王元杰

(1.天地科技股份有限公司 開采設計事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學研究總院 開采研究分院，北京 100013)

地音監(jiān)測系統(tǒng)在頂板巨厚巖層活動規(guī)律研究中的應用

王元杰1,2

(1.天地科技股份有限公司 開采設計事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學研究總院 開采研究分院，北京 100013)

[摘要]頂板巨厚巖層的運動和破斷對于沖擊地壓的發(fā)生具有重大的影響，為了研究頂板巨厚巖層的活動規(guī)律，介紹了地音監(jiān)測技術的發(fā)展歷程和原理，采用地音監(jiān)測實時數據及地音能量和頻次與地表下沉的變化規(guī)律，對華豐煤礦頂板巨厚礫巖活動進行了觀測和研究。研究表明采用地音監(jiān)測系統(tǒng)可以對頂板巨厚巖層的運動實時監(jiān)測，并對其破斷進行預測，對有效控制沖擊地壓事件的發(fā)生有很大的幫助。

[關鍵詞]地音監(jiān)測；沖擊地壓；頂板巨厚巖層；活動規(guī)律

采場上覆厚巖層的運動對采礦作業(yè)空間安全有重要影響，上覆堅硬、厚巖層大多是主要承載結構，即關鍵層，是影響沖擊地壓發(fā)生的主要因素之一，其運動和斷裂對沖擊地壓的發(fā)生有重大的影響[1]，主要原因是在厚層堅硬頂板滑移失穩(wěn)或破斷過程中[2]，造成強烈地震動，釋放大量的彈性能，導致沖擊壓力型(頂板煤層型)沖擊地壓或沖擊型(頂板型)沖擊地壓[3-4]。如義馬千秋煤礦、新汶華豐煤礦都受到采場上覆巨厚礫巖層的影響，多次發(fā)生災害性沖擊地壓事故，對煤礦造成了很大的損失。

因此，監(jiān)測頂板關鍵層的運動規(guī)律，可以有效地預測礦井沖擊地壓的發(fā)生[5]。目前對頂板關鍵層運動規(guī)律的監(jiān)測手段主要有微震監(jiān)測技術、地音監(jiān)測技術，通過微震監(jiān)測技術可以對頂板巖層的斷裂時間、位置和能量進行計算和顯示，地音監(jiān)測系統(tǒng)則可以對煤巖體內部破裂、微破裂信息進行監(jiān)測和統(tǒng)計，通過對煤巖體破裂前兆信息的提取和分析，起到對頂板厚巖層破裂的發(fā)生進行預測預報的效果。本文將著重討論采用地音監(jiān)測系統(tǒng)對頂板厚巖層活動規(guī)律的研究。

1礦井概況

新汶礦業(yè)集團華豐煤礦設計生產能力0.6Mt/a，1983年改擴建后生產能力提高到0.9Mt/a，2006年重新核定礦井生產能力為1.2Mt/a。華豐煤礦是新汶煤田最西端的相對獨立的礦井，采用斜井多水平開拓，現有-1100m和-750m兩個生產水平。后組十一層煤已開采至-550m，前組六層煤已開采至-1010m。礦井開采地質條件復雜，是全國開采最深的井田之一，水、火、煤塵、瓦斯、頂底板等各類災害比較嚴重，尤其是存在著世界性采礦難題沖擊地壓，給礦井安全生產帶來很大壓力。

該礦沖擊地壓主要發(fā)生在四層煤中，自發(fā)生沖擊地壓現象以來，共監(jiān)測出沖擊地壓事件3.14萬余次，其中1.0級以上沖擊地壓2900余次，大于2.0級以上的沖擊事件7次。已統(tǒng)計發(fā)生破壞性沖擊事件108次，共破壞巷道長度2000m，累計破壞的工作面長度400m，共損壞鉸接頂梁600余根，單體液壓支柱500余根。

2地音監(jiān)測系統(tǒng)

1940年在美國阿米克銅礦觀測到巖爆時有地音現象，并通過地音技術預報了巖爆的發(fā)生，從此開始了地音監(jiān)測技術在巖土工程和巖石力學研究中應用的時代[6]。波蘭的沖擊地壓災害相當嚴重，為此，波蘭研制了微震監(jiān)測系統(tǒng)和地音監(jiān)測系統(tǒng)。最初的系統(tǒng)分別為SAK地音監(jiān)測系統(tǒng)和SYLOK微震監(jiān)測系統(tǒng)，主要用來監(jiān)測采掘工作面和礦井區(qū)域的地音與微震活動。波蘭EMAG公司在原系統(tǒng)基礎上進行升級改造，形成了ARES-5/E地音監(jiān)測系統(tǒng)和ARAMIS M/E微震監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)實現了數字信號傳輸，傳輸距離大且不易受干擾。

國內地音技術的應用研究起始于20世紀70年代初，新汶華豐煤礦于2006年率先從波蘭EMAG公司引進國內第1套全天候數字化微震監(jiān)測系統(tǒng)，2008年又引進1套地音監(jiān)測系統(tǒng)，此后，微震和地音監(jiān)測技術在國內沖擊地壓礦井迅速推廣，同時帶動了國內微震和地音系統(tǒng)的研發(fā)。截至目前，新汶、淄博、棗莊、鶴崗、雙鴨山、義馬、撫順、華亭、神新、平莊等近100個礦井安裝了微震和地音監(jiān)測系統(tǒng)。

與微震監(jiān)測系統(tǒng)一樣，地音監(jiān)測系統(tǒng)接受的也是震動信號，不同之處是兩套系統(tǒng)接受震動信號的能量級別和頻率范圍不同。微震系統(tǒng)監(jiān)測比較強烈的、頻率小于150Hz的震動現象，地音系統(tǒng)監(jiān)測的是比較弱的、頻率范圍在150～3000 Hz的震動現象[7]。此外，微震系統(tǒng)接受震動信號后主要功能是對震動事件進行定位和能量計算，而地音系統(tǒng)在具有定位功能以外，其主要作用是對接受的震動信號進行統(tǒng)計分析，通過按分鐘、小時、工作班等單位對地音能量和頻次進行統(tǒng)計，評價監(jiān)測區(qū)域的沖擊危險性，起到預測預報沖擊地壓的效果。

ARES-5/E地音監(jiān)測系統(tǒng)是對礦井沖擊危險性評價的專用設備，能夠實時監(jiān)測工作面的地音事件，安裝在工作面巷道的地音傳感器將監(jiān)測到的地音信號處理成模擬信號，再由發(fā)射器處理轉換成數字信號，由信號電纜傳輸到地面數據處理器[8]。ARES-5/E地音監(jiān)測系統(tǒng)可以監(jiān)測能量小于103J，震動頻率在28～1500Hz之間的地音事件，系統(tǒng)對監(jiān)測區(qū)域內的地音事件進行實時監(jiān)測，監(jiān)測數據通過系統(tǒng)分析軟件的處理，實現對系統(tǒng)監(jiān)測區(qū)域當前工作時段的沖擊危險等級進行評價，并對下一工作時段的沖擊危險等級進行預測。

3地音監(jiān)測頂板活動規(guī)律分析

3.1地音探頭布置方案

為降低沖擊地壓對礦井安全生產的影響，2008年華豐煤礦經天地科技股份有限公司從波蘭引進并安裝了ARES-5/E地音監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)包括2個地面中心站，支持井下16個探頭同時監(jiān)測。監(jiān)測探頭布置在沖擊危險性比較高的區(qū)域，一般為采掘工作面，如圖1所示。

圖1　1411工作面地音探頭布置示意

探頭與采掘工作面的距離應當在30～110m之間，條件允許時，探頭應當盡可能遠離噪音源。探頭安裝在垂直于煤壁的錨桿上，錨桿長度應不小于1.5m。為了確保探頭與巖體接觸牢靠，錨桿應全程錨固，保證其與巖體形成一個整體。

3.2地音監(jiān)測揭示上覆巖層運動

華豐煤礦煤層傾角為30°，礫巖厚度隨著工作面開采深度的增加而加大，下位煤巖層受其自重應力的影響也愈加明顯，煤巖體內的原巖應力越來越高，因此在開采過程中容易形成由高應力集中引起的沖擊危險。統(tǒng)計該礦已發(fā)生過的沖擊地壓，工作面沖擊地壓發(fā)生頻次隨著采場礫巖厚度增加而增多，工作面沖擊危險性也隨之增強。

圖2為華豐煤礦地音監(jiān)測系統(tǒng)的實時顯示窗口，圖中共顯示8個通道的實時數據，左邊4個為2409工作面回風巷和運輸巷4個傳感器接收的數據，右邊4個為1411工作面回風巷和運輸巷4個傳感器接受的數據，圖中右坐標和左坐標分別代表能量和頻次，圖中顯示每一分鐘該地音傳感器接受到地音信號的頻次和能量。2409和1411工作面是分布于礦井的西部(翼)和東部(翼)的兩個不同采區(qū)的工作面，兩工作面為背向推采，兩工作面間距約1000多米。從圖中可以看出，兩個工作面的8個通道均在當日18時10分監(jiān)測到一個強大的地音信號波動，說明該信號來源于兩個工作面的同一主關鍵層，預示著作為主關鍵層的上覆礫巖層發(fā)生了一次破裂。而后該礦于當日18時52分發(fā)生一次1.9級礦震，并在1411工作面誘發(fā)一次沖擊地壓。說明地音監(jiān)測系統(tǒng)能夠實時監(jiān)測開采區(qū)域內的地音信號，并且系統(tǒng)的數據能夠直觀地揭示上覆巨厚礫巖層的運動。

圖2　地音監(jiān)測系統(tǒng)實時觀測窗口

3.3地音數據與地表下沉的關系

通過對該次礦震發(fā)生前期的數據進行總結，發(fā)現地音數據(能量和頻次)與地表下沉有明顯的規(guī)律性。工作面推進過程初期，礫巖層下沉速度較慢，為堅硬頂板積聚彈性能的時期，地音數據(能量和頻次)出現有規(guī)律性的變化；當上覆礫巖層破斷后，發(fā)生堅硬頂板的滑移失穩(wěn)，地表迅速下沉，地音數據(能量和頻次)的規(guī)律性變化結束，聚集的彈性能突然釋放造成強烈地震動，造成沖擊地壓發(fā)生。

圖3、圖4為1411工作面2010年地音能量和頻次與地表下沉量的變化趨勢，從圖中可以看出，地音能量和頻次從3月份開始處于上升趨勢，于8月中旬上覆礫巖斷裂之前，能量和頻次都達到其最高峰，之后地音的頻次停止增長，地音能量開始驟降。因此通過對地音能量和頻次的峰值點的判斷，可以對頂板巨厚巖層的斷裂進行預測。

圖3　地音能量與地表下沉變化曲線

圖4　地音頻次與地表下沉變化曲線

4結論

通過對華豐煤礦地音監(jiān)測系統(tǒng)沖擊地壓發(fā)生前后的數據分析，對頂板巨厚巖層的活動規(guī)律進行了研究。地音監(jiān)測系統(tǒng)可以實現對監(jiān)測區(qū)域內地音事件進行實時監(jiān)測，系統(tǒng)的實時顯示界面揭示了上覆巨厚礫巖層的運動情況。通過對地音數據(能量和頻次)與地表下沉的數據分析，總結了兩者之間的變化規(guī)律，在頂板巨厚礫巖斷裂前期地音能量

和頻次處于上升趨勢，當地音能量和頻次達到其高峰時頂板巨厚礫巖斷裂，之后地音的頻次停止增長，地音能量開始驟降。對頂板巨厚巖層運動的監(jiān)測手段有很多，為找到更加有效的監(jiān)測方法，還需要進行大量的研究工作。

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[責任編輯：潘俊鋒]

Application of Earth-sound Monitoring System in Strata Movement of Giant Roof

WANG Yuan-jie1，2

(1.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China；2.Mining Research Institute，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China)

Abstract：Rock burst was influenced by movement and broken of giant thick strata in roof obviously，in order to studying movement law of giant thick strata in roof，development process and principle of earth-sound monitoring technology was introduced first，with real-time data of earth sound monitoring，earth sound energy and frequency，changed law of surface subsidence，giant thick conglomerate roof movement in Huafeng coal mine was observed and studied.The studying showed that giant thick strata movement of roof could be monitored real-time by earth sound monitoring system，and then broken would be forecast，it’s beneficent for rock burst control effectively.

Key words：earth-sound monitoring，rock burst；giant thick roof，movement law

[收稿日期]2015-11-02[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.03.029

[基金項目]國家自然科學青年基金資助項目(51304116)；國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973)項目(2010CB226806)

[作者簡介]王元杰(1983-)，男，山東泰安人，助理研究員，主要從事煤礦安全、沖擊地壓等方面的研究工作。

[中圖分類號]TD324

[文獻標識碼]A

[文章編號]1006-6225(2016)03-0109-03

[引用格式]王元杰.地音監(jiān)測系統(tǒng)在頂板巨厚巖層活動規(guī)律研究中的應用[J].煤礦開采，2016，21(3)：109-111，84.