慢度；n與m分別表示射線總數(shù)以及網(wǎng)格數(shù)量。

高應(yīng)力集中區(qū)域的波速梯度以及震動(dòng)波波速容易出現(xiàn)異常[14]，建立波速梯度異常以及以P波波速異常的沖擊危險(xiǎn)預(yù)警指標(biāo)見公式(15)和(16)：

(15)

(16)

基于時(shí)間充分考慮沖擊變形能情況預(yù)測(cè)沖擊礦壓危險(xiǎn)建立指標(biāo)Zε：

(17)

(18)

式(17)(18)中，N與Ei分別表示前次宏觀破裂后礦震事件總數(shù)以及礦震事件所釋放的能量；Eεt與Eεl分別表示沖擊變形能當(dāng)前值以及臨界值；Zε表示沖擊變形能初始值。

沖擊危險(xiǎn)等級(jí)在該值越高時(shí)越危險(xiǎn)[15]，沖擊變形能指數(shù)εE見公式(19)：

(19)

式(19)中，Ei表示預(yù)測(cè)區(qū)域礦震能量值；S與T分別表示預(yù)測(cè)區(qū)域總面積以及預(yù)測(cè)時(shí)間。

2 實(shí)例分析

選取某地某煤礦作為實(shí)例分析對(duì)象，并從煤炭開采臨斷層區(qū)采集煤樣，利用切割機(jī)和巖石取心機(jī)將所采集煤樣加工至φ100×100的標(biāo)準(zhǔn)試樣，利用MTS815伺服材料試驗(yàn)器，對(duì)其進(jìn)行應(yīng)變應(yīng)力試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)采用本文方法研究煤炭開采臨斷層區(qū)煤樣與實(shí)際煤樣的實(shí)驗(yàn)曲線與理論曲線相似度，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖2。由圖2可見，本文方法所獲取煤炭開采臨斷層區(qū)煤樣理論曲線與實(shí)際曲線值極為相近，有效驗(yàn)證本文方法所研究理論知識(shí)具有較高的有效性。

統(tǒng)計(jì)采用本文方法優(yōu)化所獲取微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，優(yōu)化結(jié)果見圖3。由圖3可見，采用本文方法優(yōu)化微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所獲取數(shù)值的水平定位誤差可控制在8 m以內(nèi)，垂直定位誤差控制在8 m以內(nèi)，驗(yàn)證本文方法可滿足高精度的煤炭開采臨斷層區(qū)震源定位需求。微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)臺(tái)網(wǎng)應(yīng)隨著掘進(jìn)和回采工作面的進(jìn)尺增加而及時(shí)挪移或增設(shè)，確保微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)臺(tái)網(wǎng)對(duì)礦震的定位精度。

圖2 理論曲線與實(shí)際曲線對(duì)比Fig.2 Comparison between theoretical curve and actual curve

從該礦區(qū)中隨機(jī)選取1個(gè)能量為1×103J～1×104J級(jí)別的礦震進(jìn)行頻譜分析，波形記錄結(jié)果見圖4。由圖4可見，隨機(jī)選取的能量為1×103J～1×104J級(jí)別的礦震微震事件，信號(hào)持續(xù)時(shí)間約為0.3 s，信號(hào)衰減速度；從實(shí)驗(yàn)結(jié)果的頻譜上可以看出，能量1×103J～1×104J的礦震頻率分布范圍廣，主頻在20～45 Hz之間。

不同能量級(jí)別下，微震信號(hào)所對(duì)應(yīng)波形形態(tài)和頻譜特征存在較大差異，表1統(tǒng)計(jì)不同能量級(jí)別下微震信號(hào)波形和頻譜特征。由表1可知，能級(jí)越高的礦震波形持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，衰減越慢；礦震波形振幅越大時(shí)，所接收的測(cè)站越多。不同能量級(jí)別微震信號(hào)具有相應(yīng)波形頻譜特征，波形振幅隨著釋放能量級(jí)別的提升而有所提升，持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，主頻越低；反之，波形振幅隨著釋放能量級(jí)別的降低而有所降低，震動(dòng)持續(xù)時(shí)間越短，頻帶分布越寬，主頻越高。

圖3 定位誤差評(píng)價(jià)圖Fig.3 Evaluation diagram of positioning error

圖4 能量1×103 J～1×104 J波形形態(tài)和頻譜特征Fig.4 Energy 1×103 J - 1×104 J waveform shape and spectrum characteristics(a)微震信號(hào)速度-時(shí)間圖 (b)微震信號(hào)幅值-頻率圖

表1 不同能量級(jí)別下微震信號(hào)比較Table 1 Comparison of microseismic signals atdifferent energy levels

統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)礦區(qū)采用本文方法預(yù)測(cè)煤炭開采臨斷層區(qū)沖擊礦壓，2019年8月共31天煤炭開采臨斷層區(qū)微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。由表2可見，在全礦監(jiān)測(cè)煤炭開采臨斷層區(qū)共監(jiān)測(cè)到有效礦震2992個(gè)，其中最大能量為7.55×104J，震動(dòng)能量主要集中在0～1×102J與1×102J～1×103J之間，分別占礦震總數(shù)的41.61%與37.91%，說明全礦微震強(qiáng)度比較小，以小能量釋放的礦震事件為主，煤炭開采臨斷層區(qū)沖擊礦壓自然災(zāi)害發(fā)生次數(shù)較少。

表2 礦震數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistic result of mine earthquake data

統(tǒng)計(jì)該礦區(qū)2019年8月共31天期間礦震事件能量、震動(dòng)頻次時(shí)間序列見圖5。由圖5可見，該礦區(qū)煤炭開采臨斷層區(qū)的礦震能量釋放主要集中在兩個(gè)時(shí)間段，分別是20：00至22：00、8：00至10：00。煤炭開采臨斷層區(qū)礦震頻度變化整體趨勢(shì)呈緩和曲線狀，峰值分別對(duì)應(yīng)兩個(gè)能量釋放時(shí)間段。隨著采掘活動(dòng)，礦震時(shí)刻存在，生產(chǎn)時(shí)礦震頻度明顯較交接班時(shí)增多，能量釋放也較檢修時(shí)增大。應(yīng)力釋放存在滯后性，礦區(qū)停采后礦震頻度及能量釋放不會(huì)立即停止，存在一定的應(yīng)力穩(wěn)定調(diào)整時(shí)間。

圖5 煤炭開采臨斷層區(qū)礦震能量(a)與礦震頻次(b)Fig.5 Mine earthquake energy (a) and frequency of mine earthquake (b) near fault zone in coal mining

3 結(jié)論

將微震監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用于預(yù)測(cè)煤炭開采臨斷層區(qū)沖擊礦壓中，分別從時(shí)序以及從空間上定量體現(xiàn)煤炭開采臨斷層區(qū)的沖擊危險(xiǎn)狀態(tài)以及危險(xiǎn)等級(jí)，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該預(yù)測(cè)方法具有較高的有效性。煤巖體受應(yīng)力的影響，煤巖體應(yīng)力越高，傳輸振動(dòng)速度越大，說明礦井地質(zhì)條件以及礦區(qū)的采掘活動(dòng)影響礦震的活動(dòng)規(guī)律，以上規(guī)律可較好體現(xiàn)沖擊礦壓礦震規(guī)律，不同礦區(qū)的開采強(qiáng)度、開采布置以及煤礦地質(zhì)區(qū)域存在較高變化，同樣影響礦震規(guī)律變化，預(yù)測(cè)結(jié)果隨時(shí)間存在較大變化。通過持續(xù)的總結(jié)歸納礦震規(guī)律可精準(zhǔn)預(yù)測(cè)煤炭開采臨斷層區(qū)沖擊礦壓。利用該方法所獲取微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)將水平定位誤差和垂直定位誤差控制在20 m和50 m以內(nèi)，可滿足高精度的煤炭開采臨斷層區(qū)震源定位需求，確保微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)臺(tái)網(wǎng)對(duì)礦震的定位精度。