冲击地压煤矿井上下微震联合监测技术

杜涛涛

（1.中煤科工开采研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013；3.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013）

微震监测是地球物理方法之一，是冲击地压矿井应用非常普遍的一种区域性监测手段，可以实现对煤岩体的全矿井、实时、三维空间立体监测，全方位地揭示工作面围岩内部的破裂和运动规律，进而对冲击地压危险进行动态评估与预警，是我国冲击地压[1-6]区域监测及防控过程不可缺少的手段。

微震监测技术研究及推广应用广泛，窦林名等[7]把微震监测技术应用在震动场研究方面；姜福兴等[8-9]应用微震监测研究了千米深井厚煤层综放面支架围岩关系，采用微震监测技术应用于采场回采前冲击危险动态评估；何学秋等[10]研究了微震监测技术实现区域监测的理论基础，建立了相应指标评价体系，并在煤与瓦斯突出矿井进行了应用试验；欧阳振华等[11]研究了微震监测结果和工作面矿压观测结果的关联关系，应用于浅埋煤层动载矿压预测；秦忠诚等[12]采用微震监测技术研究了“两硬”综放工作面覆岩运动规律；吕鹏飞等[13]分析了微震源分布与垂直应力二次分布和超前支承压力分布的关系；刘金海[14]指出KJ551 微震监测系统用于监测中高频震动事件，起到局部震动监测作用；ARAMIS 微震监测系统用于监测中低频震动事件，覆盖范围数千米，起到区域震动监测作用；KJ874 矿山地震监测系统用于监测低频震动事件，覆盖范围达数万米，起到矿区震动监测作用；夏永学等[15-16]采用ARAMIS M/E 微震监测系统研究了千秋煤矿21141 工作面围岩破坏和应力分布特征，为提高冲击地压预测预报水平优选完善了微震监测的5 个指标，并应用于冲击地压预测中。

近年微震监测技术在快速发展与应用的同时，垂直方向定位精度不理想的问题较为常见，无法有效分析确定冲击致灾关键岩层，在鄂尔多斯新街矿区、呼吉尔特矿区，纳林河矿区，榆林的榆横矿区、榆神矿区，由于煤层分布多为近水平，同时由于矿井多为近年来的新建矿井，目前处于单一煤层开采时期，造成井下微震传感器布置多处于近水平状态，垂直落差小，微震台网在垂直方向的分布较差，影响了微震监测垂直方向的定位精度和有效监测，新疆乌鲁木齐矿区的近直立煤层条件也面临同样的问题。为此，在研究成果[17-18]基础上，进一步开展的煤矿井上下微震联合监测技术及其应用研究。

1 研究背景

1.1 近水平煤层工作面微震监测

鄂尔多斯地区门克庆煤矿主采3-1近水平煤层，煤层埋深约700 m，煤层厚度在4.7～6.0 m 之间，平均5.35 m，3-1煤层直接顶为灰色的粉砂岩，平均厚度4.7 m；基本顶为灰白色的细砂岩，平均厚度17.68 m。3-1煤层直接底为灰色的粉砂岩，厚度平均10.29 m；基本底为灰白色的细砂岩，平均厚度21.9 m。

矿井初期仅布置井下微震监测传感器进行监测，获取岩体产生微破裂过程所发出的地震波信息，确定微震事件发生位置，揭示开采过程围岩活动高度，近水平煤层井下微震监测效果如图1。

图1 近水平煤层井下微震监测效果Fig.1 Micro-seismic monitoring effect in near horizontal coal seam

围岩活动高度为煤层上下20 m 范围，按照煤厚5.35，碎涨系数1.2，计算得到垮落带高度为26.75 m，其上为断裂带，开采过程随岩层裂隙产生、扩展、破裂过程必然产生微震事件，然而断裂带范围没有微震事件分布，由此可见监测效果不理想。

1.2 近直立水平分层工作面微震监测

新疆乌东煤矿南区主采煤层为B1+2煤层和B3+6煤层，两煤层平均倾角87°，属近直立煤层，两煤层之间为岩柱，平均厚度80 m；B1+2煤层平均厚度37.5 m，B3+6煤层平均厚度48.9 m，采用水平分段综采放顶煤开采方法。矿井采用微震监测系统，在开采分层工作面两巷道按平行四边形的方式布置微震传感器，进行冲击危险区域监测，近直立煤层井下微震监测结果如图2。

图2 近直立煤层井下微震监测结果Fig.2 Micro-seismic monitoring effect in near vertical coal seam

围岩活动主要集中在开采分层上下31 m 范围，在开采水平以上43 m 范围有较少的微震事件出现；由于井下空间无法形成有效的高差，为提高垂直方向的监测范围，把安装在井下的微震传感器布置在地表，微震台网高差形成后，监测到距离开采水平分层上方170 m 范围的岩柱有活动现象。

综上所述，近水平单一煤层、近直立煤层水平分层开采的工作面，当仅采用井下微震监测台网布置时，微震台网形成的高差不足，造成监测高度受限、垂直方向定位精度受到影响；当把用于井下安装的传感器安装在地面时，能够监测到较高层位产生的微震事件，垂直方向的监测范围有所提升，但井下传感器布置地面需要布置电缆进行数据传输，不仅工程量大、维护困难，而且受井下微震传感器灵敏度等影响，应用效果不理想。

2 井上下微震联合监测技术

2.1 技术原理

矿井垂直剖面上，震源与各台站连线之间的最大夹角，称之为垂直最大空隙角θ。研究[18]表明，当θ≤90°，台站能从四象限包围震源，台网垂直分布最佳，震源深度的测定误差最小；当θ＞180°时，台站都位于震源一侧，监测效果不好。因此最大空隙角越小，台网对震源区域的包裹性越好，井上下微震联合监测原理示意图如图3。

由图3（b）可以看出，当仅在井下同一层位的煤层中布置微震台站时，垂直最大空隙角为θ1＞180°，台站均位于震源下方，震源深度的测定误差较大，称之为“垂直高差效应”；当进行井上下联合监测时，垂直最大空隙角为θ2，很明显θ2＜90°，台站能更好的包围震源，台网垂直分布最佳，震源深度的测定误差最小。因此对于近水平、水平、近直立水平分层开采的煤层，仅仅依靠布置在同一层位煤层内的监测台站，由于垂直最大空隙角过大，造成震源垂直定位误差较大，此时可以通过增加地面监测台站的方式，可以有效降低台网的垂直最大空隙角，提高震源深度的监测精度。

图3 联合监测原理示意图Fig.3 Schematic diagrams of joint monitoring

2.2 地面布置台站增大z 坐标差值

根据微震定位原理，微震台站z 坐标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联合监测技术，通过地面布置台站以增大z 坐标差距，与井下微震监测台站配合，共同参与震源定位。井上下微震联合监测布置示意图如图4。

图4 井上下微震联合监测布置示意图Fig.4 Layout diagrams of joint monitoring of surface and underground micro-seismic monitoring

研究和实践表明，将井下微震传感器安装在地面，由于井下微震传感器监测灵敏度不足，并不能有效解决微震监测“垂直高差效应”。以ARAMIS M/E微震监测系统为基础，引进了ARP 专用井上微震拾震器，形成井上下微震联合监测台网。

2.3 系统构成

井上下微震联合监测系统构成图如图5。

图5 井上下微震联合监测系统构成图Fig.5 Composition diagram of joint monitoring of surface and underground micro-seismic monitoring

以ARAMIS M/E 微震监测系统为基础，ARP2000 系统各个监测台站将监测到的震动波数据传送至数据处理计算机内的ARP2000 软件中，经过ARP2000 系统软件的预处理并保存至ARP2000 软件内。在使用ARAMIS M/E 微震监测系统定位时，调取ARP2000 系统软件内各个监测台站的震动波数据，参与到微震事件的定位中。

ARAMIS M/E 微震监测系统构成：信息传输系统（DTSS），该部分包括：地面SP/DTSS 信息收集站，其由OCGA 数字信号接收装置、配备GPS 时钟的ST/DTSS 传输系统控制模块、主通道切换模块以及SR 15-150-4/11 I 型配电装置；SN/DTSS 井下分站，其包括SPI-70 拾震器以及NSGA 震动信号发射装置。ARP2000 系统包含基站部分和分站部分。基站部分位于地面控制中心，由具有互联网连接的PC机和进行记录数据存档、可视化及预处理的软件组成。分站部分包括三分量LKP-ARP 监测集中器和加速度传感器或速度传感器。

2 套微震监测系统采用绝对时间同步和4G/5G数据传输技术进行监测数据的融合，可实现对空间距离1 500 m 范围内的100 J 事件进行有效监测，确保监测数据的一致性和实效性。

3 井上下微震联合监测应用

3.1 在门克庆煤矿的应用

门克庆煤矿位于内蒙古自治区鄂尔多斯市呼吉尔特矿区中部，井田总体构造形态为向西倾斜的单斜构造，地层倾角1°～3°，主要开采3-1煤，主采工作面为3102 工作面和3104 工作面，以这2 个工作面为重点监测区，共在井下安装27 个微震监测台站，在3102 工作面和3104 工作面的地面分别安装1 台ARP 地面微震监测系统台站，井上下微震联合监测台网、地面ARP 台站。

现场监测期间，地面监控室为井上下微震联合监测系统的远程控制中心，该系统采用高精度GPS卫星同步控制，通过4G 无线信号将各ARP 监测分站的数据实时传输至微震分析电脑，实现联合监测各台站时间的一致性。井上下微震联合监测台网微震事件分布图如图6。

图6 井上下微震联合监测微震事件分布图Fig.6 Micro-seismic events distribution diagram of joint monitoring of surface and underground micro-seismic monitoring

由图1 井下微震监测效果可知，井下台网单独定位时微震事件点均分布在煤层附近，微震活动无法准确煤层顶底板各层位岩层的破裂状态，无法为矿井冲击地压的防治层位提供有效指导。由图6 可知，10 J 及以下的微震事件最高发育至煤层上方128 m 处的细砂岩中，但该岩层鲜有102J 及以上的微震事件；102J 及以上的微震事件主要分布在煤层上方80 m 范围岩层内，该范围内的岩层是易发生高能量微震事件。通过开展井上下微震联合监测现场实践，能够较好的确定不同能量级别的微震事件发生层位与高度范围，依据高能量微震事件发生的层位，进一步分析揭示强烈能量释放的主要岩层，为矿井冲击地压主要岩层控制提供有效指导。

应用井上下微震联合监测技术，门克庆煤矿分析了开采过程采空区“矿震”显现的发生原因及发生层位，揭示了高位厚层顶板活动范围，探索了坚硬顶板“中-高”位耦合预裂减震技术，开展了诱发矿震的厚层顶板控制工程实践，即针对煤层上方100 m范围内引发矿震频发的40 m 的厚粗砂岩，增加了高位厚层坚硬顶板爆破预裂方案，在3102 回风巷布置1 组3 个钻孔，最深孔115 m，垂深80 m，单组钻孔起爆装药量达608 kg，与矿井采取的中位顶板爆破预裂方案联合实施，实现了不同层位的顶板耦合控制，实践表明，通过提前破断煤层上覆中高位岩层，有效控制了矿震的发生。

3.2 在红庆河煤矿的应用

红庆河煤矿近水平单一煤层开采，ARAMIS M/E井下微震监测系统台站z 坐标高差小，造成井下微震监测系统在揭示高位岩层活动方面效果不理想，为了提升微震监测台网z 方向坐标高差，在地面共安装了5 个ARP 2000 P/E 地面微震监测系统台站，其中A1 台站布置在三采区，A2 台站布置在一采区3-1105 工作面切眼附近，A3 台站位于3-1105 工作面中部附近，A4 台站位于3-1403 工作面中部，A5台站位于工业广场，与ARAMIS M/E 井下微震监测系统联合，形成了井上下微震联合监测台网。

井上下微震联合监测表明，煤层顶板上方第1区域（84～190 m）岩层以小能量事件发生为主，表明岩层破裂发展高度达到190 m；104J 及以上微震事件主要发生在煤层顶板上方第2 区域（23～84 m）的厚层中粒砂岩岩层，该岩层属于厚层难垮顶板，通过监测发现，期间引起现场剧烈能量释放主要发生该岩层中，尤其以40.5～84 m 高度的岩层能量释放最为剧烈，从而得到该区域厚层中粒砂岩是造成工作面冲击致灾的主要岩层，对冲击危险具有主要的控制作用，即将此岩层作为目标岩层；102J 及以下微震事件主要分布在煤层顶板上方第3 区域（0～23 m）。冲击地压主控岩层确定应用效果如图7。

图7 冲击地压主控岩层确定应用效果Fig.7 Determination and application effect of rockburst main control strata

由图7 可知，大能量事件主要发生在煤层顶板上方23～84 m 范围内的中粒砂岩岩层，该岩层属于厚层难垮顶板，通过实际的回采过程监测可知，引起现场剧烈能量释放的区域主要发生在中粒砂岩岩层中，尤其以煤层顶板上方40.5～84 m 区域内的岩层能量释放最为剧烈。综上表明，该区域的厚层中粒砂岩是引起工作面冲击致灾的主要岩层，对冲击危险具有主要的控制作用。

通过应用井上下微震联合监测，提高了垂直方向的定位精度，有效揭示了高位厚层顶板的冲击致灾岩层，不仅解决了长期以来困扰红庆河煤矿高位顶板是否致灾的主要难题，也为红庆河煤矿冲击地压高位厚层顶板防控提供了依据。

4 结 语

1）基于垂直最大空隙角θ 分析，当仅在井下同一层位的煤层中布置微震台站时，垂直最大孔隙角θ1＞180°，台站均位于震源一侧，称之为“垂直高差效应”，造成水平煤层、近水平煤层、急倾斜水平分段布置煤层震源垂直定位误差较大。

2）井上下联合微震监测技术以ARAMIS M/E微震监测系统为基础，引进了ARP 专用井上微震拾震器，形成井上下联合监测台网，有效提高微震监测垂直定位精度。

3）门克庆煤矿应用井上下微震联合监测技术，揭示了诱发矿震的岩层层位与高度，提升了矿井解决矿震频发的技术水平以及采取措施的针对性；红庆河煤矿应用此微震联合监测技术，确定了冲击致灾主控岩层层位与高度，揭示了高位顶板冲击致灾性，应用效果良好。