魏煥偉，陳 洋，2，韓 飛，張 坤

(1.山東能源集團有限公司 沖擊地壓防治研究中心，山東 濟南 250014；2.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083；3.巴彥高勒煤礦 沖擊地壓防治辦公室，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017312)

微震監(jiān)測技術(shù)作為一種沖擊危險區(qū)域監(jiān)測手段，可實時監(jiān)測礦區(qū)范圍內(nèi)煤巖體微震活動，通過定位震源位置、反演傳播時間和評估釋放能量，結(jié)合礦井地質(zhì)和開采技術(shù)條件，對采掘工作面的覆巖空間結(jié)構(gòu)演化和應(yīng)力場特征進行研判，實現(xiàn)對沖擊地壓危險的評價和預(yù)警[1-7]。

竇林名等[8，9]使用CS18VLF低頻振動系統(tǒng)，采用比較法，開展了新舊DLM型礦震傳感器檢驗試驗，提出了頻率誤差、幅值誤差及幅值線性度檢驗指標(biāo)；辛崇偉等[10]構(gòu)建了礦內(nèi)-礦間微震監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了兩套礦內(nèi)微震監(jiān)測協(xié)同的時間同步，在義馬煤田開展工程實踐；杜濤濤[11]分析了微震定位誤差的“垂直高差效應(yīng)”，增加井上拾振器以增大z坐標(biāo)差距，可有效提高微震垂直定位精度；徐剛等[12]對不同高差條件下微震臺網(wǎng)進行仿真模擬和工程示范，結(jié)果表明井上下聯(lián)合監(jiān)測系統(tǒng)對3次方及以上事件監(jiān)測結(jié)果最佳；朱亞東洋等[13]采用地面布置采集儀+監(jiān)測井布置井中儀器的聯(lián)合監(jiān)測方法，對水力壓裂效果進行評價；王元杰等[14]分析了井上下微震監(jiān)測結(jié)果在垂直方向的空間分布特征和數(shù)量特征，驗證了跟導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的關(guān)系；閆文超[15]、段建華[16-18]開展井-孔聯(lián)合微震監(jiān)測技術(shù)的研究與示范，驗證了井-孔聯(lián)合微震監(jiān)測技術(shù)可監(jiān)測底板破壞深度和頂板裂隙發(fā)育高度。

目前，大多數(shù)沖擊地壓礦井引進的微震監(jiān)測系統(tǒng)傳感器均布置于井下生產(chǎn)空間，在單一、近水平的煤層情況下，受生產(chǎn)空間布局限制，傳感器之間垂直落差較小，導(dǎo)致近水平煤層覆巖破裂微震監(jiān)測存在垂直方向定位精度誤差大的局限。鑒于此，巴彥高勒煤礦開展井上聯(lián)合微震監(jiān)測技術(shù)研究并開展工業(yè)性試驗，并對監(jiān)測效果進行評價，為類似條件礦井建立健全微震立體監(jiān)測技術(shù)體系提供指導(dǎo)和借鑒。

1 工程背景

巴彥高勒煤礦行政隸屬于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市烏審旗烏蘭陶勒蓋鎮(zhèn)，井田位于東勝煤田西南深部區(qū)、呼吉爾特礦區(qū)東南部。井田開拓采用立井方式，首采煤層是3-1煤層，3-1煤層及頂?shù)装宓臎_擊傾向性鑒定結(jié)果均為弱沖擊，煤層厚度3.09～7.00 m，平均5.51 m，總體向北西西傾斜，傾角1°～5°，很少波狀起伏，3-1煤層埋深585～675 m。

隨著11盤區(qū)工作面持續(xù)開采，回風(fēng)巷道出現(xiàn)底鼓、鼓幫現(xiàn)象，發(fā)生大能量微震事件時地面有輕微震感。根據(jù)礦井地質(zhì)勘探資料，3-1煤層上覆多層堅硬巨厚砂巖，隨著開采區(qū)域范圍增大，存在厚硬巖層破斷誘發(fā)大能量微震的風(fēng)險，為礦井安全高效生產(chǎn)和災(zāi)害防治帶來了不確定因素。受限于臺站近平面布置方式和軟件算法，傳統(tǒng)的ARAMIS M/E井下微震監(jiān)測系統(tǒng)(簡稱ARAMIS M/E系統(tǒng))微震事件垂直方向定位精度低，無法滿足現(xiàn)階段對上覆巖層運動精準(zhǔn)監(jiān)控的要求。為進一步探究上覆巖層破斷層位和運移規(guī)律，為深孔爆破斷頂、頂板水力壓裂等措施的防沖措施完善效果檢驗方法，巴彥高勒煤礦新引進一套ARP 2000P/E地面微震監(jiān)測系統(tǒng)(簡稱ARP系統(tǒng))，聯(lián)合ARAMIS M/E系統(tǒng)組建微震井上下聯(lián)合監(jiān)測系統(tǒng)。

2 井上下微震聯(lián)合監(jiān)測技術(shù)

微震震源參數(shù)測定的準(zhǔn)確性是合理分析覆巖空間結(jié)構(gòu)運移和支承壓力演化的基礎(chǔ)，鑒于此，精準(zhǔn)測定微震事件的震源位置成為構(gòu)建微震臺網(wǎng)的第一要務(wù)。然而，微震事件定位的精準(zhǔn)性影響因素眾多，優(yōu)化微震臺站布置是現(xiàn)實中最容易實現(xiàn)的手段。微震臺網(wǎng)定位精度的評價以及基于評價結(jié)論對微震臺網(wǎng)進行優(yōu)化布置就是一個首要的問題。

2.1 監(jiān)測原理

受煤礦開采工況限制，現(xiàn)有微震監(jiān)測傳感器均布設(shè)于井下，當(dāng)煤層傾角較小時，井下傳感器不可避免地處于同一水平面，高程差很小，致使微震傳感器無法構(gòu)建立體監(jiān)控空間[6]。為提高單一近水平煤層微震垂向定位的精度，擬在地面布置微震地面監(jiān)測分站，結(jié)合原有的井下微震監(jiān)測系統(tǒng)，組建煤礦井上下聯(lián)合微震監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 聯(lián)合微震監(jiān)測系統(tǒng)

2.2 井下微震監(jiān)測系統(tǒng)

ARAMIS M/E系統(tǒng)是利用各拾震器接收到同一震動波過程中存在的時間差，在特定的波速場下對震源位置進行定位能量計算，對區(qū)域范圍的微震事件進行實時監(jiān)測，確定微震事件震源位置；利用震相持續(xù)時間計算微震事件發(fā)生過程中釋放的能量，為評價全礦范圍內(nèi)的沖擊地壓危險提供依據(jù)。

ARAMIS M/E系統(tǒng)由5部分組成：SP/DTSS地面中心站、井下分站、ARAMIS_REJ數(shù)據(jù)記錄服務(wù)器、數(shù)據(jù)處理計算機和UPS備用電源，如圖2所示。

圖2 ARAMIS M/E系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)組成

2.3 地面微震監(jiān)測系統(tǒng)組成及特點

ARP系統(tǒng)是波蘭EMAG公司研發(fā)的一種獨立的數(shù)字遙控系統(tǒng)，采用加速探測器或電子地震檢波器，可記錄和分析地殼或建筑物低頻振動的速度和加速度；通過無線的全球移動通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)?，人造衛(wèi)星上的GPS時鐘使得數(shù)據(jù)分站能夠保證非常精確的時間同步。相較于井下微震監(jiān)測系統(tǒng)，ARP系統(tǒng)采用GSM移動網(wǎng)絡(luò)進行無線傳輸，明顯減少了通信電纜敷設(shè)等工作量。系統(tǒng)各臺站能夠獨立運行，可根據(jù)實際需求自由增減和挪移臺站。系統(tǒng)監(jiān)控主機可以安裝專門軟件，通過過濾、將加速度轉(zhuǎn)化為速度等方法來實現(xiàn)多方面自動評價震動的負面影響。

ARP系統(tǒng)由主站部分和目標(biāo)部分組成。主站部分位于地面監(jiān)控中心，配備一臺裝備有GSM調(diào)制解調(diào)器的主機電腦，調(diào)制解調(diào)器通過檢測數(shù)據(jù)集中器可以實現(xiàn)雙向數(shù)字無線通訊，用于數(shù)據(jù)歸檔、可視化和預(yù)處理的軟件，軟件安裝在主機電腦內(nèi)。目標(biāo)部分是CZP3X傳感器和/或裝有SPI～70型拾振器的SN/ARP數(shù)據(jù)發(fā)射臺站，如圖3所示。

圖3 ARP系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.4 井上下聯(lián)合微震監(jiān)測方案

ARP系統(tǒng)地面臺站與ARAMIS M/E系統(tǒng)井下臺站監(jiān)測數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星GPS時鐘授時實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步，通過雙系統(tǒng)軟件實現(xiàn)井上下數(shù)據(jù)聯(lián)合監(jiān)測、協(xié)同分析，井上下聯(lián)合監(jiān)測微震臺網(wǎng)布置如圖4所示。

圖4 微震聯(lián)合監(jiān)測設(shè)備布置

井上下聯(lián)合監(jiān)測系統(tǒng)以ARAMIS M/E系統(tǒng)為基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)處理流程：ARP系統(tǒng)監(jiān)測臺站監(jiān)測到震動波數(shù)據(jù)→傳送至ARP軟件→ARP軟件的預(yù)處理并保存數(shù)據(jù)；ARAMIS M/E系統(tǒng)調(diào)取ARP軟件震動波數(shù)據(jù)參與微震事件定位計算。微震聯(lián)合監(jiān)測流程如圖5所示。

圖5 微震聯(lián)合監(jiān)測流程

3 井上下微震聯(lián)合監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用

為方便現(xiàn)場調(diào)試，礦井將ARP系統(tǒng)臺站安裝在工業(yè)廣場，聯(lián)合ARAMIS M/E系統(tǒng)井下臺站對3111盤區(qū)開采區(qū)域組建立體監(jiān)測臺網(wǎng)。

3.1 地面微震監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)閥值

隨機選取1個ARAMIS M/E系統(tǒng)拾震器并設(shè)置與井下在用拾震器參數(shù)一致，布置在地面進行監(jiān)測，用于兩種系統(tǒng)地面監(jiān)測效果的對比分析。通過現(xiàn)場實測，發(fā)現(xiàn)ARAMIS M/E系統(tǒng)地面拾震器監(jiān)測到的波形振幅非常大、規(guī)律性差，即使發(fā)生能量級為1.0×104J微震事件，只能在大振幅的波形下出現(xiàn)小起伏，不易準(zhǔn)確識別波形變化的起始位置，無法實現(xiàn)準(zhǔn)確定位，如圖6所示。推斷可能是震動波自頂板巖層向地面?zhèn)鞑ヂ窂綖榇觽鞑?，尤其是表土層傳遞震動波能力非常弱，震動波中的高頻波被大量損耗，僅留下頻率很低的震動波。

圖6 地面拾震器與井下拾震器波形對比

為保證監(jiān)測的有效性，ARAMIS M/E系統(tǒng)傳統(tǒng)拾震器不再作為正常通道納入數(shù)據(jù)分析，僅作為ARP系統(tǒng)地面臺站應(yīng)用效果的對比參考。ARP系統(tǒng)地面臺站參與分析事件平面圖如圖7所示。

圖7 ARP系統(tǒng)地面臺站參與分析事件平面圖

3.2 定位坐標(biāo)對比分析

實測發(fā)現(xiàn)，ARP系統(tǒng)地面監(jiān)測臺站接收的能量104J以上微震事件定位效果較好，而大多數(shù)103J以下小能量微震事件的波形起伏較小、起止位置不明確、不能有效參與事件合并分析。因此將ARP系統(tǒng)地面監(jiān)測臺站參與分析的微震事件能量臨界值定為103J。2017年8月至2018年3月共監(jiān)測到14個波形清晰的微震事件，現(xiàn)主要對該段時期微震事件進行統(tǒng)計分析，兩種方法監(jiān)測微震事件定位標(biāo)高對比如圖8所示。

圖8 兩種方法監(jiān)測微震事件定位標(biāo)高對比

分析可得：聯(lián)合監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到的微震事件層位普遍比傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)高，高程差11.0～60.0 m/35.2 m，均方差13.3 m，約占高程差均值的37.8%；兩種微震監(jiān)測方法監(jiān)測到的微震事件標(biāo)高表現(xiàn)出較好的一致性，說明以ARAMIS M/E系統(tǒng)為主、ARP系統(tǒng)為輔的井上下聯(lián)合監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建思路基本符合工程實際；井上下聯(lián)合監(jiān)測到的微震事件定位標(biāo)高跟能量的關(guān)聯(lián)性不明顯，初步推斷跟樣本數(shù)量過少有關(guān)。

3.3 層位分析

3.3.1 311103工作面事件層位分析

根據(jù)311103工作面附近BJ10地質(zhì)鉆孔揭露，煤層上方賦存三層厚度超過10 m的砂巖，可能是誘發(fā)礦井大能量微震事件的力源對象。

依據(jù)煤層頂板巖性進行微震事件層位分析，未使用ARP系統(tǒng)地面臺站時的微震事件主要分布在煤層上下10 m以內(nèi)的范圍，與頂板巖層斷裂運動的認知嚴(yán)重不符，如圖9(a)所示。

圖9 311103工作面兩種微震監(jiān)測系統(tǒng)定位結(jié)果對比(m)

聯(lián)合微震監(jiān)測系統(tǒng)的事件定位結(jié)果均分布在砂巖中，104J大能量微震事件主要分布在厚度超過10 m的細粒砂巖和中粒砂巖，如圖9(b)所示。事件7的定位層位與其他事件不同，該事件位于層位更高更厚的粗粒砂巖內(nèi)，主要是由于該事件發(fā)生于工作面后方763 m處的煤柱處(圖7)，在工作面回采后該處的直接頂已經(jīng)垮落，而上層的粗粒砂巖受煤柱支撐作用，保持臨時穩(wěn)定狀態(tài)，在工作面繼續(xù)推采一定時間后發(fā)生斷裂。

3.3.2 311201工作面事件層位分析

12—14號事件位于311201工作面回風(fēng)巷附近，距離BJ12地質(zhì)鉆孔較近，根據(jù)BJ12鉆孔揭露可知，該處煤層頂板表現(xiàn)為砂質(zhì)泥巖和中粒砂巖或細粒砂巖的互層，中粒砂巖和細砂巖的厚度均超過10 m，與311103工作面面BJ10鉆孔的巖性分布差別較大。

11201工作面兩種微震監(jiān)測系統(tǒng)定位結(jié)果對比如圖10所示，可見定位結(jié)果分布在煤層上下10 m以內(nèi)的范圍，未能揭示出頂板巖層的斷裂情況。311201工作面的3個能級為104J大能量事件主要分布在厚度超過10 m的細粒砂巖和中粒砂巖中。綜上所述，增加ARP系統(tǒng)地面臺站后微震事件在垂直方向的定位結(jié)果更加符合現(xiàn)場實際。

圖10 311201工作面兩種微震監(jiān)測系統(tǒng)定位結(jié)果對比(m)

4 結(jié) 論

1)受限于井下臺站布置近水平布置形式，傳統(tǒng)微震監(jiān)測系統(tǒng)微震事件在垂直方向上主要分布在煤層上下約10 m范圍內(nèi)，對發(fā)生斷裂的覆巖層位定位效果較差。

2)ARP系統(tǒng)地面監(jiān)測臺站對井下微震事件進行有效監(jiān)測的能量臨界值應(yīng)為1.0×103J，對1.0×104J以上微震事件定位結(jié)果更佳。

3)井上下微震聯(lián)合監(jiān)測的水平方向定位差值為3.0～18.4 m/10.1m，方差6.0 m；垂直方向定位差值為11.0～52.0 m/35.2 m，方差13.3 m；在平面位置并未出現(xiàn)較大變化的情況下，微震事件在垂直方向定位精度顯著改善。

4)ARP系統(tǒng)與ARAMIS M/E系統(tǒng)組成的井上下聯(lián)合監(jiān)測系統(tǒng)，能有效提升微震事件在垂直方向的定位精度，后續(xù)根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進一步優(yōu)化軟件算法和硬件性能。