趙志鵬，閆瑞兵，劉昆輪

(神華新疆能源有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830027)

近年來，沖擊地壓成為影響煤礦安全生產(chǎn)的主要因素之一[1-3]，急傾斜煤層沖擊尤為頻繁。烏東煤礦南采區(qū)為近直立煤層賦存條件，受巖柱、歷史煤柱及特殊地質構造的影響，在距水平地面300m就有沖擊地壓顯現(xiàn)，出現(xiàn)沖擊地壓的臨界采深要比目前大多數(shù)沖擊地壓礦區(qū)煤層埋藏深度淺很多[4]。隨著采掘深度增加，動力災害更加頻繁，對沖擊前兆信息的辨識顯得尤為重要。

沖擊地壓現(xiàn)象的本質是高應力狀態(tài)作用下煤巖體的突然失穩(wěn)破壞[5]。煤巖破壞過程中，伴隨裂隙的產(chǎn)生和擴展[6]，以及能量的釋放和轉移[7]。許多學者針對煤巖破壞過程中的各種物理現(xiàn)象對沖擊地壓的前兆信息開展了諸多研究。趙毅鑫等[8]通過對“兩硬”條件下沖擊地壓微震信號特征研究發(fā)現(xiàn)，沖擊前微震事件頻次和能量均減少，堅硬頂板斷裂后發(fā)生壓縮、反彈的區(qū)域是發(fā)生沖擊的震源區(qū)域。袁瑞甫等[9]研究了煤柱型沖擊地壓微震信號分布特征和前兆信息，發(fā)現(xiàn)微震事件分維值在沖擊前會降低到某個臨界值以下。此外還有不少學者[10，11]對沖擊地壓電磁輻射前兆信息展開了研究，取得了一定的成果。然而，有關近直立煤層沖擊地壓前兆信息的研究尚不多見，而近直立煤層又是沖擊地壓高發(fā)區(qū)，因此，對其沖擊前兆的研究尤為必要，該研究對進一步做好沖擊地壓預測預防工作具有重要指導意義。

1 工程概況

1.1 工作面概況

烏東煤礦B3+6工作面煤層傾角為82°～87°，平均厚度48.87 m，內含夾矸4～20層，夾矸總厚為0.08～4.40m；直接頂與直接底均為粉砂巖。采用水平分段綜放開采的采煤方法，采高3m，放高22m。當前采面為+450m水平，平均采深400m，可采走向長度222m。本文以+450水平B3+6工作面為研究對象，對沖擊地壓發(fā)生前的微震事件時空演化規(guī)律展開研究。

1.2 微震監(jiān)測系統(tǒng)

烏東煤礦采用波蘭EMAG工業(yè)技術創(chuàng)新研究院研制的ARMISM/E微震監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于SN/DTSS傳輸站中的SPI-70地震計，使用本質安全的數(shù)據(jù)傳輸，從地表集中供電，系統(tǒng)共包含12個微震探頭。

微震監(jiān)測系統(tǒng)拾震器和探頭主要布置在+450水平和+425水平，其中拾震器布置在水泥平臺上，幫探頭和底探頭安裝在水泥平臺或錨桿上，+450水平3個探頭均隨工作面位置動態(tài)移動，微震系統(tǒng)探頭布置方案如圖1所示。

圖1 微震系統(tǒng)探頭布置示意圖

1.3 +450水平B3+6工作面歷次沖擊地壓

B3+6煤層從開采到現(xiàn)在，共發(fā)生5次沖擊地壓，分別為“2·27”、“3·13”、“11·24”、“2·1”、“4·26”事故。其中+450水平共發(fā)生3次沖擊地壓，分別為“11·24”、“2·1”、“4·26”事故，歷次沖擊地壓破壞范圍如圖2所示，破壞形式以幫鼓和底鼓為主，沖擊地壓影響破壞區(qū)域大多集中在超前工作面0～200m之間。

圖2 歷次沖擊地壓破壞范圍

2 近直立煤層沖擊地壓前微震時空演化規(guī)律

2.1 微震能量、頻次演化分析

圖3中(a)、(b)、(c)分別統(tǒng)計了2016年11月24、2017年2月1日以及2017年4月26日3次沖擊地壓發(fā)生前1個月的微震事件每日頻次和累計能量的變化，如圖3可知，在沖擊地壓發(fā)生之前，微震累計能量和頻次均出現(xiàn)異常變化。

圖3 沖擊前微震能量和頻次時序演化規(guī)律

2.1.1 累計能量

以3次沖擊地壓發(fā)生前累計能量為例，累計能量先是呈現(xiàn)出平穩(wěn)波動的變化趨勢，在臨近沖擊之前，累計能量開始劇烈波動，然后下降到一個較低值隨即發(fā)生大能量沖擊事件。

2.1.2 微震頻次

“11·24”沖擊地壓發(fā)生前一個月微震頻次總體呈下降趨勢，但中間仍有3次明顯的急升急降段，在頻次降低至0～10次時，累計能量便會出現(xiàn)小幅躍升，甚至出現(xiàn)“11·24”沖擊地壓事故；“2·1”沖擊地壓發(fā)生前一個月微震頻次有兩次較大的躍升，在微震頻次躍升之后的急劇下降段，累計能量出現(xiàn)相應的升高，尤其是第二次微震頻次下降至0～10次時發(fā)生“2·1”沖擊地壓事故；“4·26”沖擊地壓發(fā)生前一個月微震頻次變化較為平穩(wěn)，在“4·26”沖擊地壓發(fā)生前有一次頻次的大幅躍升，隨即發(fā)生“4·26”事故。

微震每日累計能量和頻次的異常變化反映了煤巖體內能量積累和消耗的不穩(wěn)定狀態(tài)，因此可以作為沖擊地壓的前兆。值得注意的是，沖擊地壓警報是一項艱巨而復雜的任務，其前兆可能會有所不同，前述的每日累計能量和頻次異常變化只是許多可能的前兆中的一種。因此在生產(chǎn)活動中如監(jiān)測到類似的微震數(shù)據(jù)變化規(guī)律應引起高度重視，提前進行進一步危險辨識并及時做好防治措施。

2.2 微震能量和頻次偏差分析

2.2.1 偏差指標的提出

能量偏差值DE定義為：

(1)

頻次偏差值Dp定義為：

(2)

2.2.2 微震能量、頻次偏差值指標演化規(guī)律

對2016—2017年+450水平B3+6回采面所有大能量礦震(震源能量>106J)前的微震能量和頻次進一步研究，分析大能量礦震之前每日微震事件的能量偏差值DE和頻次偏差值Dp的時序變化趨勢，如圖4、5所示，圖中垂向虛線表示大能量事件發(fā)生日期，實線表示沖擊地壓發(fā)生日期。

圖4 能量偏差值時序分布規(guī)律

圖5 頻次偏差值時序分布規(guī)律

由圖4可以看出，在大能量礦震之前，礦震的能量偏差值基本都會出現(xiàn)較高值，該值一般大于20。該時間段共發(fā)生7次大能量礦震，其中6次大能量礦震發(fā)生前能量偏差值超過20。以兩個大能量礦震之間的時間間隔作為時間窗，在臨近大能量礦震前，DE會出現(xiàn)緩慢增加的趨勢，并在緩慢增加的過程中突然出現(xiàn)一個極大值，該極大值一般出現(xiàn)在大能量礦震之前一周。

由圖5可以看出，在大能量礦震之前，每日微震頻次偏差值Dp經(jīng)歷一個峰值，即出現(xiàn)先升后降的趨勢，且7次大能量礦震發(fā)生前Dp峰值均大于0.8。

2.3 沖擊前礦震空間演化規(guī)律

以2017年4月26日沖擊地壓前10天每日微震空間定位結果為例，研究沖擊地壓前礦震的空間演化規(guī)律。圖6中左下角標記為當日工作面推進速度，右上角標記為當日日期。

由圖6可以看出，在沖擊地壓發(fā)生之前4月18日到4月23日，微震事件快速增多且逐漸向回采工作面集中，同時大能量事件開始逐漸增多。B2-B3巷巖體內微震事件活動性快速增強。在23日之后，微震事件集中度開始迅速減弱，微震事件集中區(qū)從B3+6煤體向B2-B3巷巖體移動，隨后發(fā)生沖擊地壓，即沖擊地壓的發(fā)生是一個能量聚集到釋放的過程。

圖6 微震空間定位演化

3 結 論

1)沖擊地壓發(fā)生前微震頻次和能量變化異常，具體表現(xiàn)為沖擊前累計能量會劇烈波動下降到一個較低值，微震頻次出現(xiàn)急升急降的變化。

2)大能量礦震之前，微震能量偏差值DE基本都會出現(xiàn)較高值，該值一般大于20，每日微震頻次偏差值Dp會經(jīng)歷一個峰值，Dp峰值均大于0.8。

3)沖擊前微震頻次連續(xù)增加且向回采工作面集中，大能量事件開始逐漸增多，此后工作面微震迅速減少隨即發(fā)生沖擊地壓事件。