唐家会煤矿水害预警微震监测系统的建立及应用.pdf

煤炭与化工 Co al and Chemical Industry 第43卷第5期 2020年5月 Vo l.43 No .5 May 2020 地测与水害防治 唐家会煤矿水害预警微震监测系统的建立及应用 疏义国1,孔皖军2 1.淮矿西部煤矿投资管理有限公司，内蒙古鄂尔多斯017000 ； 2.鄂尔多斯市华兴能源有限责任公司，内蒙古鄂尔多斯017000 摘要为了加强唐家会矿巨厚煤层带压开采条件下的底板水害监测，发挥微震大范围实时 监测优势，构建唐家会深部矿井微震监测系统，采用敲击实验表明微震监测系统的定位误差 小于6mo构建61303 X作面突水预警模型，对回采期间微震事件空间分布、时间、能量特征 进行分析，研究采矿活动与微震监测之间的关系。结果表明，监测期内回采工作面微震活动 主要分为活跃期和平静期，且微震事件集中在采煤作业时段，受采动影响明显，多为煤层底 板浅部弱能量事件，无突水风险。 关键词底板水害；微震监测；突水预警；弱能量事件 中图分类号TD74 文献标识码A 文章编号2095-5979 2020 05-0046-05 Establishment and application of micro-seismic monitoring system for water disaster warning in Tangjiahui Mine Shu Yig uo1, Ko ng Wanjun2 Huainan Invest ment Management Corporat ion Lt d., Ordos 017000, C/iina; Ordos HuaxingEnergy Corporat ion Lt d.,Ordos 017000, C/iina Abstract In o rder to streng then the mo nito ring o f f lo o r w ater damag e under the co nditio n o f mining w ith pressure in the thick co al seam o f Tang jiahui Mine and g ive f ull play to the advantag es o f microseismic real-time mo nito ring in a larg e rang e, a microseismic mo nito ring system f o r deep co al mine o f Tang jiahui Mine w as co nstructed. The percussio n ex periment sho w ed that the po sitio ning erro r o f micro -seismic mo nito ring system w as less than 6 m.The w ater inrush early w arning mo del o f 61303 w o rking f ace w as co nstructed to analyze the spatial distributio n, time and energ y characteristics o f micro -seismic events during mining , and to study the relatio nship betw een mining activities and micro -seismic mo nito ring . The results sho w ed that the micro -seismic activities in the mining f ace during the mo nito ring perio d w ere mainly divided into active and static perio d, and the microseismic events w ere co ncentrated in the mining o peratio n perio d, w hich w ere o bvio usly af f ected by mining , mo st o f them w ere w eak energ y events in the shallo w part o f the co al seam f lo o r, w itho ut w ater inrush risk. Key w o rds f lo o r w ater damag e; micro -seismic mo nito ring ; early w arning o f w ater inrush; 1概 况 微震监测技术是近年来发展起来的_种新的物 探技术，通过在煤矿井下提前埋设的高灵敏度检波 器监测、接收岩石破裂产生的微小震动信号，采取 专门软件将这些信息解码为有效的微震信号，通过 对微震事件发生的时间、位置、频度、能量等分 析，进行时空定位和震源机制研究叭 国外微震监测系统主要有加拿大ESG、南非 ISS和澳大利亚IMS等3种微震监测系统叫 其中， 责任编辑张 彤 DOI ki.cci.2020.05.013 作者简介疏义国1966,男，安徽安庆人，高级工程师。 引用格式疏义国，孔皖军唐家会煤矿水害预警微震监测系统的建立及应用[J].煤炭与化工，2020 , 43 5 46-50. 46 疏义国等唐家会煤矿水害预警微震监测系统的建立及应用2020年第5期 ESG微震监测系统由加拿大工程地震公司（ Eng ineering Seismo lo g y Gro up ）生产，在全球已应用 200余套，覆盖多个领域，煤炭系统主要用于煤矿 动力灾害监测预警方面％我国微震设备与监测技 术研发、应用方面近年来已取得显著成果。姜福兴 教授采用自主研发的微震设备，提出内、外场震源 定位方法，对地质构造的活化规律、顶底板破坏深 度等进行监测，为合理确定煤柱尺寸提供依据性 唐春安教授研究了大帷幕区域内外较大的水力梯度 和开采活动对张马屯铁矿帷幕区域稳定性的影响， 根据微震定位事件的分布规律，划分危险区域，预 测发生突水的可能位置气潘一山研制出了国内首 套具有自主知识产权的矿区千米尺度破坏性矿震监 测定位系统，对未来矿震发生趋势进行预测冏。唐 家会水害微震监测系统应用在蒙西矿区尚属首次。 唐家会煤矿主采华北型石炭二叠系6号煤，煤 层厚度平均17 m,隔水层平均厚度54.78 m,突水 系数为0.022 -0.043 MPa/m,煤层底板承受奥灰水 压力约为1.5 MPa,为带压开采煤层，受底板奥灰 水的威胁较大，存在突水风险。因此，利用微震监 测技术实时、连续、全空间动态监测特点，对带压 开采工作面回采过程中突水危险地段进行探査、评 价十分必要。 2微震监测系统的构建 唐家会煤矿61303工作面长1 827 m,宽240 m,采用综采放顶煤方法回采。工作面监测范围 广、巨厚煤层且隔水层薄，采用河北煤炭科学研究 院有限公司生产的设备，对工作面全域导水陷落 柱、导水断层或裂隙发育薄弱带进行监测预警。 微震监测系统由地面和井下两部分组成。地面 部分包括主服务器、处理软件、数据转换器等，井 下部分包括检波器、采集分站及数据传输线等。将 所有微震检波器用电缆连接到井下微震采集分站, 形成一个完整的监测单元。井下采集分站通过光纤 与矿井环网相连，将监测数据实时传输到地面主服 务器进行分析、处理。 为确保监测效果，避免线性和扁平式布置，结 合唐家会煤矿现有巷道系统，井下微震检波器优先 采用全包围式布设，如图1所示，共计布置检波器 28个，监测分站4个，检波器间距100 - 150 mo 现场施工校正，通过计算敲击点坐标与每个检波器 的距离和波形的初至时间，拟合每个距离和时差的 绝对值，得到了 61303工作面的均匀速度为2 745 m/s,校正定位误差为6 m,微震系统定位精度满足 指导现场工程需要。 图1唐家会矿61303工作面微震监测阵列布置 Fig . 1 Arrang ement o f micro -seismic mo nito ring array o n 61303 w o rking f ace o f Tang jiahui Mine 3有效信号定位与分析 3.1事件定位原理 微震监测中事件定位是微震研究中最基本的问 题之一，准确定位是进一步研究微震活动规律、震 源几何形态，震源分析等问题的重要前提条件。目 前，矿山微震定位方法主要运用天然地震定位方法 来实现，高效的定位方法和准确定位精度一宜是地 震学科研究中的一个重要课题，地震学家通过不断 改进或提出新的定位方法，以期得到更高的地震定 位精度。微震算法定位精度倍受关注，当观测系统 一定时，微震事件的定位精度与定位算法密切相 关。微震定位是根据检波器阵列接收到的监测数 据，来确定震源发震点的空间坐标、发震时刻。 微震定位可以归结为非线性规划问题（NLP 问题），若NLP问题有最优解，必可在某个极点上 达到，即某个基本可行解上取得最优解。实质上， 单纯形法就是根据微震到达检波器的时间差来反推 出震源的具体地点，从而确定其空间位置。此方程 为非线性系统，直接求解将非常困难，这就需要寻 找一线性系统来代替此非线性系统叫 假设m是收 到信号的检波器个数，（％, y, z, t）是震源的 时空参数，用第i i个测点的走时方程减去第k k个测 点的走时方程可得到线性系统 47 2020年第5期 煤炭与化工 第43卷 （宀/） （畑2） GS） -V- 通过i和k的不同组合可以产生77i（ m-1 ）/2个 线性方程，其中只有m-1个线性独立的方程。要 求解由以上独立方程组成的方程组，必须有3个以 上独立方程，也就是说至少需要4个检波器来接收 同一信号。 从微震震源定位的示意和方程原理可知，影响 定位精度的参数有检波器的数量，也就是方程的维 数,对应这类超定方程组的求解，不是方程组维数 越大求解精度越好，选择参与定位的检波器的数量 非常重要。另外，影响微震定位的因素还有初至时 刻和波速模型。 在岩体开挖过程中及受到施工扰动后，岩体的 稳定性可以通过岩体本身发射的弹性波进行有效监 测。微震是与岩石的力学现象密切相关的，岩石类 材料在外界应力作用下产生形变，当能量积聚到某 临界值时，就伴随有弹性波或应力波在周围岩体 快速释放和传播，该微震现象产生的微破裂信号通 过精密仪器拾取放大和过滤，经过软件计算和分析 最终确定微破裂岩体所发生的位置和大量与岩石破 坏相关的信息，根据岩石破裂时的时空分布规律可 以推断其宏观破裂的发展趋势，判断潜在的灾害活 动规律，从而为灾害风险提供预警预报。 研究新的微震信号提取和初至拾取算法，方差 ACI-STA/LTA-FC模型算法，提高了微震有效信号 识别率和初至拾取的精度，为高精度非线性微震定 位算法奠定基础，提高定位精度。 研究克服校正炮速度模型存在的空间局限性和 药量不足信号差的缺陷，提出了基于孔约束的三维 地震速度建模与校正炮速度模型反演监测区域速度 的方法，为微震定位算法提供了更加准确的速度模 型，提高了算法收敛速度和定位精度。 3.2初至拾取原理 长短时平均法（STA/LTA）自动识别微震事 件和判定初动，是目前检测微震事件最常用的一种 方法，属于时间域的微震震相识别方法叫长短时 窗比方法因其计算简单、费时短、在实时系统中有 其应用价值，可以较快的判定初动，适合实时预警 系统，缺点是信噪比较低，或初动不明显时，效果 较差。长短时窗比方法被广泛地应用于弹性波的初 动识别，其原理为用STA （信号短时平均值）和 LTA （信号长时平均值）之比来反映信号水平或 能量的变化，当信号到达时，STA要比LTA变化 的快，相应的STA/LTA值会有一个明显的增加， 当其比值大于某一个阈值时，此点被判定为初动。 （诸-九2） 2x（Xj-Xi） 2y （/,-/） 2z （z.-zO -2tv2 （,-*）（1） 它既可判断有无微震信号，又可检测震相到时。 长短时平均比是短时间窗内的平均值与长时间 窗内的平均值之间的比值，而判断有无微震信号的 判据是R值是否大于预先设定的阈值，长、短窗 内的x（i）和y（j）是选择了振幅的绝对值，长短时窗口 内参数选用振幅的绝对值计算量小且运算简单。如 果通道的长短比值丘大于设定阈值，那么该通道 满足触发条件，同时，通道的触发票数也大于设定 的触发票数，系统便触发开始记录。 3.3突水预警模型 利用微震监测系统，采用煤矿突水井下全空间 实时连续监测方法，对煤层下覆奥灰含水层突水和 隐伏陷落柱、断层、裂隙带等导水通道突水进行监 测预警。 （1） 将一组微震检波器布置在煤矿井下采掘 工作面或构造薄弱带附近，对监测区内一定时段内 所有微震事件进行全空间实时连续监测O （2） 将监测区内微震事件按照时、空序列分 别进行描述，空间上按照水源层一隔水层卡掘工 作面顺序自下而上进行描述，时间上按照先后顺序 描述，分别绘制不同时段、不同层位微震事件平面 分布图和微震事件空间分布剖面图。 （3） 对水源层内微震事件密集分布区作潜伏 期（地下水活跃期）蓝色预警，将隔水层内微震事 件密集分布区作发展期（突水通道形成期）黄色 预警，将采掘工作面微震事件密集分布区作突出期 （突水发生期）红色预警。潜伏期内微震事件监 测、预警周期约为1周，发展期监测、预警周期约 为l2d,突出期监测、预警周期为约1 2h。 据此模型可实现对煤矿突水时间、突水点位 置、突水类型（如隐伏陷落柱、断层、裂隙带突 水等）全空间实时连续监测预警。 4工作面微震事件特征分析 唐家会矿61303工作面微震监测自2018年12 月14日数据传输调试成功开始，截止到2020年1 月18日工作面停采及撤架结束，共385d （有效监 测日356 d）,回采监测期间微震事件共计70 934 个，日均200个。 61303工作面微震事件日变化情况如图2所 示，系统运行状况良好，信号连续，无长时间数据 中断。 根据监测期间微震事件整体变化大致分为两个 阶段。 48 疏义国等唐家会煤矿水害预警微震监测系统的建立及应用2020年第5期 第一阶段2018.11.23-2019.3.31 为微震活 跃期，该阶段内微震事件呈波动上升状态，出现突 增现象。2018年12月17日事件数量增加317个， 形成第一个高峰。该阶段内工作面总涌水量44 52m3/h,回风顺槽涌水量1620m3/h,高于运输 顺槽。期间总涌水量逐渐增大至60〜90 m3/h。 第二阶段2019.4.1 2019.12.12为微震平 静期，事件数量整体偏低，波动较小。进入4月之 后事件100个/d左右，期间数量一直维持在平均 水平。该阶段应力重新分布平衡，超前应力影响逐 步趋弱，无水流出，回风顺槽涌水量维持在130 m3/h左右，微震事件数量处于较低水平，整体呈 下降趋势。 从微震事件数量变化来看，在工作面的采动过 程中，采场围岩应力分布符合动态变化规律，当岩 体内部应力集中程度和能量积聚增大，在应力平衡 能量释放的过程中，裂隙扩展贯通，产生微破裂事 件，应力释放后事件不断减少。 图2回采期微震事件统计 Fig . 2 Statistics o f microseismic events in reco very mining 5时间、能量分布特征分析 5.1时间分布特征 当微震事件在单位时间内发生频率较大时，表 明该时间段的采动破坏、地下水运动加剧，需警 示。回采期间每日微震事件24 h发育如图3所示。 2300 0000 0100 2200 0200 1400 1000 1300 12*00 1100 图3微震事件24 h发育 Fig . 3 Develo pment o f micro -seismic events at 24 h 从图3中可以看出，整个监测周期内，事件呈 波动下降的态势，符合矿压动态分布规律。从24h 发育图中可以看出，微震事件优势发育时间段为 2200 次日1600,在时间段1700 2100事件发 生最少。分析认为，事件密集时段与作业班工作时 间吻合，表明回采产生的震动对微震影响较为 明显。 值得注意的是，夜班期间微震事件偏多，而且 此时段作业人员往往会工作精力不集中，容易抢任 务忽视安全，应加强现场安全管理。 5.2能量分布特征 微震事件是岩体应力达到某个极限水平产生的 非弹性变形过程，当微震事件产生时，震源的岩体 应力将会下降并释放弹性变形能。除时间和空间位 置外，可以通过微震活动的强度、时空等特征对潜 在危险进行预警。研究微震动力学属性，根据地震 动力学参数地震能量和地震矩等参数，分析突水通 道形成过程中诱发小能量有效事件，作为突水通道 萌发、扩展、形成分析的定量指标参数。 地震是由于地壳断层的剪切滑移引起的，地震 49 2020年第5期 煤炭与化工 第43卷 模型符合双力偶震源模型，用地震矩M作为地震 大小的度量。地震能量是在岩体断裂和滑移期间由 于弹性应变能转变成非弹性应变能引起的。在矿山 微震研究中，地震能量作为微震事件强度的_种表 示方法。一次岩石微破裂事件，岩体断裂和滑移所 释放的应变能量ET是地震弹性波、热能、地震波 在传递过程中形成的微结构破坏所消耗的能量的 总和。 监测期内工作面大能量事件共788个,占事件 总数1.1,微弱事件56 321个，占79.4,见表 1,表明回采期内顶底板能量释放相对稳定。如图 4所示，工作面大能量事件呈扩散分布，且工作面 顶板大能量事件多于底板。 表1大能量事件统计 Table 1 Statistics o f big energ y events 数量级事件个数占比 10M06 7881.1 10M04 13 83219.5 10256 32179.4 20400 518400 518000 517600517200 516800 516400 516000 515600 515200 } 1 I , I , | f | 」丄⑷0 v20800 21200y 21200 21600 J 22000 \ 22400 800 600 600 518400 518000 517600 517200 516800 516400 515600 516000 515200 图4大能量事件空间位置示意 Fig . 4 Spatial lo catio n o f big energ y events 6结论 1实践证明，唐家会矿61303工作面微震 监测布置满足其在回采期间对工作面隐伏导水构造 监测的要求，对微震监测目标区域的破裂震源进行 了定位分析，达到了预警监测的范围要求，效果 显著。 2 在工作面采宽为240 m,采高4 m,周边 均为实体煤和直接顶冒落后立即充满采空区的开采 条件下，工作面正常推进期间，微震活动主要分为 活跃期和平静期。微震活跃期内事件数量变化幅度 大,工作面涌水量逐渐增加，进入平静期后事件数 量变化波动小，涌水量减少。 3回采工作面微震事件集中在作业时段， 受采动影响明显，多为煤层底板浅部弱能量事件, 无深部含水层导水通道形成。 参考文献 [1 ] K. 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