中国煤炭特厚煤层综放面高精度微震监测技术的应用

中国煤炭，2008,34(8)；64-66.特厚煤层综放面高精度微震监测技术的应用黄庆国1，高润平2（1.山西大同大学工学院，山西省大同市037003；2.同煤集团公司塔山矿技术部，山西省大同市037003）摘要:为了研究同煤塔山特厚煤层综放面围岩运动的规律，根据综采放顶煤工作面的实际情况，按高精度微震监测技术的要求，确定了测区布置的原则，分析了影响监测定位精度的主要因素，对采集数据进行了研究比对，初步得出了塔山煤矿特厚煤层综放工作面围岩运动参数。关键词:特厚煤层综放高精度微地震监测微地震监测技术是一种新型的高科技监控技术：该技术可应用于多种工程技术及科学研究领域，它是通过观测、分析生产活动中产生的微小地震事件，来监测其对生产活动的影响、效果及地下状态的地球物理技术。其基础是声发射学和地震学，当地下岩石由于人为因素或自然因素发生破裂、移动时，产生一种微弱的地震波向周围传播，通过在破裂区周围的空间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，并在三维空间上显示出来。1高精度微地震监测技术国内外微地震监测技术多是从大地地震行业转化过来的，将之用于煤矿井下主要存在2个问题：一是监测仪器的精度和定位软件不能满足煤矿精确定位的要求；二是国外在煤矿开展这项工作时，一般在地面向下打钻，用灌浆法安装检波器，监测主机也放在地面，因此操作起来相对简单。而国内的煤矿深度一般在400m以上，地面钻孔显然已不经济，而且不易操作。监测仪器必须放在井下，而且要防爆。针对这些问题，北京科技大学姜福兴、张兴民研制成功了井下防爆型高精度微震监测仪器并获得了专利。他们把高精度微震监测技术应用到了塔山煤矿。高精度微震监测系统包括硬件系统和软件系统两大部分。1.1硬件组成微地震监测系统硬件主要由以下部分组成：防爆计算机；前置放大器；数据采集板（卡）；三分量微地震传感器与电缆；数据通讯调制解调器；专用发爆器；电源；通讯电缆。其中，防爆计算机是最重要的一种硬件设备。塔山矿监测系统采用浪潮CYBF001型防爆计算机。该计算机有隔爆型外壳，有规定的防爆结合面参数，表面温度不大于规定值。符合GB3836-2000爆炸性气体环境用电器设备标准。硬件系统的特点是集成度高、防爆，可以实现井下和地面的通信。通过在2个煤矿的应用，证明了在精度、可靠性、监测范围等方面,完全满足煤矿的要求。达到的主要技术指标和参数如下:接收道数64道；最小采样间隔0.125～2ms；记录精度16位；最大记录长度512～4096样点，根据需要可扩展；前放固定增益1～100倍；程控增益1、2、4、8倍；前放静态工作电流每道小于15mA；最大交流输入、输出信号电压±10V；前放输出直流漂移小于100mV；前放通频带宽度10～1500Hz；记录时间一致性误差±1ms；记录振幅一致性误差小于3%；前放功耗小于20W；可以在有爆炸危险的环境应用。同时，与监测系统配套的新型检波器及其安装技术也取得了进展。煤矿井下向上钻孔内检波器“串”的安装方法，一直是一个难题。因此，同时开发研制出了2种检波器及其安装方法：①液压安装法适用于钻孔深度在50m以内的中硬及硬岩层，且检波器可以回收复用；②药包安装法适用于软弱的岩层和深度50～100m的钻孔。这两种方法已经在现场试验成功并开始在工程中应用。1.2软件配置高精度微地震监测系统软件配置主要包括操作系统、数据采集卡驱动程序库、微地震监测数据采集软件系统以及数据通讯程序。高精度定位软件和系列工程应用软件是监测系统的重要组成部分，通过研究煤矿采煤工作面尺度与微地震监测控制尺度的关系，提出了提高小尺度监测精度的传感器布置方法、平均速度结构以及多点“四－四复合”定位等观点和实现技术。并研制了“四－四复合”定位软件。为了将微地震监测的结果转化成采矿工程师能够直接应用的产品，开发了系列应用软件。有代表性的软件为：将微地震定位结果直接合成到开拓开采平面图和剖面图上的软件，通过它可以直观地看到破裂过程与开采过程的关系；在破裂点分布的平面图上，作出任意位置剖面图的软件，通过它可以了解和观察顶底板的破裂情况和矿山压力的分布特征；配合数据分析还研制了破裂过程的动态显示软件及微地震事件的统计分析软件。2测区布置方案2.1监测工作面概况8103工作面以东与大同市南郊区塔山矿为界，南面以1070回风巷为界，连通1070皮带巷、辅运巷，西面为设计的8104工作面未开拓，北邻雁崖矿长胜里住宅区保护煤柱。上覆侏罗系11号、14号煤层，局部为同煤麻地湾与矿区胡家湾煤矿等小煤窑开采区，层间距为290～370m。采面地表标高1408～1561m，工作面底板标高1010～1045m，煤层埋深363～551m。工作面走向长2793m，倾向长230.5m，面积643855.7m2。煤层平均厚度18.46m，倾角平均3°，地质构造简单。2.2测区布置原则根据观测的目的要求，确定8103工作面测区布置的原则如下。1）考虑到工作面倾角较小，四周是实体煤，开采后两道周围岩层运动与应力分布相对于工作面走向中线来说是对称的。因此，只要在一条巷道内（8103回风巷）布置测区即可。2）为了能够精确监测破裂位置，同时考虑到可靠性，在距离开切眼230米处设第一个钻孔，向上垂深30～50m，钻孔向煤柱侧倾斜，这样可以使钻孔寿命延长。每隔30～50m左右布置一个钻孔，共布置20个三分量检波器，监测控制的距离达到500m，包括监测工作面见方和正常推进期间的岩层破裂规律。由于微地震监测信号的有效区域一般在200～300m，坚硬岩层断裂的监测距离可以达到1000m以上，因此，目前的测区可以覆盖走向800m、顺槽两侧各300m的区域。2.3钻孔设计参数本测区共布置20个钻孔。钻孔编号分别为1#至20#，如图1所示。其中，10#钻孔为炮孔，且在放完定位炮后在此钻孔中也安装一个检波器。其余各钻孔各安装一个三分量检波器。钻孔直径为97mm。8103面回风巷15m40m60m15m60m15m40m15m60m15m15m40m60m工作面推进方向2007年10月15日工作面位置60m60m60m60m60m60m20#60m17#60m14#60m11#60m8#40m5#60m19#18#16#15#13#12#10#9#7#6#4#3#30m30m30m30m30m30m30m30m30m30m30m30m150m40m1#2#图1测区布置钻孔编号示意3微震监测系统标定监测系统在井下安装后，需要通过放炮标定，以检验检波器和系统的工作状态，并获得弹性波在岩层中传播的参数，包括弹性波在各种介质中的传播速度、平均传播速度、能量衰减速率、标定定位精度等。在10号孔内安装15kg左右矿用炸药，深度为35～40m，将微震监测参数调整到单道记录状态，记录所有传感器的工作状态，做出可靠性分析。标定炮成功起爆后，各检波器都记录到了有效波形，所有检波器收到了质量很好的信号，表明检波器安装和整个监测系统工作状态良好。复合定位结果：（x,y,z）=(3899.3,5089.3,1009.1)，坐标变换后的炮点定位的结果为（543899.3，4425089.3，1009.1），实际炮点坐标（543900.9，4425097.5，1009.3）。误差为：X方向0.6m，Y方向8.2m，Z方向0.2m，平均误差3.0m，误差在预计的范围内，定位精度能够满足工程应用。4影响定位精度的因素微地震定位监测的精度[4]是决定监测结果能否应用于采矿工程的关键，依据塔山矿监测工作面的实际情况，科学分析了影响微地震定位监测精度的开采因素、地质因素、测站因素、监测因素和算法因素，经过对影响精度因素的系统分析，采取了有效技术措施，较好地控制了主要误差因素，提高了定位精度。5监测数据采集与处理微震监测系统属于自动记录仪器，所有数据记录均自动完成，并存储于微震仪指定的位置内。原始数据的获取有两种方法：一是人工到井下用移动硬盘拷贝数据；二是采用电话线自动传输数据。本项工程监测工作实施时，由于原始数据量大，电话线自动传输不稳定，故采用井上、下光纤传输。实践证明，在井下防爆计算机与地面监测站电脑主机组成的局域网系统中，微震监测数据光纤传输速度快、稳定性高、误码率低。在监测传输距离远、数据容量大的工程中应优选。监测结果为二进制文件，通过已开发完成的“微地震解释”软件打开，拾取到时，再通过“微地震定位软件”处理，最后，通过“微地震监测结果显示”软件将微地震事件投影到平面图、剖面图上，进行系统的分析处理，如图2所示。图2微地震事件投影图在走向剖面图上6结束语监测期间8103工作面共推进398.4m，对采集的微震数据进行了整理分析。塔山微震波以煤岩分裂模式传播，顶、底板岩层传播速度存在差异；岩层破裂在高度方向上具有明显的层位效应，在超前层位上，先是高位顶板岩层发生破裂，然后是低位岩层发生破裂；密集分布区破裂高度50m，正常破裂高度75m，周期性最大破裂高度150m，局部达到200m。工作面超前支承压力范围为工作面前100m左右。8103工作面顶板在侧向35m以内开始断裂，密集分布区破裂范围100m，破裂高度75m。采面覆岩运动参数的得出，为科学地进行开采设计和矿山压力控制提供了基础数据和科学依据。作者简介：黄庆国（1961－），男，河北阜平人，副教授，Tel:[phone]，E-mail：[e-mail]参考文献：[1]姜福兴,杨淑华,XUNLuo.微地震监测揭示的采场围岩空间破裂形态[J].煤炭学报,2003(4).[2]李凤琴,张兴民,姜福兴.煤矿井下微震监测系统及应用[J].煤田地质与勘探，2006（8）.[3]姜福兴，张兴民.煤矿井下微震检测仪[P].中国专利:ZL20042003944219,2005-03-23.[4]姜福兴,王存文,杨淑华等.冲击地压及煤与瓦斯突出和透水的微震监测技术[J].煤炭科学技术，2007