微震监测技术在深部开采矿井的探索应用.pdf

2020 年 3 月2020 年第 3 期 微震监测技术在矿井的广泛应用为冲击地压的预 测预报奠定了坚实的基础，但仍没有形成科学统一的 数据分析定论。本文论述了业界广为推崇的 SOS 微震 监测技术在深部开采矿井中的应用情况，总结了监测 数据的经验规律[1]。 1微震监测技术的概念及其特点 1.1微震监测技术的概念 根据声发射同时产生震动的原理，采用某种仪器 监测岩体破裂时的微震频度，确定发生微震的位置， 以预报岩体发生破坏的可能性与发生时间的方法[2]。 1.2微震监测技术的特点 微震活动密集区即矿压活动剧烈的地区。 微震发生频次与冲击地压发生的可能性呈线性关 系。如果某一阶段时间小能量震动事件次数较多，则 发生冲击地压的可能性减小；如果某一阶段时间中等 以上能量震动事件次数较多，则发生冲击地压的可能 性增加。 通过分析研究，SOS 微震监测技术可准确计算出能 量大于 100 J 的震动及冲击地压发生的时间、能量和空 间三维坐标，利用这些信息源对矿井冲击地压危险程 度进行评价[3]。 2微震监测技术在矿井中的应用 2.1围岩物理力学性质 候村煤矿 3煤层顶、底板主要由泥岩、粉砂岩、 细砂岩组成，局部有中砂岩和粗砂岩，岩样测试结果如 表 1 所示。从表 1 中可以看出，中砂岩的抗压强度最 高，细砂岩和粗砂岩次之，位于此类岩组中的巷道较为 稳定。粉砂岩和泥岩的抗压强度值变化比较大，其强度 主要取决于胶结成分、层理、节理的发育程度以及黏土 性矿物的膨胀性，所以，位于此类岩组中的巷道为较稳 定至不稳定[4]。 表 1岩石力学性质测试结果表 根据统计数据，2015 年 1 月 1 日2015 年 3 月 1 日，全矿累计接收有效震动 3 387 次，各采区震动频次 分别为 50 次、42 次、146 次、579 次、1 270 次。 相比而言，三采区、四采区、五采区煤层稳定性 好，煤巷变形小；三采区、四采区煤层顶板为抗拉强度 较高的中砂岩，五采区煤层顶板为稳定性较好的细砂 岩；再加之三采区大量岩浆岩的侵入和四采区坚硬的中 砂岩底板，3 个采区的采场围岩稳定性好，从物理力学 性质上分析，即围岩体抗拉强度高。 煤层的采出导致上覆岩层运动。候村煤矿采用整层 收稿日期2020-01-25 作者简介李永灵，1975年生，男，山西沁水人，2014年毕业于太 原理工大学矿业工程专业，工程师。 微震监测技术在深部开采矿井的探索应用 李永灵 （ 沁和能源集团有限公司候村煤矿，山西 沁水 048205 ） 摘要 微震监测技术是一种煤矿地球物理法，它可以有效监测矿井物理场岩体的动态变化。候村煤矿煤层赋存为 -1 200～-500 m，深部开采导致采场内矿山压力显现明显，微震监测技术的应用为及时预测预报矿山压力分布情况和集 中程度提供了重要依据。介绍了微震监测技术的概念及特点，然后结合 SOS 微震监测技术在深部开采矿井的应用情况， 总结分析了岩层运动的普遍规律，最后对微震监测技术在矿井深部开采的探索应用进行展望。 关键词 微震监测技术；冲击地压；岩层运动 中图分类号 TD326文献标识码 A文章编号 2095-0802-202003-0171-02 Exploration and Application of Microseismic Monitoring Technology in Deep Mining LI Yongling Houcun Coal Mine, Qinhe Energy Group Co., Ltd., Qinshui 048205, Shanxi, China AbstractMicroseismic monitoring technology is a kind of coal mine geophysical , which can effectively monitor the dynamic change of the physical field rock mass in the mine. The occurrence of coal seams in Houcun Coal Mine is from -1 200 to -500 m, and the deep mining results in obvious mine pressure. The application of microseismic monitoring technology provides an important basis for the timely prediction of the distribution and concentration of mine pressure. This paper introduced the concept and characteristics of microseismic monitoring technology, then summarized and analyzed the general law of rock movement combined with the application of SOS microseismic monitoring technology in deep mining, and finally prospected the exploration and application of microseismic monitoring technology in deep mining. Key words microseismic monitoring technology; rock burst; rock stratum movement （总第 174 期） 实践运用 岩石名称粗砂岩中砂岩细砂岩粉砂岩泥岩 抗压强度/MPa 35.5耀99.7 62.7耀123.3 40.2耀136.9 17.6耀67.14 22.9耀52.2 平均值/MPa50.683.6776.638.137.7 171 2020 年第 3 期2020 年 3 月 （下转 174 页） 开采的采煤方法，煤层厚度决定了采空区的大小，也 就直接影响了上覆岩层的运动。三采区、四采区、五 采区煤层平均厚度 5.56耀6.76 m，二采区煤层平均厚度 3.3耀3.7 m，所以说，煤层厚度越大，上覆岩层运动越 剧烈，符合震动次数越多的统计结果。由此得出结论， 煤层厚度、围岩抗压强度与采场微震事件的频次呈正 相关。 2.2各采区工作面震动事件分布规律 从各采区震动事件的分布情况来看，三采区震动事 件在工作面周围分布较均匀，多数发生在工作面前后 300 m 范围内，集中在超前 100 m 范围内；四采区震动 事件在工作面采空区分布较多，多数发生在超前 150 m 至面后 150 m 范围内，集中在超前 50 m 和面后 130 m 范围内；五采区震动事件在工作面前方分布较多，多数 发生在超前 150 m 至面后 100 m 范围内，集中在超前 100 m 和面后 50 m 范围内。由于震动事件的分布范围 与支承压力的影响范围相辅相成，所以，采动影响下采 场支承压力的影响范围很广，压力峰值位置也相差甚远， 工作面周围应力的分布与集中程度受诸多因素影响。 3501 工作面采深大、地质构造简单；3308 工作面 周围断层复杂、岩浆岩侵入影响大；3422 工作面与集 中程度受诸多因素影响且煤层倾角变化大，处于构造 复杂区域，断层错综复杂，向斜构造横穿工作面。对 比分析地质因素发现，由于地质构造简单的工作面稳 定性强，积蓄弹性变形的能力强，应力向超前工作面 方向延伸距离远，震动事件超前工作面距离远。但是， 采深大导致原岩应力大，表现为两巷超前 100 m 范围 煤炮频繁，短时间内出现支护破坏等矿压显现现象。由 于构造应力和残余构造应力都将影响原岩应力场的分布 和应力的大小，断层构造的存在使得岩体强度降低，一 方面，岩体蓄能能力减弱；另一方面，该类煤岩体围岩 所能承受的极限强度压力值降低，容易引发断层冲击地 压。由此可见，采深越大，导致原岩应力增加，断层构 造和褶曲构造对应力分布的影响范围具有两面性。 2.3工作面掘进对岩层运动的扰动效应 初采期间，受初压影响，顶板压力大，上覆岩层 活动频繁、剧烈，微震事件相对较多。3108 工作面初 采期间接收到的微震事件较少，主要是因为采动前对 切眼顶板进行的超前预裂效果好。随着工作面的推进， 顶板垮落及时、充分。 2015 年 1 月 15 日，3501 工作面复采后震动事件呈 逐渐增加的趋势，至 2015 年 1 月 26 日前后，累计进尺 约 30 m 的震动次数达到峰值后下降。分析峰值出现即 周期来压到来，这与工作面正常推采差别不大，所以， 复采对工作面上覆岩层的影响是不明显的。3501 工作 面主要微震事件分布情况如图 1 所示。 2015 年 1 月 22 日，3502 工作面停采后震动事件立 即减少，并迅速维持在较低水平。但由于上覆岩层仍 不稳定，岩层破裂时有发生。3502 工作面主要微震事 件分布情况如图 2 所示。 由此可见，工作面回采前，顶板的预处理可以有 效削弱初压期间的矿压显现；上覆岩层运动受临时停 采影响不明显；工作面停采后上覆岩层会进入一个趋 向稳定的周期。 3微震监测技术应用总结和前景展望 根据微震监测技术在深部开采矿井的应用分析可 知煤层厚度、围岩抗压强度与采场微震事件的频次 呈正相关；采深越大，导致原岩应力增加，断层构造 和褶曲构造对应力分布的影响范围具有两面性；工作 面回采前，顶板的预处理可以有效削弱初压期间的矿 压显现；上覆岩层运动受临时停采影响不明显；工作 面停采后上覆岩层会进入一个趋向稳定的周期。 微震监测技术是煤矿分析预测预报岩层运动迁移 规律的一种重要手段，候村煤矿将进一步充分利用该 系统，不断完善、优化系统，积累原始震动数据，结合 开采技术条件、地质构造，从微震学、地质学、采矿学 的角度分析潜在规律，积累经验，为矿井的安全生产 保驾护航[5]。 4结语 微震监测技术作为最普遍、最实用的煤矿地球物 理法，可以对煤矿物理场岩体的动态变化实现有效监 测。以候村煤矿 3煤层为研究对象，对 3煤层赋存为 -1 200～-500 m 的深部开采导致采场内矿山压力显现 的情况，采用微震监测技术进行研究。由各采区工作 面震动事件分布规律和工作面掘进对岩层运动的扰动 效应研究可知，煤层厚度、围岩抗压强度与采场微震 事件的频次呈正相关；采深越大，原岩应力增加，断 层构造和褶曲构造对应力分布的影响范围具有两面性。 在深部开采矿井中应用微震监测技术，可以掌握岩层 运动的普遍规律，为矿井的安全生产保驾护航。 图 13501 工作面主要微震事件分布平面图 2.50E04 2.00E04 1.50E04 1.00E04 5.00E03 0.00E00 能量震动次数 10 8 6 4 2 0 日期 图 23502 工作面主要微震事件分布平面图 1.00E05 8.00E04 6.00E04 4.00E04 2.00E04 0.00E00 能量震动次数 25 20 15 10 5 0 日期 172 2020 年第 3 期2020 年 3 月 （上接 172 页） 参考文献 ［1］ 魏志国.SOS 微震监测系统在深部高应力冲击地压工作面的 研究应用 ［J］ .山东煤炭科技， 20171 79-81. ［2］ 刘业献.千米深井大采高沿空工作面微震活动规律研究 ［J］ . 煤矿开采， 2014， 196 90-92. ［3］ 韩洪举， 金思德， 张志强.SOS 微震监测系统的研究与应用 ［J］ . 中小企业管理与科技下旬刊， 20128 147-148. ［4］ 连鸿全， 邵学峰.鹤岗矿区冲击地压监测预报规律分析 ［J］ .山 西焦煤科技， 2012， 366 44-48. ［5］ 梁赛江.深井综放工作面支承压力分布及围岩控制研究 ［D］ . 青岛 山东科技大学， 2007. （ 责任编辑白洁 ） 2公共建筑智能化节能技术运行现状 a 对大楼是否开通了 BA 系统 （ 又称“建筑设备监 控系统” ） 进行调研和统计，因为表 1 中所列的技术基 本需要通过大楼的 BA 系统实现，因此调研上海市各类 型公共建筑是否开通了 BA 系统是基本前提。共调研大 楼 29 栋，包括新建建筑和既有建筑，新建建筑均设置 了 BA 系统，既有建筑中开通了自控系统的占总数的 83，未开通 BA 系统的原因主要为后期不愿意再投入 资金进行维护。 b 对大楼是否采用了自控系统实现节能运行管理 进行调研和统计，通过纵向和横向统计分析。其中， 纵向主要是对各大楼实现节能运行管理的百分比进行 统计，分析市场实现节能运行管理的现状；横向主要 是对各技术实现情况进行统计，分析哪些技术市场均 能满足，而哪些技术需要进一步去推广使用或研究如 何使用得更好。 调研情况为目前大型公共建筑利用自控系统实 现启停、监测等功能的比例为 80～100，而利用自 控系统实现节能运行管理的比例仅为 20左右；同时， 建筑中真正能实现节能运行的功能大部分不能用了 （ 见图 1 的分析） ，甚至有些功能如变风量全空气系统 风机变频控制、热回收过渡季节和冬夏季不同模式控 制在调研的大楼中没有一个可以实现的。 图 1建筑设计有但运行不好的功能的大楼百分比 实现率低的原因，一方面可能是设计时没有考虑 该功能，另一方面可能是设计时有该功能，但是在实 际运行中会因各种原因导致功能无法实现，特别是变 风量全空气系统风机变频控制、机组群控等功能。 3公共建筑智能化节能技术改进建议 业主投资建筑智能化系统，期待的主要回报之一 就是实现节电节能，目前国外 BA 系统节能率一般可达 30左右，然而国内在智能建筑中，真正能做到这一点 并不多，从上述分析也可以大致看出，采用智能化技 术实现节能功能的比率非常低，其主要原因是技术应 用和市场管理方面存在问题。 在技术应用和市场管理方面有如下建议a 目前， 上海市在智能化节能方面的标准和规范，包括设计阶 段、验收阶段等都有了相应的规定，建议在强制执行 上可以给予一定的力度和规定。b 由于很多功能如冷 水机组群控、变风量控制等需要非常专业的测试和评 估，以保证功能能正常发挥，改变上海地区那么多有 设计和实施但最后成为摆设的现状，避免浪费，因此 调试完成后建议由第三方检测机构进行测试和评估， 可将该测试和评估与目前上海市推行的能效测评结合 在一起进行，保证市场的良好运行。c 建立市场准入 门槛。a产品方面。加大产品定型力度，加快制订行业 标准，提高产品的市场准入门槛，让那些质量差、产量 小、服务不到位的产品尽快退出市场，为用户提供更 加可靠、质量信誉更好的产品。b公司资质方面。需 要政府相应主管单位安排对相关公司的资格与实力进 行评估，鼓励大型公司进入节能智能化领域发展，这 样市场才会像其他领域一样，逐步走向正轨。d 尽快 健全各种激励政策，比如加大节能项目补助力度，对 节能服务企业财税给予一定的优惠，以及给予节能产 品研发资金补贴等。 4结语 智能化在建筑节能中起着很重要的作用，作为以 后建筑节能的一个大方向，应掌握智能化节能技术的 运行现状、分析发展瓶颈、找出发展对策，并从技术 和管理两方面加以改进，具体包括对智能化节能方面 的标准和规范给予一定的执行力度和硬性规定；调试 完成后建议由第三方检测机构进行测试和评估，可将 该测试评估与目前上海市推行的能效测评结合在一起 进行，保证市场的良好运行；建立产品准入门槛，鼓 励大型公司进入节能智能化领域发展，引导市场逐步 走向正轨；尽快健全各种激励政策，比如加大节能项 目补助力度，对节能服务企业财税给予一定的优惠， 以及给予节能产品研发资金补贴等。 （ 责任编辑刘晓芳 ） 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 大楼设计有但运行不好的功能 174