微地震监测技术对矿井冲击地压防治初步探讨
摘要：冲击地压是采矿诱发的矿井地震，是威胁煤矿安全生产的严重灾害之一。本文研究了矿井微地震方法对冲击地压进行预测预报，矿井微地震监测技术是一种新的地球物理探测技术，通过对岩层三雏空间岩体的破裂与应力场状况分析冲击地压的前兆信息，通过现场实际应用表明，该研究方法可为冲击地压机理研究和预测预报提供有力依据。
关键词：微地震；监测；冲击地压；煤矿安全
0 引言
我国是煤炭生产和消耗的大国，近几年来煤炭的出口在稳步增长。煤炭在我国一次能源结构中占70%左右，是影响我国经济和社会稳定的重要因素。目前已探明的煤炭储量为9000亿t，如按最近几年的开采强度，我国煤炭可持续开采600a。因此，煤炭是我国长期以来的主要能源之一，无论是现在还是将来，煤炭工业都是我国的支柱产业，安全高效开采煤炭是关系到国计民生的大事。近些年来，随着矿井果深增加，瓦斯突出、矿井突水、煤矿火灾、巷道失稳、冲击地压等对煤矿安全生产的威胁日益严重，其中冲击地压是世界性的难题。冲击地压发生时，围岩迅速释放能量，煤岩突然被破坏，造成暴风、冒顶片帮、支架折断、巷道堵塞、地面震动、房屋损坏和人员伤亡。因此，研究一套科学先进的监测方法来预测预报冲击地压就成为煤炭行业的当务之急。
1 微地震监测技术基本原理与岩体破裂定位方法
1.1 微地震监测的基本原理
岩石在应力作用下发生破坏，并产生微地震和声波。通过在采动区内的顶板和底板内布置多组传感器并实时采集微地震数据，经过数据处理后，采用震动定位原理，可确定破裂发生的位置，并在三维空间上显示出来。微地震监测技术的基本原理是当地下岩石由于人为因素或自然因素发生破裂、移动时，会产生一种微弱的地震波向周围传播，利用在空间上不同方位设置的微地震传感器，可以记录这些微地震波的到达时间、传播方向等信息，然后利用各种计算方法可以确定岩石破裂点，即震源的位置。微地震传播示意图见图1所示。
图1 微地震波传播示意图
与传统技术相比，微地震定位监测具有以下优点：
(1)实时监测，及时发现微地震事件并确定其位置。
(2)动态监测，可实现长时间连续监测。
(3)空间监测，可在观测范围内进行三维空间定位。
微地震监测技术还可以根据震源情况进一步分析破裂尺度和性质，这种技术是在近年来计算机和数据采集技术快速发展的基础上产生的，它为研究覆岩空间破裂形态和采动应力场分布提供了新的手段。
1.2 岩体破裂定位的方法
基本假定：考虑到煤矿长壁工作面一般的尺寸为走向长1000～2000m，倾向长150～250m，采高2～8m，采动引起的应力重新分布的范围在采动边界附近50~150m，认为岩体破裂产生的弹性波传播过程中受岩层层面、密度等的影响较小，传播速度是常量，可以通过现场标定确定。实测结果表明，这样的假定是完全可行的。
基于上述考虑，破裂点的定位采用弹性波传播方程。
式中，xi，yi，zi，ti分别为第i个测点的坐标和P波到达该点的时间；i为测点编号，i=14；x0，y0，z0，t0分别为破裂点的坐标和发生破裂的时间；V为P波传播速度，一般为3500～4000m/s。
式(1)中实际上包含了4个方程，联立后，可以求解出破裂点的坐标和发生破裂的时间x0，y0，z0，t0。
在实际监测中，同时接收到破裂渡的传感器数量一般要多于4个，因此，可以按照一定的规则进行“四——四组合”，最后求出平均值。这种算法不仅提高了定位精度，而且能够展示出大致的破裂面范围。“四——四组合复合定位”软件和破裂点的图示软件，在煤矿监测中得到了成功应用。
2 “破裂——冲击地压”关系评价原理
岩层破裂发生在应力差大的区域，因此，岩层破裂区总是与最大主应力差区域相重合，并与高应力场区域相接近。由此可见，只要测到了岩层破裂区域，即可找到高应力场区域和高应力差区域，冲击地压的发生与这两个区域密切相关。图2是岩石破裂与应力的关系示意图。
3 微地震监测通过对典型事件分析来揭示冲击地压的前兆信息
微地震事件的实质是一个围岩应力、应变、破裂、失稳及移动等一系列动态演变过程的一种表现形式，由于微地震监测可在3D空间全方位地描述岩层的变化，因而有着超越传统方法的独特优势。下面分析在华丰煤矿中，利用微地震监测技术对六层煤工作面停采后揭示的四层煤开采过程中的岩层三维空间岩体的破裂与应力场状况进行分析，进一步揭示冲击地压的前兆信息。
图2 岩石破裂与应力的关系示意图
当四层煤的1409工作面进入微地震监测区域时，此阶段约推进30m，此时六层煤工作面已经停采，而1409工作面距离六层煤停采线280m。图3示出了沿倾斜方向破裂点的深度分布情况。
图3 微震事件倾向投影图
图3清楚地揭示了以下事实：当开采四层煤时，下顺槽处应力峰值向实体煤侧移动近20m。岩层破裂高度在煤层上方60m左右，最大在80～110m。该层位上是总厚度17m的中砂岩和细砂岩。底板破裂深度一般在40m左右。
4 结论
随着微地震技术理论研究的深入和实际应用的开展，根据现场条件，将微地震监测设备所测得的数据结合岩石力学和矿压理论，来分析三维空间岩体的破裂状况及应力随时间变化的规律，进一步揭示冲击地压的前兆信息，可为冲击地压机理研究和预测预报提供有力依据。
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