解嘉豪，張有志，張 寅，丁國利，石超弘，姚 銳

(1.中煤能源研究院 防沖控水研究所，陜西 西安 710054；2.中煤沖擊地壓與水害防治研究中心，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017200；3.中天合創(chuàng)能源有限責任公司煤炭分公司葫蘆素煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017300；4.遼寧工程技術(shù)大學 力學與工程學院，遼寧 阜新 123000)

微震監(jiān)測已廣泛應用于我國沖擊地壓礦井沖擊災害的監(jiān)測預警中[1]?；谪S富的微震數(shù)據(jù)積累，蔡武[2，3]等在義馬躍進煤礦形成了煤礦沖擊地壓的微震多維信息時空預警系統(tǒng)，姜福興[4，5]等自行研制的(MS)微地震定位監(jiān)測系統(tǒng)在新汶華豐煤礦也得到了成功應用。趙毅鑫[6]等通過研究微震事件的頻次、能量、微震信號b值等信息，捕捉到了忻州窯煤礦沖擊地壓的前兆信息。鄧志剛[7]基于ARMIS M/E微震監(jiān)測系統(tǒng)對3個典型沖擊地壓礦井進行了研究，得出了沖擊地壓發(fā)生的前兆規(guī)律。此外，微震監(jiān)測系統(tǒng)在華亭煤礦[8]、新巨龍煤礦[9]、徐州三河尖礦、撫順老虎臺礦等[10]也取得了良好的應用效果。

單個事件能量和日總能量指標是最常用的微震預警指標之一，但是，實現(xiàn)較準確的預警往往需要大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)積累，因此上述應用較成功的案例多為東部傳統(tǒng)沖擊地壓礦井[11-14]。對于西部新建礦井，由于微震數(shù)據(jù)原始積累較少，在照搬東部礦井的預警指標進行沖擊危險預警時預警準確率不高，亟需對微震預警指標進行優(yōu)化。本文結(jié)合葫蘆素礦井21103工作面近兩年的微震監(jiān)測數(shù)據(jù)及現(xiàn)場大能量事件的顯現(xiàn)情況，提出了微震事件的能級-頻度分析方法，可實現(xiàn)對單個事件能量及日總能量兩個預警指標的優(yōu)化，以此方法對葫蘆素礦井微震預警指標進行了優(yōu)化，預警準確率得到了明顯提高。

1 工作面概況

21103工作面為葫蘆素礦井2-1煤層一盤區(qū)第二個回采工作面，也是葫蘆素礦井沖擊動力顯現(xiàn)最為明顯的工作面。工作面長320m，走向可采長度4150m，主采2-1煤層，煤層傾角為-3°～+3°，煤厚1.8～2.97m，平均2.54m。21103工作面于2018年1月安裝了ARMIS微震監(jiān)測系統(tǒng)，積累了完整的微震監(jiān)測數(shù)據(jù)及動力顯現(xiàn)案例。21103工作面概況如圖1所示。

圖1 21103工作面概況及事件匯總

21103工作面發(fā)生的動力顯現(xiàn)次數(shù)較多但烈度較小，根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗，認為當井下記錄到煤炮增多、響動頻繁時，工作面實際沖擊危險等級為中等沖擊危險，當工作面出現(xiàn)大震動、煤體崩出、錨桿索崩斷等輕微動力顯現(xiàn)情況時，工作面實際具有強沖擊危險。無或者弱沖擊危險的現(xiàn)場情況則較難定義。對21103工作面自回采以來井下實際具有中等及以上沖擊危險的事件進行匯總。

2 初始微震預警指標效能分析

21103工作面沖擊地壓發(fā)生的微震初始預警指標見表1。

表1 21103工作面沖擊地壓危險的微震預警指標

由表1可知，21103工作面單個微震事件能量達到104J或日累計能量達到1×107J以上時，工作面進行中等沖擊危險預警，單個事件能量達到106J或日累計能量達到1×108J以上時，工作面進行強沖擊危險預警。對21103工作面達到表1中的理論預警值和圖1中現(xiàn)場達到預警級別的全部事件進行了統(tǒng)計，統(tǒng)計表明：截止2019年8月22日，21103工作面內(nèi)發(fā)生中等沖擊危險預警以及現(xiàn)場實際達到預警級別的微震事件總計61個，其中105J級別以上事件共5個，104J級別事件共54個，104J以下事件共2個，有中等以上沖擊危險級別的天數(shù)總計47d，其中對現(xiàn)場有影響的天數(shù)總計34天。

以此數(shù)據(jù)為基礎對21103工作面中等沖擊危險、強沖擊危險的預警效能進行分析，分別計算其沖擊危險預警準確率如下。

單個事件能量的中等以上沖擊危險預警準確率計算見式(1)，強沖擊危險預警準確率計算見式(2)。日總能量的中等以上沖擊危險預警準確率見式(3)，強沖擊危險預警準確率見式(4)。

(1)

(2)

(3)

(4)

計算得：單個事件能量中等沖擊危險預警準確率=59/61×100%=96.7%，但誤報10次，誤報率達到16.4%，漏報2次，漏報率為3.28%。強沖擊危險預警準確率=0/15×100%=0.00%；日總能量中等以上沖擊危險預警準確率=7/47×100%=14.9%，強沖擊危險預警準確率=0/34×100%=0.0%。

分析可得：①單個事件能量中等以上沖擊危險的預警準確率可達96.7%，表明中等沖擊危險預警指標設置相對合理，合理的單個能量事件最大值預警指標應在1×104J左右；②單個事件能量強沖擊危險的預警準確率為0%，表明強沖擊危險的預警指標設置嚴重偏高；③日總能量的中等以上及強沖擊危險的預警準確率分別為14.9%和為0%，表明中等及強的初始預警指標設置不合理，有必要進行進一步優(yōu)化。

3 基于能級-頻度法進行微震預警指標優(yōu)化

3.1 能級-頻度分析方法的提出

Gutenburg和Richter通過研究較大區(qū)域內(nèi)的地震活動規(guī)律，提出了著名的G-R冪率關(guān)系[15]，它表明地震的震級和頻次之間存在一定關(guān)聯(lián)性，即有：

lgN=a-bM

(5)

式中，N為震級大于或等于M的地震頻次；M為地震震級；a、b為常數(shù)。

把研究對象縮小到礦井尺度，G-R冪率關(guān)系仍然可反映工作面微震事件能量及頻次的關(guān)系，在礦井尺度下，采用微震事件的能級lgE代替震級M，于是式(5)轉(zhuǎn)化為[16-18]：

lgN=a-blgE

(6)

式中，N為微震事件能量大于或等于M的微震事件頻次；lgN即為微震事件的頻度；E為微震事件能量；lgE為微震事件的能級；a、b為常數(shù)。

以葫蘆素礦井21103工作面6月份微震事件的能級-頻度曲線為例進行分析，發(fā)現(xiàn)能級-頻度曲線呈近似線性分布，如圖2所示。根據(jù)曲線斜率與截距的變化特點可將其分為三段：①指數(shù)分布段：在該區(qū)域內(nèi)，微震事件的能級較低，頻度較高；②線性分布段：在該區(qū)域內(nèi)，微震事件的能級-頻度適中，曲線呈線性分布，曲線的斜率和截距基本恒定；③離散分布段：在該區(qū)域內(nèi)，微震事件的能級較高，頻度較低，曲線受極個別的大能量微震事件影響形成離散分布。

圖2 21103工作面區(qū)域微震事件能級-頻度曲線

因此，能級-頻度曲線所反映的區(qū)域微震事件強弱關(guān)系更為客觀，根據(jù)能級-曲線可將微震事件分為弱震區(qū)、中震區(qū)與強震區(qū)，其中，弱震區(qū)與中震區(qū)的分界點為能級下限點，中震區(qū)與強震區(qū)的分界點為能級偏移點。

因此，在能級-頻度曲線中，a、b值兩個常數(shù)就產(chǎn)生了其物理含義：a值表示微震事件的活躍度，a值越大說明區(qū)域微震事件活躍度越高，頻度越高，反之則頻度越低；b值表示微震事件能量的強弱程度，b值越大，表明微震事件中低能級微震事件所占比例大，發(fā)生強礦震的可能性小，反之高能級微震事件所占的比例越大，發(fā)生強礦震的可能性大。

微震預警指標是為強礦震預警服務的，必須體現(xiàn)其預警效能。為驗證能級-頻度曲線的預警效能，取葫蘆素煤礦21103工作面6月1日—8月22日的所有微震事件，采用5天時間窗，1天滑移步長進行計算，得到了微震事件的b值時序演化規(guī)律，如圖3所示。由圖可知，70%以上強礦震發(fā)生之前，均存在b值的低值異常。這表明采用能級-頻度方法進行微震監(jiān)測預警指標的設置是合理的。

圖3 21103工作面3個月內(nèi)微震事件的b值演化規(guī)律

3.2 單個事件能量預警指標優(yōu)化

3.2.1 數(shù)據(jù)選擇

葫蘆素礦井ARMIS微震監(jiān)測系統(tǒng)于2018年1月投入使用，截止2019年8月22日，在21103工作面區(qū)域共監(jiān)測到微震事件35187個，以此作為數(shù)據(jù)庫，進行微震事件的能級-頻度規(guī)律分析。

3.2.2 強沖擊危險預警臨界值優(yōu)化

前人的研究表明，工作面靜載應力水平相似的條件下，對煤巖系統(tǒng)內(nèi)輸入的動載能量越高，沖擊地壓顯現(xiàn)的猛烈程度就越高[19]。因此，從沖擊地壓發(fā)生的動載荷條件來看，誘發(fā)沖擊地壓的微震事件能量通常要遠高于工作面區(qū)域內(nèi)礦震平均值。

為排除低能級事件的干擾，對21103工作面區(qū)域100J以上的微震事件能級-頻度曲線進行統(tǒng)計，參與計算的微震事件共3400個，繪制曲線如圖4所示。分析可知，21103工作面100J以上的微震事件的頻度和震級之間具有近似線性關(guān)系，但曲線的疏密程度變化較大。隨著能級增加，頻度降低，微震事件在點(4.027，1.756)處出現(xiàn)第一次能級偏移，偏移點之后的曲線波動性變大；隨著微震事件的能級繼續(xù)增加，微震事件在點(4.757，1)處出現(xiàn)第二次能級偏移，偏移點之后的曲線波動性和離散性均明顯增強。

圖4 21103工作面100J以上微震事件能級-頻度曲線

根據(jù)上述分析結(jié)果，21103工作面強沖擊危險預警指標可選用第二次能級偏移點的微震事件能級，經(jīng)計算得，強沖擊危險預警的臨界值可取E強=104.757=57147.86J，簡化后可取E強=5.7×104J。

3.2.3 中等沖擊危險預警臨界值優(yōu)化

21103工作面中等沖擊危險臨界值應選用第一次能級偏移點的微震事件能級，如圖4所示，經(jīng)計算得，中等沖擊危險預警的臨界值E中=104.027=10641.43J，簡化后可取E中=1.1×104J。

3.2.4 弱沖擊危險預警臨界值優(yōu)化

能級-頻度曲線中指數(shù)分布段與線性分布段的拐點可作為弱沖擊危險預警的臨界指標。對數(shù)據(jù)庫中全部微震事件的能級-頻度曲線進行統(tǒng)計，參與計算的微震事件共35187個，將曲線中以第二次能級偏移點為參考點，向曲線的高頻、低能段繪制參考線，參考線與能級-頻度曲線發(fā)生斜率偏移的點即為斜率偏移點，如圖5所示。計算可得，21103工作面能級-頻度曲線的斜率偏移點為(2.553，3.091)，則弱沖擊危險預警的臨界值E弱=102.553=357.27J，簡化后可取E弱=3.6×102J。

圖5 21103工作面微震事件的能級-頻度曲線

3.3 日總能量指標優(yōu)化

由圖1統(tǒng)計可得，21103工作面回采以來記錄到大能量事件的天數(shù)總計47d，其中對現(xiàn)場有影響的大能量事件天數(shù)總計34d。對所有大能量事件發(fā)生當日的日總能量進行統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果如圖6所示。

圖6 單日總能量分級預警指標的確定

統(tǒng)計分析可知，對現(xiàn)場有影響的大能量事件發(fā)生當日，日總能量最高值為2.10×105J，最低值為2.61×103J。有記錄但未造成破壞的大能量事件中，日總能量最高值為1.02×105J，最低值為1.44×104J。據(jù)此確定不同等級的日總能量臨界預警指標如下。

1)強沖擊危險預警指標：取34起對現(xiàn)場有影響大能量事件的日總能量最高值，即2.10E+05J，簡化后取2.0×105J。

2)中等沖擊危險預警指標：取13起有記錄但未造成破壞的大能量事件的日總能量最高值，即1.02×105J，簡化后取1.0×105J。

3)弱沖擊危險預警指標：取47起大能量事件日總能量的最低值，排除偶然性較大的2.61×103J事件后，實際最低值為1.41×104J，簡化后取1.4×104J。

對此預警指標采用能級-頻度法進行合理性檢驗，檢驗標準見式(7)。

lg∑Ei

(7)

式中，∑Ei為某日總能量的臨界預警指標；lgEi為單個微震事件能級的臨界預警指標；lgNi為區(qū)域內(nèi)該能級微震事件的頻度；i為預警等級，共3級，分別為弱、中、強。則該式所表示的物理意義為：在該區(qū)域條件下，理論上不可能出現(xiàn)單日發(fā)生的全部微震事件均達到了可進行單個事件預警的級別。

據(jù)此對單日總能量預警指標進行合理性檢驗，檢驗結(jié)果見表2。

表2 預警指標合理性檢驗

4 優(yōu)化結(jié)果及工程驗證

據(jù)此得到了21103工作面微震事件的四級預警指標，優(yōu)化結(jié)果見表3。

表3 21103工作面沖擊地壓危險的微震預警指標

以21103工作面8月22日之前的微震及動力顯現(xiàn)數(shù)據(jù)庫對新預警指標的預警準確率進行計算，則中等以上沖擊危險的綜合預警準確率可采用式(8)進行計算。計算得：新預警指標的強沖擊危險預警準確率=25/34×100%=73.5%。遠高于初始預警指標。

由于上述計算結(jié)果是基于以往數(shù)據(jù)庫的分析得出，為驗證其對之后發(fā)生的顯現(xiàn)事件的預警效果，取8月22日之后發(fā)生的動力顯現(xiàn)事件進行預警效能統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果見表4。由表4可知，新預警指標對8月22日之后1個月發(fā)生的4起大能量事件可實現(xiàn)準確預警，預警結(jié)果與現(xiàn)場實際情況相符。

表4 21103工作面8月22日之后大能量事件匯總表

由于21103工作面已于2019年10月回采完畢，為驗證該指標對于相鄰工作面的預警效果，作者統(tǒng)計了相鄰21104回采工作面2020年1月7日—8月31日全部預警天數(shù)與現(xiàn)場礦壓異常區(qū)域位置的對應關(guān)系圖，如圖7所示?，F(xiàn)場礦壓異常區(qū)域包括但不限于煤炮頻發(fā)、瞬間底鼓、片幫或輕微動壓顯現(xiàn)等現(xiàn)象。由圖7分析可知，發(fā)生中等以上沖擊危險預警的區(qū)域與現(xiàn)場礦壓異常區(qū)域重合度較高，在工作面過二次見方、褶曲和斷層等區(qū)域時預警次數(shù)較多，與現(xiàn)場實際情況相吻合。

圖7 21104工作面預警位置與現(xiàn)場礦壓異常區(qū)對比(m)

對21104工作面累計推采的238d內(nèi)全部預警事件進行了統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果表明：微震事件能量強沖擊危險預警的天數(shù)共10d，中等沖擊危險預警的天數(shù)共25d，在發(fā)出強沖擊危險預警后，3d內(nèi)收到過2次以上井下大煤炮、震動或其他動壓顯現(xiàn)反饋的天數(shù)共有7d，預警準確率為70%；在發(fā)出中等沖擊危險預警后，3d內(nèi)收到1次以上井下動壓顯現(xiàn)反饋的天數(shù)共有19d，預警準確率達到76%，中等以上沖擊危險預警準確率可達74.3%。這也表明隨著數(shù)據(jù)樣本的增大，該指標仍具有較好的適用性，可進一步推廣至相鄰工作面。

(8)

5 結(jié) 論

1)匯總了21103工作面的全部微震預警與井下實際預警事件，并以此為基礎分析了初始預警指標的預警效能，分析表明：單個事件能量的強沖擊危險預警指標、日總能量的中等及強沖擊危險預警指標設置嚴重不合理，有必要進行預警指標的優(yōu)化。

2)礦井尺度下微震事件的能級-頻度曲線可分為指數(shù)分布段、線性分布段和離散分布段，可取線性分布段末兩次偏移點的能級作為礦井中等與強沖擊危險的預警指標，取斜率偏移點的能級作為弱沖擊危險的預警指標。

3)分析了發(fā)生微震或井下實際預警的47d內(nèi)微震事件的日總能量特征，進行了分級劃分并對其能級-頻度的合理性進行了檢驗，表明指標設置合理。最終得到的新預警指標預警準確率明顯提高，對近一個月的大能量事件預警基本準確。