煤矿冲击地压的微地震监测研究

ｓｅ舢ｉｓ ｈｉｇｈ ｓｔｒｅｓｓ ｚｏｎｅ ｉｓ ｃｌｏｓｅ ｔｏ山ｅ ｆｈｃｔｕｒｅｄ ｚｏｎｅ．Ｗｈｅｎ ｔ１１ｅ ｍａｉｎｇａｔｅ ｏｆ Ｎｏ．４
ｉｎ山ｅ ｆｒａｃｔｕｒｅｄ ｒｏｏｆ ｚｏｎｅ ０ｆ
ｓｅ籼．Ⅱｔｈｅ Ｎｏ．６ ｓｅａｍ，ｍｃｋ ｂｕｒｓｔ ｎｅｖｅｒ ｈ印ｐｅｎｓ ｄｌｌｒｉｎｇ ｄｅＶｅｌｏｐｉｎｇ ｍａｊｎｇａｔｅ ａｎｄ ＩＩｌｉｎｉｎｇ ０ｆ Ｎｏ．４
第４９卷第５期 ２００６年９月
地球物理学报
ＣＨＩＮＥＳＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ０Ｆ ＧＥＯＰＨＹＳＩＣＳ
Ｖ０１．４９．Ｎｏ．５ Ｓｅｐ．，２００６
姜福兴，杨淑华，成云海等．煤矿冲击地压的微地震监测研究．地球物理学报，２００６，４９（５）：１５１１～１５１６
ｍｉｎｅ．观ｉ，ｌ黜ｅ．，．（却＾筘．（ｉｎ Ｊｉａｎｇ Ｆ ｘ，Ｙａｎｇ ｓ Ｈ，Ｃｈｅｎｇ Ｙ Ｈ，ｅｔ ａ１．Ａ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｍｉｃｍｓｅｉｓｍｉｃ ｍｏＩｌｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆ ｍｃｋ ｂｕｒｓｔ ｉｎ ｃｏａｌ
Ｆｉｇ．１
图１华丰矿测区布置平面图
Ｐｌａｎｅ ｌａｙｏｕｔ ｏｆ ＭＳ ｇｅｏｐｈｏｎｅｓ ａｒｒａｎｇｅｄ ｉｎ ｔ｝ｌｅ Ｈｕａｆｂｎｇ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅ
课题组研制的井下微震监测仪共设计有６４个 工作通道，其中６３道用于传感器信号输入，１道作 为控制信号道．传感器信号分７个接口输入，每个接 口对应一条钻孔电缆或巷道电缆． ３．２“破裂一冲击地压”关系评价原理
ｍ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ《Ｎｏ．６ ａｎｄ Ｎｏ．４ ｓｅａｍ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ出ｅ ｄｉｓｔａＩｌｃｅｓ，ｉｔ ｉｓ ｐｏｓｓｉｂｌｅ ｔｏ ｕＩｌｌｏａｄ ｉｎ山ｅ ｆａｕｌｔ ｚｏｎｅ ｔｏ
基金项目 国家自然科学基金重大国际合作基金（５０３２０１２０００１）与面上基金（５００７４０２１）课题资助． 作者简介姜福兴，男，１９６２年生，１９９４年于中国矿业大学采矿工程专业获博士学位，现为教授，博士生导师．主要研究方向为矿山压力与岩层
ｇｏｏｄ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ＭＳ ｍｏｌｌｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｌｏｃ撕ｎｇ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｃａＩｌ ｂｅ ｕｓｅｄ ｉｎ ｃｏａｌ ｌＩｌｉｎｅｓ ａｎｄ
ｔｕｎｎｅｌｓ ｆｏｒ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｒｏｃｋ ｍａｓｓ ｆｂｃｔｕｒｉｎｇ．
ｃｌｌｉｎｅｓｅ），
２００６，４９（５）：１５１１～１５１６
煤矿冲击地压的微地震监测研究
姜福兴１，杨淑华１，成云海１，张兴民２，毛仲玉３，徐方军３
１北京科技大学土木与环境工程学院，北京 １０００８３ ２山东科技大学资源与环境工程学院，青岛 ２６６５１０ ３山东新汶矿业集团，山东泰安”１０００
摘要为了研究煤矿冲击地压与岩层在三维空间破裂之间的关系，进而探索依据岩层破裂规律预测和预报冲击
地压的可能性，文中采用自行研制的防爆型微地震定位监测（Ｍｓ）系统，基于定位原理，监测了山东华丰煤矿冲击地
压煤层（四层煤）及其解放层（六层煤）开采过程中的岩层破裂过程和二次应力场分布变化的过程，得到了如下结
论：冲击地压的发生与岩层破裂密切相关，四层煤下顺槽处于六层煤顶板破裂区的外边缘时，正处于高应力区内，
中图分类号Ｐ６３１
收稿日期２００５—０９—０６，２００６—０６一１３收修定稿
Ａ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｌｌｌｉｃｒｏｓｅｉｓＩＩｌｉｃ ｍｏｌｌｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆ ｒｏｃｋ ｂｕｒｓｔ ｉｎ ｃｏａｌ ＩＩｌｉｎｅ
ＪＩＡＮＧ Ｆｕ一Ⅺｎ９１，ＹＡＮＧ Ｓｈｕ—Ｈｕａｌ，ＣＨＥＮＧ Ｙｕｎ．Ｈａｉｌ，ＺＨＡＮＧ ｘｉｎｇ—Ｍｉｎ２，ＭＡＯ Ｚｈｏｎｇ—Ｙｕ３，ＸＵ ＦａＩｌｇ—Ｊｕｎ３
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（ｘ。，ｙ。，ｚ。）和发生破裂的时间ｆ。． 在实际监测中，同时接收到破裂波的检波器数
量一般要多于４个，因此，可以按照一定的规则进行 “四一四组合”，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。
５期
姜福兴等：煤矿冲击地压的微地震监测研究
间，均可能发生冲击地压．四层煤下方４０ ｍ处为厚 １ ｍ左右的六层煤，作为解放层先于四层煤开采．开 采解放层后，大大减少了冲击地压的数量和强度，但 是，仍然时有强烈冲击地压发生，因此，要监测解放 层的布置参数是否合理，有没有可能通过改变解放 层的布置参数，彻底消除冲击地压． ３．１微地震监测方案
监测地点选在华丰矿四层煤１４０９综采放顶煤 工作面和六层煤１６０９、１６１０工作面开采区域内，两 个煤层工作面的相对位置和测区布置的平面图如图 １所示．
实现高精度定位的主要技术手段是：选择高灵 敏度的检波器、高密度的检波器阵、确保主要破裂波 在实体中传播、采用复合定位技术等，实践证明，与 传统的微地震技术相比，这些手段的应用，将定位精 度提高了很多倍．
基本假定：考虑到煤矿长壁工作面一般的尺寸 走向长１０００～２０００ ｍ，倾向长１５０～２５０ ｍ，采高２～ ８ ｍ，采动引起的应力重新分布的范围在采动边界附 近５０～１５０ ｍ，在这样的监测范围内，对弹性波而言， 可以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 过现场标定确定陋’３］．实测结果表明，这样的假定是 完全可行的．
层的三维破裂形态和范围，为矿井确定防水煤柱的高度提供了可靠的依据；监测证明了厚层砾岩的破裂、断层活
化、采场附近关键层的破裂是引起冲击地压的主要原因，证明了所研制的硬件和定位软件具有较高的精度和实用
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性，可以在煤矿和边坡、隧道等领域应用．
关键词微地震监测，煤矿，冲击地压，岩层运动，定位
文章编号０００ｌ一５７３３（２００６）ｃ１５一１５１１—０６
本课题组在２００４年至２００５年４月期间，在山东 省新汶矿业集团公司华丰煤矿采用自行研制的微地 震定位监测系统，监测了开采过程中岩层的破裂规 律，并由此推演了岩层的运动结构和采动应力场的 分布，为评价解放层的解放效果、确定卸压区范围等 提供了新的手段．
本文在理论上探索了由高精度微地震定位监测 岩层破裂、确定岩层运动的空间结构、确定采动应力 场动态和评价冲击地压发生可能性的研究思路和方 法，在应用上探索了基于微地震监测结果的解放层 参数确定方法和断层活化型冲击地压的监测预报 方法．
基于上述考虑，破裂点的定位采用弹性波传播 方程：
（戈ｉ一戈ｏ）２＋（ｙｉ一，，ｏ）２＋（彳。一名ｏ）２
：俨（￡。一￡。）２，
（１）
式中，戈；，儿，毛，￡ｉ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＝ｌ～４；名。，ｙ０， ‰，￡。分别为破裂点的坐标和发生破裂的时间；矿为
Ｐ波传播速度，一般为３５００～４０００州ｓ．
２高精度微地震监测的基本原理与破 裂定位的方法
２．１微地震监测的基本原理 岩石在应力作用下发生破坏，并产生微震和声
波．在采动区顶板和底板内布置多组检波器并实时 采集微震数据，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，并显示在三维空间
万方数据
上¨］．与传统技术相比，微震定位监测具有远距离、 动态、三维、实时监测的特点，还可以根据震源情况 进一步分析破裂尺度和性质．这种技术是在近几年 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． ２．２高精度岩体破裂定位的方法
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ｔｈｅ ｐｏｓｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｆｏｒｅｃａｓｔｉｎｇ ｍｃｋ ｂｕｒｓｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｍｌｅｓ ｏｆ ｓｔｒａｔａ ｆｈｃｔｕｒｉｎｇ ｍｏｎｉｔｏｒｅｄ ｂｙ ＭＳ．‘ｒｈｉｓ ｐ印ｅｒ
３微地震监测方案与“破裂一冲击地 压”关系评价原理
山东新汶矿业集团华丰煤矿自１９９１年１月２４ 日首次发生冲击地压以来，随采深的增加（９００～ １０００ ｍ），冲击地压日趋严重，并逐渐发展成为矿震． 其邻近煤矿也相继出现冲击地压．经过多年的探索， 矿方认为开采解放层是有效的防冲措施之一．
华丰矿有强烈冲击威胁的为四层煤，厚度４— ６ ｍ，单向抗压强度为２０～３０ ＭＰａ，在掘进和回采期
控制．Ｅ—ｍａｉｌ：ｊｉ∞加）【ｉ“ｇｌ＠１６３．ｃｏｍ
万方数据
地球物理学报（ｃＩｌｉｎｅｓｅ Ｊ．Ｇｅ叩ｈｙｓ．）
４９卷
ｐｒｅｖｅｎｔ ｍｃｋ ｂｕｒｓｔ．ＭＳ ｍｏｎｉｔｏｄｎｇ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｌｓｏ ｓｈｏｗ ｔｌｌｅ ３一Ｄ ｓｈａｐｅ ａｎｄ ｓｃａｌｅ“ｓｔｒａｔａ ｆ｝ａｃｔｕｒｉｎｇ，ｗｈｉｃｈ ａｒｅ ｖｅｒｙ ｕｓｅｆｍ ｔｏ ｄｅｔｅⅡＩｌｉｎｅ ｔｈｅ ｈｅｉｇｈｔ ｏｆ ｗａｔｅｒ－ｐｒｏｏｆ ｉｎ ｃｏａｌ ＩＩｌｉｎｅ．Ｔｈｅ ＭＳ ｍｏｌｌｉｔｏｒｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔｓ ｈａｖｅ ｐｒ０Ｖｅｄ ｔ１１ａｔ ｈｅａｖｙ ｍａｓｓｉｖｅ ｓｔｒａｔａ ｆｈｃｔｕｒｉｎｇ ａｎｄ ｆａｕｌｔ ｒｅａｃｔｉｏｎ ａｒｅ山ｅ ｍａｉｎ ｒｅａｓｏｎｓ ｏｆ ｍｃｋ ｂｕｒｓｔ ｉｎ ｔ｜ｌｅ Ｈｕａｆｅｎｇ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅ．Ｔｈｅ
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ｓｅ舢，ｒｏｃｋ ｏｆ Ｎｏ．４ ｓｅ啪ｉｓ ｏｕｔ ｏｆ ｔｈｅ ｆｈｃｔｕＩ．ｅｄ Ｉ．ｏｏｆ ｚｏｎｅ ｏｆ Ｎｏ．６
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１引言
采用微地震监测技术研究金属矿山深部动力灾 害已经有多年的历史，从南非、加拿大、澳大利亚等 科学家发表的成果看，金属矿山重点是监测岩爆发 生的统计规律，在煤矿动力灾害研究方面，波兰、德 国开展微地震监测技术研究较早，也取得了丰硕的 成果¨ｑ１，但是，波兰２００５年最新的ＡＲＡＭＩｓ Ｍ／Ｅ监 测系统的技术资料显示，该系统仍然只注重震动事 件定位的统计分析，没有从破裂发生的动态过程推 演岩层的运动结构和采动应力场的分布，因而无法 从根本上揭示煤矿冲击地压的机理．国内微地震监 测研究主要是采用传统地震的技术和设备，目的是 监测矿震，即大范围的矿井动力现象，而不是小范围 的冲击地压．
ｐｒｅｓｅｎｔｓ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｏｆ ｓｔｒａｔａ ｆｈｃｔｕｒｉｎｇ ａｎｄ ｍｉｎｉｎｇ ｓｔｒｅｓｓ ａｎ－ｏｕｎｄ ｔｈｅ ｌｏｎｇｗａｌｌ ｆａｃｅ ｗｈｉｌｅ ｍｉｎｉｎｇ
Ｎｏ．４ ｓｅａｍ（ｓｔｒｏｎｇ ｂｕｒｓ￡ｓｅａｍ）ａｎｄ Ｎｏ．６ ｓｅａｍ（ｕｎｄｅｒ Ｎｏ．４ ｓｅａｍ ｆｏｒ ｕＪｌｌｏａｄｉｎｇ）．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ
在此处掘进容易引发冲击地压，必须将六层煤下顺槽位置向实体煤侧移动２０ ｍ以上，或将四层煤下顺槽位置内移
２０ ｍ以上，才能消除四层煤的冲击地压；六层煤和四层煤开采时，工作面前方断层活化的距离分别为２５０ ｍ和３５０ ｍ
左右，根据这一距离，及时对断层带进行卸压处理，可以消除由断层带引发的冲击地压；监测显示了工作面周围岩