微地震技術在煤礦安全監測方面的應用

發布日期：2015-04-21 16:07　　　 瀏覽次數：次

摘要： 微地震事件與煤礦井下的巖體破裂情況密切相關，而巖體破裂與采礦活動又有直接關系。對微地震監測可以發現巖體活動劇烈的區域，以合理指導開采，預防井下因采礦活動引起的冒頂，垮落等災害的發生。研制了井下微地震監測的儀器設備進行監測，根據初至波時間差方法進行了微地震事件的定位，并在此基礎上進行安全狀況的判斷。該方法和數值計算結合，對巖體的安全狀況可以做出更加合理的判斷�；�于此，該技術未來有很大的推廣價值。
關鍵詞： 微地震；井下監測；時差定位；安全判據
1 微地震與礦山巖體破裂
礦山采場及巷道圍巖破壞前后發生的微地震（Micro seismic, MS），屬于礦體圍巖系統在其力學平衡狀態被破壞并且釋放出大于消耗能量的瞬間震動。每次能量的突然釋放均伴隨應力平衡狀態的破壞，從物理破壞點(震源)向外傳播地震波，由于礦井微地震與圍巖破壞機制不同，因此儀器所記錄和測得的參數也不同。但是，它們同是能量釋放，因此巖體破壞與微地震之間必然存在一定的內在關系。倘若在礦區某一區域出現微地震現象，則只象征著有潛在的巖體破壞危險，它存在著較大的隨機性和復雜性。只有當巖體出現明顯破裂后，才被認為是巖體破壞失穩。巖體失穩破壞發生的內因是巖體承受的載荷超過其極限承載能力，而微地震是一個循序漸進的過程。因此，研究巖體壓縮破壞過程的微地震活動特征對于預報巖體破壞失穩、保證礦山安全生產具有重要意義。對安全問題的高度重視，要求礦井配備先進的自動安全監測系統，改變傳統的依靠人工測試、人工判斷預報的落后監測方法。目前相關研究已經逐步展開，正在成為研究的熱點問題之一。
1.1 微地震現象與礦山安全
研究微地震，目的是以此為手段，來判斷巖體的內在狀況，如微地震源的位置、性質和巖體破壞嚴重程度。所以震源的定位研究成為微地震監測重要的、不可缺少的組成部分。震源的定位方法有很多，對于煤礦開采過程中圍巖破壞的微地震定位，主要應用二維、三維的時差定位。時差定位是經過對各個微地震信號到達時間差、波速和檢波器間距等參數的測量及一定的算法運算，來確定震源。
在定位理論的指導下，國內外開發研制了很多微地震定位儀器設備。例如蔡美峰等把微地震監測技術應用于礦山監測中，對老虎臺煤礦進行的安全監測和預報[1]；澳大利亞聯邦科學與工業研究組織（CSIRO）也研制了Siroseis系統，用于微地震的監測和定位，取得了比較滿意的效果[2]。加拿大Mercer等采用統計方法和數值方法計算地應力，綜合分析微地震現象和安全的關系，為礦井設計服務[3，4]。
1.2 微地震信號的特點
微地震信號與天然地震類似，但是其能量要小得多。巖體中微地震波傳播規律的研究對于微破裂的準確定位具有重要意義。巖體含有許多節理、裂隙、斷層、夾層等缺陷，含水量也不同，所以微地震測量數據具有分散性。但是微地震信號的時域和頻域的波形一般具有相似性。
因為大量巖體內部缺陷的影響，會發生反射、折射和散射等復雜情況，信號也隨著傳播距離而衰減。影響衰減的因素很多，主要有：品質因子 Q，巖體內部缺陷的分布和數量，孔洞的分布和數量等。這些地質條件類似于一個天然的濾波器，通常這個濾波器會把高頻波過濾掉，低頻波通過。與天然地震類似，微地震振幅也隨距離逐步衰減，但是近距離衰減得快，遠距離衰減得慢一些。
1.3 檢波器布置的要求和方法
利用微地震進行礦山安全監測，根據具體情況井下微地震監測儀應滿足以下基本要求：
（1）鑒于井下工作環境，儀器體積不宜太大。
（2）采用高性能計算機進行數據采集和處理。
（3）防爆、防濕、防塵、防震。
（4）井上、井下數據通訊與計算機遙控。
根據上述要求，山東科技大學相關課題組自主專門設計開發了 Comise2002 煤礦井下微地震監測儀，其結構組成如圖 1 所示。該儀器結構簡單，操作靈巧方便，符合煤礦井下防爆安全要求。

                                                                               圖1    煤礦井下微地震監測儀的組成
                                                        Fig.1 Composition of MS monitoring instrument underground coal mine

另外，檢波器的布置應當考慮以下因素：
（1）與定位算法結合，檢波器的埋置須覆蓋整個監測范圍，使得計算過程收斂[5]；
（2）經濟、安全、高效，盡可能減少支出；
（3）可操作性強，由于檢波器是布置在鉆孔里面，所以鉆孔深度不能太大，特別是在井下操作、空間狹小里；
（4）應使布置點所受其他外界因素，如各種機械、管纜的干擾最小。
2 微地震事件定位及與采場覆巖破壞失穩
2.1 微地震時差定位原理
由于縱波 P 波的傳播速度較橫波 S 波快，且初至時間易于識別，所以采用 P 波定位。假定 P 波以常速度 V 傳播， xi , yi , zi , t i , t 分別是某檢波器點的坐標、記錄到的 P 波到達時刻和微地震的實際發生時刻，則微地震源與 m 個檢波器的走時關系是

（3）以矩陣表示

（3） m > n = 4 時是矛盾方程組，可以求得唯一極小范數最小二乘解

2.2 微地震監測系統布置及監測結果
采用山東科技大學自主研制的 Comise2002 煤礦井下微地震監測儀對華豐煤礦 1409、1609 和 1610工作面覆巖斷裂破壞進行監測。將觀測系統布置在 1609 中和 1610 中工作面停采線前后的 200m 范圍內，實施監測的工作面走向總長度約 400m。1409、1609 和 1610 工作面開采條件為：工作面傾斜長度為 150～200m，走向長 2000～2100m；煤層厚度為 6.0～7.3m，其中開采高度為 2.0m，放煤厚度為 4.0～5.3m；地面標高+110～130m。共布置 4 個傾斜鉆孔，在巷道內向上鉆進，鉆孔名分別稱為 A、B、C、D，其中 A、C、D 三個鉆孔的孔徑為 108mm，B 孔的孔徑為 98mm。每個鉆孔設計安裝三個三分量檢波器，間距 30m。為提高觀測效果及可靠性，沿巷道壁布置 3 串巷道檢波器，用于輔助定位，巷道檢波器直接固定在巷道壁上。
鉆孔及巷道檢波器平面位置見圖 2。
 
                                                                 圖2  華豐煤礦井下微地震監測系統布置圖
                                               Fig.2  Layout plan of MS monitoring system in Huafeng Colliery
井下監測從 2004 年 11 月 1 日開始，到 12 月 31 日結束，其間每天均記錄了大量有效的微地震事件，一般每天 50～200 個，典型的微地震事件見圖 3。

                                                       圖3  煤礦井下記錄的微地震事件
                                     Fig.3 Recorded MS event underground coal mine
根據線性方程定位原理輸入微地震監測的坐標和時差參數，可以得到相應的微地震事件的定位結果。

                                                              圖4 1409 工作面微地震事件的定位結果
                                              Fig.4  Location result of MS events in 1409 coal face
 
                                                            .圖5 1610 工作面微地震事件的定位結果
                                               Fig.5 Location result of MS events in 1610 coal face

3 采場覆巖破壞失穩的微地震預報
3.1 作為預報指標的微地震參數
一般認為，隨著時間的推移，微地震事件在空間越趨于集中，巖體破裂的危險性越大；反之如果微地震事件在空間趨于分散，則危險會越來越小�？梢杂孟旅� 3 個考慮時間因素[6]的微地震參數作為預報指標。
（1）MS 事件的距離差分。此參數用于衡量微地震事件的相互接近程度，按下式計算：

②同樣類似式（14），可得到微地震事件頻數 N 的 k 階差分。
③計算并且判斷差分結果是否有上升的趨勢。大多數情況下巖體破裂發生之前，微地震事件頻數會明顯增加。
3.2 微地震的安全預報
如果用 s 表示安全的度量，系數為 1 表示安全，0 表示破壞，則安全與距離、能量和頻數的關系可表示為
s = α / ∆d + β ⋅ ∆E + γ ⋅ ∆N（15）
α , β , γ 是權重系數，實際經驗證實，安全與能量釋放的關系更為密切，所以這里 α , β , γ 分別取 0.2，0.5，0.3。對 s 在 0～1 之間作歸一化處理，表示即將發生失穩破壞的危險程度。 s 越來越小，表示安全狀況劣化。為找到巖體微地震規律與巖體失穩活動的規律，對三個工作面直接頂板冒落前的觀測數據進行了分析。利用（15）式代入相應的 ∆d ， ∆E ， ∆N 值計算，得到了 s 值。

                                                   圖7  1409 工作面直接頂垮落前微地震的安全系數變化
                       Fig.7  Parameters variation of MS events before immediate roof fall in 1409 coal face

                                                 圖8 1610 工作面直接頂垮落時微地震的安全系數變化
                    Fig.8 Parameters variation of MS events before immediate roof fall in 1610 coal face

3.3 有限元法的結合運用
某些特殊情況下需要微地震監測結合其他方法進行安全預報。微地震的發生與宏觀大尺度巖體內部的缺陷發展、破裂有著密切的關系。因此同樣的裂紋生長過程，可以采用不同的監測手段。這些方法和手段用不同參數作為基準來定量化地反映巖體的內部狀態，例如彈性常數、屈服應力、拉伸強度等。在大范圍的巖體安全監測中，可以把微地震與有限元方法結合，確定巖體的破裂范圍或區域。這樣可以得到不同受力狀態下(包括溫度、環境影響等)巖石材料內部的微地震演化、發展規律，糾正偏差，比較準確地預測巖體的可能發生的宏觀破裂。

                                                          圖 10    巖層位移矢量
                                         Fig.10 Rock strata displacement vector
表 1 計算模型的參數
Fig.1 Model's adopted parameters

圖 10 是對某礦井采區建立的模型后進行的數值計算。計算參數見表 1�？紤]巖體自重，模型上表面所受壓力

從圖 10 中可以看出，采空區域周圍的巖體破裂最為活躍，位移最大。這與圖 4，圖 5，圖 6 相對應。安全判定的關鍵，是看微地震定位結果與數值計算結果中的危險區域重合程度大小。另外需要考慮重點區域的地質條件，特別是斷層和節理以及破碎帶的影響。數值計算不能夠完全與真實的地質條件吻合。因為：
1） 數值模擬的模型是均質的，而實際情況是裂隙和損傷是隨機分布的；
2） 微地震定位解可能會有一定誤差；
3） 斷層和節理以及破碎帶會使局部區域的受力條件劣化。
一般情況下如果巖體的均質性很好，應力和能量越集中的區域，微地震發生也更加密集，二者具有較強的相關性，可以互相比較，用于巖體破裂失穩的判斷和預報。
4 結論
微地震監測事件直接反映井下圍巖破裂情況，據此總結出的微地震特征和規律與采礦活動直接相關，微地震監測結果可以指導合理開采，預防井下因采礦引起的地質災害發生。微地震事件震源位置特征實用性和指導性更大，根據微地震監測結果可以總結分析多種特征信息，綜合解釋采礦地質現象，解決采礦過程中的巖體破裂問題。在礦山利用井下微地震監測技術，將微地震定位、有限元、可視化等多種方法結合起來預測巖體破裂，是一項創新性的探索工作。雖然還有許多問題需要解決，但同其它監測方法相比，具有許多獨特的優越性。為加強中國煤礦的監測， 開發井下自動化、可視化的微地震監測系統對提高煤礦的生產安全有重要意義。鑒于此，該技術在未來必將得到廣泛的應用。

長沙鵬翔科技自主研發的PXMMS微地震油井裂縫檢測儀可以采集分析這些微地震，并根據微地震走時進行震源定位，由微地震震源的空間分布可以描述人工裂縫輪廓。微地震震源空間分布在柱坐標系三個坐標面上的投影，可以給出裂縫的3D圖，可很直觀的描述裂縫的長度、方位、產狀。與其它方法相比，該方法即時、方便、直觀、適應性強。