姚剛

【摘 要】為監(jiān)測不同尺度礦震，兗州礦區(qū)分別在井田尺度和礦井尺度建立了礦震監(jiān)測臺網(wǎng)和微震監(jiān)測臺網(wǎng)?；诰锍叨缺O(jiān)測結果，分析了兗州礦區(qū)礦震活動規(guī)律，按礦震強度及分布范圍確定了危險區(qū)域，得出礦震與構造區(qū)應力場的分布具有較強的相關性；研究了強礦震的前兆規(guī)律，得出強礦震發(fā)生前其頻次和能量等級會顯著提高。利用微震監(jiān)測臺網(wǎng)監(jiān)測結果分析了東灘礦工作面開采過程中礦震在時間及空間上的活動規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了工作面附近震源的分布規(guī)律，得出了礦震與開采活動的關系密切，同時確定了各監(jiān)測點合理的波速值。該研究對兗州礦區(qū)沖擊礦壓的監(jiān)測預警和防治具有重要意義。

【關鍵詞】礦震規(guī)律；沖擊礦壓；微震監(jiān)測；頻次；開采活動

中圖分類號：TD 324 文獻標識碼： A 文章編號： 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

煤炭作為我國的主體能源，隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，煤炭產(chǎn)量逐年上升，開采強度逐年加大，目前煤礦以每年近20m的速度向深部延伸[1-3]。隨著煤礦開采深度的增加，沖擊礦壓、礦震、突水、頂板大面積垮落等采動誘發(fā)的動力災害事故越來越嚴重，越來越頻繁，嚴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)域應力場和采礦活動作用下，使得采區(qū)及周圍應力處于失調(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而產(chǎn)生的巖層震動[9-11]。在礦震強烈的情況下，在地面能感覺到巖體的震動，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、構造型礦震等[12-17]。在實際生產(chǎn)過程中，這幾種礦震往往伴隨發(fā)生，如當出現(xiàn)大面積懸頂并久懸不落時，可能會出現(xiàn)頂板冒落和開裂，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的構造型礦震。當?shù)V山震動較強烈時，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)作為我國主要的煤炭生產(chǎn)基地，經(jīng)過30余年的快速發(fā)展，目前各礦井相繼進入深部開采階段，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害在東灘、鮑店、南屯、濟三等煤礦陸續(xù)顯現(xiàn)，對煤礦安全生產(chǎn)構成重大威脅。同時，集團所屬濟二、濟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采，以兗州礦區(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)測系統(tǒng)，研究了不同尺度下的礦震活動規(guī)律，為指導兗州礦區(qū)防治沖擊礦震災害奠定了基礎。endprint

1 兗州礦區(qū)微震聯(lián)合監(jiān)測系統(tǒng)

煤巖破裂震動存在明顯的尺度效應，其破裂運動的尺度越大，震源破裂運動產(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，采礦活動引發(fā)的動力現(xiàn)象按照礦井煤巖體破裂運動的尺度大小分為三個尺度：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。無論是微破裂，還是較大能量級別的震動，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，這些礦震可能會引起沖擊礦壓等動力災害。為了更好的監(jiān)測不同尺度的震動，兗州礦區(qū)在井田范圍建立了覆蓋整個井田的大尺度礦震監(jiān)測臺網(wǎng)，同時在沖擊礦壓與強礦震災害嚴重的東灘、鮑店、濟三等煤礦建立了礦井尺度的微震監(jiān)測系統(tǒng)，兩套系統(tǒng)相互配合、補充，從而建立了完備的礦井煤巖震動礦（微）震聯(lián)合監(jiān)測體系。

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30.0km，東西寬15.6km，面積475.6km2。兗礦集團公司所屬各井田面積合計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。京滬鐵路自兗州煤田東部通過，交通十分便利，地面標高+33.0～+60.0m，東北高、西南低。

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

1.2 兗州礦區(qū)地震臺網(wǎng)建設

基于煤巖破類震動的尺度效應，為有效監(jiān)測整個兗州礦區(qū)范圍內(nèi)礦震的分布規(guī)律，兗州礦區(qū)建立了由8個深井觀測遙測子臺，一個臺網(wǎng)接收中心組成的數(shù)字礦震遙測臺網(wǎng)。觀測方式均采用深井觀測，觀測頻帶為0.5Hz～40Hz。為避免和減輕由地面及周圍環(huán)境對觀測數(shù)據(jù)帶來的干擾，采用了深井觀測技術提高觀測動態(tài)范圍。數(shù)據(jù)傳輸方式采用點對點無線超短波信道實時傳輸方式。項目建設過程中可根據(jù)礦震監(jiān)測需要，隨時追加地面流動臺的觀測，增加重點地區(qū)的礦震監(jiān)測能力，臺網(wǎng)中心設在鮑店煤礦。經(jīng)過標定和測試，8個臺站的井下靜態(tài)地脈動噪聲水平符合中國數(shù)字地震觀測網(wǎng)絡技術規(guī)程要求。臺站中心主要設備技術連接與配置如圖1所示。

1.3 礦井微震監(jiān)測系統(tǒng)建設

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

礦井微震監(jiān)測系統(tǒng)采用波蘭礦山研究總院研制的SOS微震監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對礦井包括沖擊礦壓在內(nèi)的礦震信號進行遠距離（最大10km）、實時、動態(tài)、自動監(jiān)測，準確計算出能量大于100J的震動及沖擊礦壓發(fā)生的時間、能量及空間坐標，且系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。SOS微震監(jiān)測系統(tǒng)中的硬件是由安裝在地面主站內(nèi)的信號采集站、記錄儀系統(tǒng)、分析儀系統(tǒng)、本安裝置、供電電源、信號傳輸線、以及井下檢波測量探頭等組成。

兗州煤業(yè)集團在礦震頻發(fā)的東灘煤礦、鮑店煤礦、濟寧三號煤礦、趙樓煤礦和南屯煤礦建立礦井微震監(jiān)測系統(tǒng)。圖2為東灘煤礦微震監(jiān)測系統(tǒng)各測站布置示意圖，共計在井下布置了16個探頭，在地面布置了1個探頭。（其中16#為地面臺站）。

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，結合兗州礦區(qū)構造應力場分布特征與礦區(qū)范圍內(nèi)礦震定位規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，礦震震源與主要構造帶、應力場分布具有較強的相關性。

通過對礦區(qū)微震事件進行分析，對大區(qū)域進行危險性劃定，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重區(qū)域，礦震頻率高，震級也較大，應該加強監(jiān)測預警及采取合理的卸壓措施。

礦區(qū)礦震臺網(wǎng)的監(jiān)測表明，礦震活動與潛伏構造密切相關。每次開采越過斷層前后，幾乎都不同程度地發(fā)生較強的礦震，在越過斷層之后，礦震頻次逐漸衰減。同時，若這些斷層構造處于應力集中程度較高的區(qū)域，如向斜軸部、翼部時，則誘發(fā)的礦震更加強烈。

東灘煤礦自微震系統(tǒng)運行以來，即2010年5月30日至2011年8月28日之間的微震監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。在全礦監(jiān)測區(qū)域共監(jiān)測到有效礦震14853個，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，震動能量分級統(tǒng)計如圖4所示，可見，震動能量主要集中在102～103J之間，占總礦震的52.47%，說明全礦微震強度比較小，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規(guī)律

基于礦井SOS微震監(jiān)測系統(tǒng)，通過震源的空間分布和演化特征，可進一步研究震動發(fā)生的層位和破斷形態(tài)，為研究采礦活動引起的覆巖活動規(guī)律打下基礎。東灘礦1305工作面回采以來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可見，震源集中區(qū)域隨著工作面的推進，逐步往前移動；工作面超前應力集中區(qū)在開采初期震源較少，隨著開采范圍的擴大，前方也出現(xiàn)較多震動，并出現(xiàn)幾次能量較高的強礦震事件，表明煤巖層在超前支承壓力作用下已經(jīng)開始出現(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，同時也表明了在應力集中區(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應。可利用微震監(jiān)測系統(tǒng)輔助鉆孔應力計判斷超前應力集中區(qū)域和破裂范圍。

（3）在每小時礦震累積頻次幾乎相同的情況下，每小時礦震累積能量在時間上分布有明顯的集中顯現(xiàn)，說明礦震與開采活動的直接相關性很強。從礦震累積能量分布來看，能量釋放主要集中在1：00、5：00、9：00、10：00、21：00，說明這段時間內(nèi)礦震活動強烈。endprint

（4）實踐表明井下范圍內(nèi)1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#、11#測點的波速為4500m/s，地面16#測點的波速為3600m/s時較為合理。

4 結論

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

（1）結合兗州礦區(qū)地質(zhì)構造區(qū)劃分、應力場分布特征與礦區(qū)范圍內(nèi)礦震定位規(guī)律可以看出，礦震震源與主要構造帶、應力場分布具有較強的相關性。

（2）根據(jù)礦區(qū)礦震臺網(wǎng)監(jiān)測，得出東灘礦及附近2.0級以上礦震前兆規(guī)律為：在較強的礦震發(fā)生前，相對較大礦震頻次明顯增加，平均能量等級也顯著提高；當一定量級的礦震發(fā)生的頻次達到一定數(shù)量后，預示較強礦震發(fā)生的危險明顯增高。

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

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

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

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