吉寧煤礦微震監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用研究

蘇壯壯 姚 輝 于 涵

（華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院，北京 065201）

隨著我國煤礦開采深度的增加，突水事故發(fā)生的概率也在逐漸變大，因此，開展對水害隱患的監(jiān)測和預(yù)警十分必要[1]。微震監(jiān)測技術(shù)作為確保煤礦安全生產(chǎn)的重要監(jiān)測預(yù)警手段之一[2]，被寫入《煤礦防治水細(xì)則》。對于煤礦安全生產(chǎn)而言，搭建微震監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)具有重要意義。吉寧煤礦缺少相應(yīng)的監(jiān)測手段，為在礦井回采過程中安全高效完成生產(chǎn)，特建立微震監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，為整個(gè)吉寧煤礦乃至周邊煤礦起到了示范作用，確保了工作面的安全開采。

1 工作面概況

研究區(qū)域所在的2107 工作面是2 號煤的回采工作面，該工作面整體處于F5 正斷層與F15 正斷層組成的地塹式構(gòu)造體中。探明工作面內(nèi)存在8 條小型正斷層，其中巷道實(shí)際揭露5 條，經(jīng)槽波探測結(jié)果結(jié)合地面三維地震精細(xì)化解釋成果和抽采鉆孔情況判定斷層3 條，分別為F7 正斷層、F7-2 正斷層、F7-3 正斷層?；夭蛇^程中會出現(xiàn)煤巖層傾角變大、頂板破碎、片幫、瓦斯涌出等現(xiàn)象，對回采造成很大的影響。

2 微震系統(tǒng)建設(shè)

為達(dá)到監(jiān)測吉寧煤礦2107 工作面開采過程中導(dǎo)水通道形成過程，預(yù)防礦井突水事故的發(fā)生，設(shè)計(jì)并建設(shè)微震監(jiān)測系統(tǒng)。

2.1 微震監(jiān)測原理

煤巖體在應(yīng)力作用下發(fā)生破壞，并產(chǎn)生微震動和聲波[3]。微震監(jiān)測技術(shù)就是以這種微弱的震動和聲波來解釋煤巖體在變形和斷裂過程中發(fā)生的微震事件。隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)等廣泛應(yīng)用，采用震動定位原理，可確定破裂發(fā)生的位置，并在三維空間顯示出來[4]，從而準(zhǔn)確地對煤巖體的活動范圍及其穩(wěn)定性做出安全評價(jià)[5]。

2.2 微震監(jiān)測系統(tǒng)簡介

通過對性能參數(shù)、成本、服務(wù)質(zhì)量等對比，最終采用北京安科興業(yè)股份有限公司依托北京科技大學(xué)獨(dú)立研發(fā)的KJ551 微震監(jiān)測系統(tǒng)。

KJ551 微震監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。安裝在測區(qū)內(nèi)的微震檢波器接收震動信號，傳輸至井上(下)微震監(jiān)測分站，微震分站將電信號轉(zhuǎn)換為光信號，經(jīng)光纖/環(huán)網(wǎng)傳輸至微震主機(jī)，經(jīng)由交換機(jī)再將信號傳輸至數(shù)據(jù)采集主機(jī)，再傳輸至數(shù)據(jù)存儲及處理主機(jī)進(jìn)行微震事件的定位分析與多方位展示[6]，將微震監(jiān)測情況實(shí)時(shí)展現(xiàn)在綜合預(yù)警平臺。

圖1 KJ551 微震監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.3 臺網(wǎng)布置方案

（1）系統(tǒng)整體配置。配備1 臺微震分站，12個(gè)檢波器。底板檢波器安裝于回采工作面，主要用于移動較頻繁的區(qū)域。

（2）系統(tǒng)測點(diǎn)布置。共布置12 個(gè)測點(diǎn)。2107工作面膠帶順槽布置測點(diǎn)6 個(gè)（1#～6#），膠帶順槽1#檢波器距離工作面120 m 布置第一個(gè)，其余檢波器間隔120 m 連續(xù)向后布置。2107 工作面軌道順槽布置測點(diǎn)6 個(gè)（7#～12#），軌道順槽距離工作面60 m 布置第一個(gè)，其余間距120 m 連續(xù)向后布置。系統(tǒng)測點(diǎn)布置及使用電纜情況如圖2。

圖2 工作面微震監(jiān)測布置示意圖

3 工作面開采過程中監(jiān)測情況分析

3.1 微震事件監(jiān)測情況

2019 年11 月22 日—2020 年5 月12 日期間，微震事件共計(jì)924 個(gè)，平均每天接收5.3 個(gè)微震事件。其中1000 J 以上微震事件47 個(gè)，占比5.08%，微震事件以中低能量為主，釋放較為緩和。2107 工作面共發(fā)生微震事件851 個(gè)，占比92.09%。由此可以看出，大部分微震事件發(fā)生在2107 回采工作面，具體統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 微震事件數(shù)量統(tǒng)計(jì)

由于現(xiàn)場微震傳感器布置間距約為120 m，通過微震事件數(shù)量表明，KJ551 微震監(jiān)測系統(tǒng)具備較強(qiáng)的信號接收能力。

2107 工作面微震事件大部分位于F7 斷層與工作面附近，受F7 斷層影響較為明顯，需重點(diǎn)關(guān)注現(xiàn)場支護(hù)情況。大能量事件主要發(fā)生在回采工作面靠近膠帶順槽一側(cè)，與推測斷層較為接近，需重點(diǎn)關(guān)注現(xiàn)場支護(hù)情況。

3.2 微震監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

通過對微震事件的部分?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得出表2。

表2 吉寧煤業(yè)日總能量頻次對比表

所有微震事件 2107 工作面微震事件能量/J 頻次 能量/J 頻次2020.03.25 15 118.29 8 14 248.79 7 2020.03.26 1 191.23 6 1 191.23 6 2020.03.27 1 552.99 7 1 552.99 7 2020.03.28 744.54 3 460.19 2 2020.03.29 2 400.52 8 2 040.23 7 2020.03.30 2 147.09 10 2 147.09 10 2020.03.31 1 206.8 4 1 206.8 4 2020.04.01 549.96 3 549.96 3 2020.04.02 1 035.08 6 878.3 5 2020.04.03 3 935.94 15 3 935.94 15 2020.04.04 5 701.77 24 5 701.77 24 2020.04.05 3 897.63 8 3 897.63 8 2020.04.06 253.7 1 253.7 1 2020.04.07 2 932.45 13 1 952.51 11 2020.04.08 1 588.59 4 1 588.59 4 2020.04.09 3 967.11 7 3 092.7 6 2020.04.10 573.75 4 573.75 4日期

通過對照表2 繪制出折線柱狀圖如圖3。

圖3 折線柱狀圖

如圖3（a）所示，3 月11 日—3 月15 日，微震事件頻次較低，能量較低，但是有緩慢增長過程，直至3 月15 日—3 月19 日，微震事件頻次能量明顯處于高位，處于能量集中釋放期，3 月25 日之后能量頻次都有所下降，進(jìn)入下一能量積累期。

如圖3（b）所示，2107 工作面3 月11 日—3月15 日處于能量積累階段，3 月15 日—3 月19 日能量頻次都處于較高位置，能量集中釋放期，之后能量頻次有所降低，進(jìn)入下一能量積累區(qū)間。

4 結(jié)論

（1）KJ551 微震系統(tǒng)自安裝以來，運(yùn)行良好，沒有出現(xiàn)較大運(yùn)行故障，基本滿足現(xiàn)場的監(jiān)測要求。通過對微震事件能量、數(shù)量統(tǒng)計(jì)分析，表明KJ551微震監(jiān)測系統(tǒng)具備較強(qiáng)的信號接收能力。

（2）根據(jù)選取的部分?jǐn)?shù)據(jù)分析得知：2107 工作面3 月11 日—3 月15 日處于能量積累階段，3月15 日—3 月19 日能量頻次都處于較高位置，能量集中釋放期，之后能量頻次有所降低并進(jìn)入下一能量積累區(qū)間；大部分微震事件發(fā)生在2107工作面，且微震事件大部分位于F7 斷層與工作面附近，受F7 斷層影響較為明顯，大能量事件主要發(fā)生在回采工作面靠近膠帶順槽一側(cè)，與推測斷層較為接近，需重點(diǎn)關(guān)注現(xiàn)場支護(hù)情況。