杜濤濤

（1.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭科學研究總院 開采研究分院，北京 100013；3.天地科技股份有限公司 開采設計事業(yè)部，北京 100013）

微震監(jiān)測是地球物理方法之一，是沖擊地壓礦井應用非常普遍的一種區(qū)域性監(jiān)測手段，可以實現(xiàn)對煤巖體的全礦井、實時、三維空間立體監(jiān)測，全方位地揭示工作面圍巖內部的破裂和運動規(guī)律，進而對沖擊地壓危險進行動態(tài)評估與預警，是我國沖擊地壓[1-6]區(qū)域監(jiān)測及防控過程不可缺少的手段。

微震監(jiān)測技術研究及推廣應用廣泛，竇林名等[7]把微震監(jiān)測技術應用在震動場研究方面；姜福興等[8-9]應用微震監(jiān)測研究了千米深井厚煤層綜放面支架圍巖關系，采用微震監(jiān)測技術應用于采場回采前沖擊危險動態(tài)評估；何學秋等[10]研究了微震監(jiān)測技術實現(xiàn)區(qū)域監(jiān)測的理論基礎，建立了相應指標評價體系，并在煤與瓦斯突出礦井進行了應用試驗；歐陽振華等[11]研究了微震監(jiān)測結果和工作面礦壓觀測結果的關聯(lián)關系，應用于淺埋煤層動載礦壓預測；秦忠誠等[12]采用微震監(jiān)測技術研究了“兩硬”綜放工作面覆巖運動規(guī)律；呂鵬飛等[13]分析了微震源分布與垂直應力二次分布和超前支承壓力分布的關系；劉金海[14]指出KJ551 微震監(jiān)測系統(tǒng)用于監(jiān)測中高頻震動事件，起到局部震動監(jiān)測作用；ARAMIS 微震監(jiān)測系統(tǒng)用于監(jiān)測中低頻震動事件，覆蓋范圍數(shù)千米，起到區(qū)域震動監(jiān)測作用；KJ874 礦山地震監(jiān)測系統(tǒng)用于監(jiān)測低頻震動事件，覆蓋范圍達數(shù)萬米，起到礦區(qū)震動監(jiān)測作用；夏永學等[15-16]采用ARAMIS M/E 微震監(jiān)測系統(tǒng)研究了千秋煤礦21141 工作面圍巖破壞和應力分布特征，為提高沖擊地壓預測預報水平優(yōu)選完善了微震監(jiān)測的5 個指標，并應用于沖擊地壓預測中。

近年微震監(jiān)測技術在快速發(fā)展與應用的同時，垂直方向定位精度不理想的問題較為常見，無法有效分析確定沖擊致災關鍵巖層，在鄂爾多斯新街礦區(qū)、呼吉爾特礦區(qū)，納林河礦區(qū)，榆林的榆橫礦區(qū)、榆神礦區(qū)，由于煤層分布多為近水平，同時由于礦井多為近年來的新建礦井，目前處于單一煤層開采時期，造成井下微震傳感器布置多處于近水平狀態(tài)，垂直落差小，微震臺網在垂直方向的分布較差，影響了微震監(jiān)測垂直方向的定位精度和有效監(jiān)測，新疆烏魯木齊礦區(qū)的近直立煤層條件也面臨同樣的問題。為此，在研究成果[17-18]基礎上，進一步開展的煤礦井上下微震聯(lián)合監(jiān)測技術及其應用研究。

1 研究背景

1.1 近水平煤層工作面微震監(jiān)測

鄂爾多斯地區(qū)門克慶煤礦主采3-1近水平煤層，煤層埋深約700 m，煤層厚度在4.7～6.0 m 之間，平均5.35 m，3-1煤層直接頂為灰色的粉砂巖，平均厚度4.7 m；基本頂為灰白色的細砂巖，平均厚度17.68 m。3-1煤層直接底為灰色的粉砂巖，厚度平均10.29 m；基本底為灰白色的細砂巖，平均厚度21.9 m。

礦井初期僅布置井下微震監(jiān)測傳感器進行監(jiān)測，獲取巖體產生微破裂過程所發(fā)出的地震波信息，確定微震事件發(fā)生位置，揭示開采過程圍巖活動高度，近水平煤層井下微震監(jiān)測效果如圖1。

圖1 近水平煤層井下微震監(jiān)測效果Fig.1 Micro-seismic monitoring effect in near horizontal coal seam

圍巖活動高度為煤層上下20 m 范圍，按照煤厚5.35，碎漲系數(shù)1.2，計算得到垮落帶高度為26.75 m，其上為斷裂帶，開采過程隨巖層裂隙產生、擴展、破裂過程必然產生微震事件，然而斷裂帶范圍沒有微震事件分布，由此可見監(jiān)測效果不理想。

1.2 近直立水平分層工作面微震監(jiān)測

新疆烏東煤礦南區(qū)主采煤層為B1+2煤層和B3+6煤層，兩煤層平均傾角87°，屬近直立煤層，兩煤層之間為巖柱，平均厚度80 m；B1+2煤層平均厚度37.5 m，B3+6煤層平均厚度48.9 m，采用水平分段綜采放頂煤開采方法。礦井采用微震監(jiān)測系統(tǒng)，在開采分層工作面兩巷道按平行四邊形的方式布置微震傳感器，進行沖擊危險區(qū)域監(jiān)測，近直立煤層井下微震監(jiān)測結果如圖2。

圖2 近直立煤層井下微震監(jiān)測結果Fig.2 Micro-seismic monitoring effect in near vertical coal seam

圍巖活動主要集中在開采分層上下31 m 范圍，在開采水平以上43 m 范圍有較少的微震事件出現(xiàn)；由于井下空間無法形成有效的高差，為提高垂直方向的監(jiān)測范圍，把安裝在井下的微震傳感器布置在地表，微震臺網高差形成后，監(jiān)測到距離開采水平分層上方170 m 范圍的巖柱有活動現(xiàn)象。

綜上所述，近水平單一煤層、近直立煤層水平分層開采的工作面，當僅采用井下微震監(jiān)測臺網布置時，微震臺網形成的高差不足，造成監(jiān)測高度受限、垂直方向定位精度受到影響；當把用于井下安裝的傳感器安裝在地面時，能夠監(jiān)測到較高層位產生的微震事件，垂直方向的監(jiān)測范圍有所提升，但井下傳感器布置地面需要布置電纜進行數(shù)據(jù)傳輸，不僅工程量大、維護困難，而且受井下微震傳感器靈敏度等影響，應用效果不理想。

2 井上下微震聯(lián)合監(jiān)測技術

2.1 技術原理

礦井垂直剖面上，震源與各臺站連線之間的最大夾角，稱之為垂直最大空隙角θ。研究[18]表明，當θ≤90°，臺站能從四象限包圍震源，臺網垂直分布最佳，震源深度的測定誤差最??；當θ＞180°時，臺站都位于震源一側，監(jiān)測效果不好。因此最大空隙角越小，臺網對震源區(qū)域的包裹性越好，井上下微震聯(lián)合監(jiān)測原理示意圖如圖3。

由圖3（b）可以看出，當僅在井下同一層位的煤層中布置微震臺站時，垂直最大空隙角為θ1＞180°，臺站均位于震源下方，震源深度的測定誤差較大，稱之為“垂直高差效應”；當進行井上下聯(lián)合監(jiān)測時，垂直最大空隙角為θ2，很明顯θ2＜90°，臺站能更好的包圍震源，臺網垂直分布最佳，震源深度的測定誤差最小。因此對于近水平、水平、近直立水平分層開采的煤層，僅僅依靠布置在同一層位煤層內的監(jiān)測臺站，由于垂直最大空隙角過大，造成震源垂直定位誤差較大，此時可以通過增加地面監(jiān)測臺站的方式，可以有效降低臺網的垂直最大空隙角，提高震源深度的監(jiān)測精度。

圖3 聯(lián)合監(jiān)測原理示意圖Fig.3 Schematic diagrams of joint monitoring

2.2 地面布置臺站增大z 坐標差值

根據(jù)微震定位原理，微震臺站z 坐標差距小是垂直方向定位精度低的原因，因此提出井上下微震聯(lián)合監(jiān)測技術，通過地面布置臺站以增大z 坐標差距，與井下微震監(jiān)測臺站配合，共同參與震源定位。井上下微震聯(lián)合監(jiān)測布置示意圖如圖4。

圖4 井上下微震聯(lián)合監(jiān)測布置示意圖Fig.4 Layout diagrams of joint monitoring of surface and underground micro-seismic monitoring

研究和實踐表明，將井下微震傳感器安裝在地面，由于井下微震傳感器監(jiān)測靈敏度不足，并不能有效解決微震監(jiān)測“垂直高差效應”。以ARAMIS M/E微震監(jiān)測系統(tǒng)為基礎，引進了ARP 專用井上微震拾震器，形成井上下微震聯(lián)合監(jiān)測臺網。

2.3 系統(tǒng)構成

井上下微震聯(lián)合監(jiān)測系統(tǒng)構成圖如圖5。

圖5 井上下微震聯(lián)合監(jiān)測系統(tǒng)構成圖Fig.5 Composition diagram of joint monitoring of surface and underground micro-seismic monitoring

以ARAMIS M/E 微震監(jiān)測系統(tǒng)為基礎，ARP2000 系統(tǒng)各個監(jiān)測臺站將監(jiān)測到的震動波數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)處理計算機內的ARP2000 軟件中，經過ARP2000 系統(tǒng)軟件的預處理并保存至ARP2000 軟件內。在使用ARAMIS M/E 微震監(jiān)測系統(tǒng)定位時，調取ARP2000 系統(tǒng)軟件內各個監(jiān)測臺站的震動波數(shù)據(jù)，參與到微震事件的定位中。

ARAMIS M/E 微震監(jiān)測系統(tǒng)構成：信息傳輸系統(tǒng)（DTSS），該部分包括：地面SP/DTSS 信息收集站，其由OCGA 數(shù)字信號接收裝置、配備GPS 時鐘的ST/DTSS 傳輸系統(tǒng)控制模塊、主通道切換模塊以及SR 15-150-4/11 I 型配電裝置；SN/DTSS 井下分站，其包括SPI-70 拾震器以及NSGA 震動信號發(fā)射裝置。ARP2000 系統(tǒng)包含基站部分和分站部分。基站部分位于地面控制中心，由具有互聯(lián)網連接的PC機和進行記錄數(shù)據(jù)存檔、可視化及預處理的軟件組成。分站部分包括三分量LKP-ARP 監(jiān)測集中器和加速度傳感器或速度傳感器。

2 套微震監(jiān)測系統(tǒng)采用絕對時間同步和4G/5G數(shù)據(jù)傳輸技術進行監(jiān)測數(shù)據(jù)的融合，可實現(xiàn)對空間距離1 500 m 范圍內的100 J 事件進行有效監(jiān)測，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的一致性和實效性。

3 井上下微震聯(lián)合監(jiān)測應用

3.1 在門克慶煤礦的應用

門克慶煤礦位于內蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市呼吉爾特礦區(qū)中部，井田總體構造形態(tài)為向西傾斜的單斜構造，地層傾角1°～3°，主要開采3-1煤，主采工作面為3102 工作面和3104 工作面，以這2 個工作面為重點監(jiān)測區(qū)，共在井下安裝27 個微震監(jiān)測臺站，在3102 工作面和3104 工作面的地面分別安裝1 臺ARP 地面微震監(jiān)測系統(tǒng)臺站，井上下微震聯(lián)合監(jiān)測臺網、地面ARP 臺站。

現(xiàn)場監(jiān)測期間，地面監(jiān)控室為井上下微震聯(lián)合監(jiān)測系統(tǒng)的遠程控制中心，該系統(tǒng)采用高精度GPS衛(wèi)星同步控制，通過4G 無線信號將各ARP 監(jiān)測分站的數(shù)據(jù)實時傳輸至微震分析電腦，實現(xiàn)聯(lián)合監(jiān)測各臺站時間的一致性。井上下微震聯(lián)合監(jiān)測臺網微震事件分布圖如圖6。

圖6 井上下微震聯(lián)合監(jiān)測微震事件分布圖Fig.6 Micro-seismic events distribution diagram of joint monitoring of surface and underground micro-seismic monitoring

由圖1 井下微震監(jiān)測效果可知，井下臺網單獨定位時微震事件點均分布在煤層附近，微震活動無法準確煤層頂?shù)装甯鲗游粠r層的破裂狀態(tài)，無法為礦井沖擊地壓的防治層位提供有效指導。由圖6 可知，10 J 及以下的微震事件最高發(fā)育至煤層上方128 m 處的細砂巖中，但該巖層鮮有102J 及以上的微震事件；102J 及以上的微震事件主要分布在煤層上方80 m 范圍巖層內，該范圍內的巖層是易發(fā)生高能量微震事件。通過開展井上下微震聯(lián)合監(jiān)測現(xiàn)場實踐，能夠較好的確定不同能量級別的微震事件發(fā)生層位與高度范圍，依據(jù)高能量微震事件發(fā)生的層位，進一步分析揭示強烈能量釋放的主要巖層，為礦井沖擊地壓主要巖層控制提供有效指導。

應用井上下微震聯(lián)合監(jiān)測技術，門克慶煤礦分析了開采過程采空區(qū)“礦震”顯現(xiàn)的發(fā)生原因及發(fā)生層位，揭示了高位厚層頂板活動范圍，探索了堅硬頂板“中-高”位耦合預裂減震技術，開展了誘發(fā)礦震的厚層頂板控制工程實踐，即針對煤層上方100 m范圍內引發(fā)礦震頻發(fā)的40 m 的厚粗砂巖，增加了高位厚層堅硬頂板爆破預裂方案，在3102 回風巷布置1 組3 個鉆孔，最深孔115 m，垂深80 m，單組鉆孔起爆裝藥量達608 kg，與礦井采取的中位頂板爆破預裂方案聯(lián)合實施，實現(xiàn)了不同層位的頂板耦合控制，實踐表明，通過提前破斷煤層上覆中高位巖層，有效控制了礦震的發(fā)生。

3.2 在紅慶河煤礦的應用

紅慶河煤礦近水平單一煤層開采，ARAMIS M/E井下微震監(jiān)測系統(tǒng)臺站z 坐標高差小，造成井下微震監(jiān)測系統(tǒng)在揭示高位巖層活動方面效果不理想，為了提升微震監(jiān)測臺網z 方向坐標高差，在地面共安裝了5 個ARP 2000 P/E 地面微震監(jiān)測系統(tǒng)臺站，其中A1 臺站布置在三采區(qū)，A2 臺站布置在一采區(qū)3-1105 工作面切眼附近，A3 臺站位于3-1105 工作面中部附近，A4 臺站位于3-1403 工作面中部，A5臺站位于工業(yè)廣場，與ARAMIS M/E 井下微震監(jiān)測系統(tǒng)聯(lián)合，形成了井上下微震聯(lián)合監(jiān)測臺網。

井上下微震聯(lián)合監(jiān)測表明，煤層頂板上方第1區(qū)域（84～190 m）巖層以小能量事件發(fā)生為主，表明巖層破裂發(fā)展高度達到190 m；104J 及以上微震事件主要發(fā)生在煤層頂板上方第2 區(qū)域（23～84 m）的厚層中粒砂巖巖層，該巖層屬于厚層難垮頂板，通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，期間引起現(xiàn)場劇烈能量釋放主要發(fā)生該巖層中，尤其以40.5～84 m 高度的巖層能量釋放最為劇烈，從而得到該區(qū)域厚層中粒砂巖是造成工作面沖擊致災的主要巖層，對沖擊危險具有主要的控制作用，即將此巖層作為目標巖層；102J 及以下微震事件主要分布在煤層頂板上方第3 區(qū)域（0～23 m）。沖擊地壓主控巖層確定應用效果如圖7。

圖7 沖擊地壓主控巖層確定應用效果Fig.7 Determination and application effect of rockburst main control strata

由圖7 可知，大能量事件主要發(fā)生在煤層頂板上方23～84 m 范圍內的中粒砂巖巖層，該巖層屬于厚層難垮頂板，通過實際的回采過程監(jiān)測可知，引起現(xiàn)場劇烈能量釋放的區(qū)域主要發(fā)生在中粒砂巖巖層中，尤其以煤層頂板上方40.5～84 m 區(qū)域內的巖層能量釋放最為劇烈。綜上表明，該區(qū)域的厚層中粒砂巖是引起工作面沖擊致災的主要巖層，對沖擊危險具有主要的控制作用。

通過應用井上下微震聯(lián)合監(jiān)測，提高了垂直方向的定位精度，有效揭示了高位厚層頂板的沖擊致災巖層，不僅解決了長期以來困擾紅慶河煤礦高位頂板是否致災的主要難題，也為紅慶河煤礦沖擊地壓高位厚層頂板防控提供了依據(jù)。

4 結 語

1）基于垂直最大空隙角θ 分析，當僅在井下同一層位的煤層中布置微震臺站時，垂直最大孔隙角θ1＞180°，臺站均位于震源一側，稱之為“垂直高差效應”，造成水平煤層、近水平煤層、急傾斜水平分段布置煤層震源垂直定位誤差較大。

2）井上下聯(lián)合微震監(jiān)測技術以ARAMIS M/E微震監(jiān)測系統(tǒng)為基礎，引進了ARP 專用井上微震拾震器，形成井上下聯(lián)合監(jiān)測臺網，有效提高微震監(jiān)測垂直定位精度。

3）門克慶煤礦應用井上下微震聯(lián)合監(jiān)測技術，揭示了誘發(fā)礦震的巖層層位與高度，提升了礦井解決礦震頻發(fā)的技術水平以及采取措施的針對性；紅慶河煤礦應用此微震聯(lián)合監(jiān)測技術，確定了沖擊致災主控巖層層位與高度，揭示了高位頂板沖擊致災性，應用效果良好。