微地震技术在煤矿安全监测方面的应用
摘要： 微地震事件与煤矿井下的岩体破裂情况密切相关，而岩体破裂与采矿活动又有直接关系。对微地震监测可以发现岩体活动剧烈的区域，以合理指导开采，预防井下因采矿活动引起的冒顶，垮落等灾害的发生。研制了井下微地震监测的仪器设备进行监测，根据初至波时间差方法进行了微地震事件的定位，并在此基础上进行安全状况的判断。该方法和数值计算结合，对岩体的安全状况可以做出更加合理的判断。基于此，该技术未来有很大的推广价值。
关键词： 微地震；井下监测；时差定位；安全判据
1 微地震与矿山岩体破裂
矿山采场及巷道围岩破坏前后发生的微地震（Micro seismic, MS），属于矿体围岩系统在其力学平衡状态被破坏并且释放出大于消耗能量的瞬间震动。每次能量的突然释放均伴随应力平衡状态的破坏，从物理破坏点(震源)向外传播地震波，由于矿井微地震与围岩破坏机制不同，因此仪器所记录和测得的参数也不同。但是，它们同是能量释放，因此岩体破坏与微地震之间必然存在一定的内在关系。倘若在矿区某一区域出现微地震现象，则只象征着有潜在的岩体破坏危险，它存在着较大的随机性和复杂性。只有当岩体出现明显破裂后，才被认为是岩体破坏失稳。岩体失稳破坏发生的内因是岩体承受的载荷超过其极限承载能力，而微地震是一个循序渐进的过程。因此，研究岩体压缩破坏过程的微地震活动特征对于预报岩体破坏失稳、保证矿山安全生产具有重要意义。对安全问题的高度重视，要求矿井配备先进的自动安全监测系统，改变传统的依靠人工测试、人工判断预报的落后监测方法。目前相关研究已经逐步展开，正在成为研究的热点问题之一。
1.1 微地震现象与矿山安全
研究微地震，目的是以此为手段，来判断岩体的内在状况，如微地震源的位置、性质和岩体破坏严重程度。所以震源的定位研究成为微地震监测重要的、不可缺少的组成部分。震源的定位方法有很多，对于煤矿开采过程中围岩破坏的微地震定位，主要应用二维、三维的时差定位。时差定位是经过对各个微地震信号到达时间差、波速和检波器间距等参数的测量及一定的算法运算，来确定震源。
在定位理论的指导下，国内外开发研制了很多微地震定位仪器设备。例如蔡美峰等把微地震监测技术应用于矿山监测中，对老虎台煤矿进行的安全监测和预报[1]；澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）也研制了Siroseis系统，用于微地震的监测和定位，取得了比较满意的效果[2]。加拿大Mercer等采用统计方法和数值方法计算地应力，综合分析微地震现象和安全的关系，为矿井设计服务[3，4]。
1.2 微地震信号的特点
微地震信号与天然地震类似，但是其能量要小得多。岩体中微地震波传播规律的研究对于微破裂的准确定位具有重要意义。岩体含有许多节理、裂隙、断层、夹层等缺陷，含水量也不同，所以微地震测量数据具有分散性。但是微地震信号的时域和频域的波形一般具有相似性。
因为大量岩体内部缺陷的影响，会发生反射、折射和散射等复杂情况，信号也随着传播距离而衰减。影响衰减的因素很多，主要有：品质因子 Q，岩体内部缺陷的分布和数量，孔洞的分布和数量等。这些地质条件类似于一个天然的滤波器，通常这个滤波器会把高频波过滤掉，低频波通过。与天然地震类似，微地震振幅也随距离逐步衰减，但是近距离衰减得快，远距离衰减得慢一些。
1.3 检波器布置的要求和方法
利用微地震进行矿山安全监测，根据具体情况井下微地震监测仪应满足以下基本要求：
（1）鉴于井下工作环境，仪器体积不宜太大。
（2）采用高性能计算机进行数据采集和处理。
（3）防爆、防湿、防尘、防震。
（4）井上、井下数据通讯与计算机遥控。
根据上述要求，山东科技大学相关课题组自主专门设计开发了 Comise2002 煤矿井下微地震监测仪，其结构组成如图 1 所示。该仪器结构简单，操作灵巧方便，符合煤矿井下防爆安全要求。
图1 煤矿井下微地震监测仪的组成
Fig.1 Composition of MS monitoring instrument underground coal mine
另外，检波器的布置应当考虑以下因素：
（1）与定位算法结合，检波器的埋置须覆盖整个监测范围，使得计算过程收敛[5]；
（2）经济、安全、高效，尽可能减少支出；
（3）可操作性强，由于检波器是布置在钻孔里面，所以钻孔深度不能太大，特别是在井下操作、空间狭小里；
（4）应使布置点所受其他外界因素，如各种机械、管缆的干扰最小。
2 微地震事件定位及与采场覆岩破坏失稳
2.1 微地震时差定位原理
由于纵波 P 波的传播速度较横波 S 波快，且初至时间易于识别，所以采用 P 波定位。假定 P 波以常速度 V 传播， xi , yi , zi , t i , t 分别是某检波器点的坐标、记录到的 P 波到达时刻和微地震的实际发生时刻，则微地震源与 m 个检波器的走时关系是
（3）以矩阵表示
（3） m > n = 4 时是矛盾方程组，可以求得唯一极小范数最小二乘解
2.2 微地震监测系统布置及监测结果
采用山东科技大学自主研制的 Comise2002 煤矿井下微地震监测仪对华丰煤矿 1409、1609 和 1610工作面覆岩断裂破坏进行监测。将观测系统布置在 1609 中和 1610 中工作面停采线前后的 200m 范围内，实施监测的工作面走向总长度约 400m。1409、1609 和 1610 工作面开采条件为：工作面倾斜长度为 150～200m，走向长 2000～2100m；煤层厚度为 6.0～7.3m，其中开采高度为 2.0m，放煤厚度为 4.0～5.3m；地面标高+110～130m。共布置 4 个倾斜钻孔，在巷道内向上钻进，钻孔名分别称为 A、B、C、D，其中 A、C、D 三个钻孔的孔径为 108mm，B 孔的孔径为 98mm。每个钻孔设计安装三个三分量检波器，间距 30m。为提高观测效果及可靠性，沿巷道壁布置 3 串巷道检波器，用于辅助定位，巷道检波器直接固定在巷道壁上。
钻孔及巷道检波器平面位置见图 2。
图2 华丰煤矿井下微地震监测系统布置图
Fig.2 Layout plan of MS monitoring system in Huafeng Colliery
井下监测从 2004 年 11 月 1 日开始，到 12 月 31 日结束，其间每天均记录了大量有效的微地震事件，一般每天 50～200 个，典型的微地震事件见图 3。
图3 煤矿井下记录的微地震事件
Fig.3 Recorded MS event underground coal mine
根据线性方程定位原理输入微地震监测的坐标和时差参数，可以得到相应的微地震事件的定位结果。
图4 1409 工作面微地震事件的定位结果
Fig.4 Location result of MS events in 1409 coal face
图5 1610 工作面微地震事件的定位结果
Fig.5 Location result of MS events in 1610 coal face
图6 1609 工作面微地震事件的定位结果
Fig.6 Location result of MS events in 1609 coal face
图 4，5，6 分别是 11 月 15 日、12 月 18 日、12 月 27 日的定位结果，分别对应着 3 个工作面上监测到的 99、235、128 个微地震事件。为显示方便，采用了局部坐标。Y 轴附近为开采扰动区域，可见，在其附近发生的微地震事件最为密集。微地震事件连续贯通，则意味着破裂带的产生。单独的微地震事件并不表示已经发生了岩体破裂。可以看出，破裂集中在工作面上方约小于 100 米的范围内，但是其扰动范围可以达到几百米，其它方向的微地震事件很少。因此，微地震事件的定位结果可以揭示采动后上覆岩层的运动情况。微地震事件主要集中在采场直接顶和老顶范围内，显示该区域岩体活动剧烈，与煤层开采后顶板运动规律相吻合。另外，依据微地震事件与“三带”的关系，可以用微地震事件的稠密程度示“三带”的范围以及进行安全预报。
3 采场覆岩破坏失稳的微地震预报
3.1 作为预报指标的微地震参数
一般认为，随着时间的推移，微地震事件在空间越趋于集中，岩体破裂的危险性越大；反之如果微地震事件在空间趋于分散，则危险会越来越小。可以用下面 3 个考虑时间因素[6]的微地震参数作为预报指标。
（1）MS 事件的距离差分。此参数用于衡量微地震事件的相互接近程度，按下式计算：
（2）MS 事件的能量差分。一般情况下，发生地质灾害之前，微地震事件所释放的能量会有明显的变化，微地震事件的能量差分就反映了这种变化。把该变化提取出来作分析，就可以预测失稳是否可能产生。计算方法是
①先根据监测结果得到微地震事件随时间变化的波形。
②计算波形曲线下与时间横轴间的面积，得到一系列微地震事件的能量。
③类似式（14），同样可得到微地震事件能量 E 的 k 阶差分。
④计算并且判断差分是否有上升的趋势。大多数情况下地质灾害发生之前，微地震事件所释放的能量会有明显增加。
（3）MS 事件频数差分。在某一监测时期内，按照一定的时间间隔统计该段时间的微地震事件，得到一个时间序列，即是微地震事件的频数。发生地质灾害前，由于该范围内地质活动非常活跃，所以微地震事件的频数会有明显的变化，微地震事件频数的差分就反映了这种变化，该参数也可以作为衡量地质灾害是否发生的重要指标。计算方法是
①根据总监测时期确定适当的时间间隔，这些时间间隔应当长度相同。根据监测结果计算先后时间段内微地震事件各自的频数 N i 。
②同样类似式（14），可得到微地震事件频数 N 的 k 阶差分。
③计算并且判断差分结果是否有上升的趋势。大多数情况下岩体破裂发生之前，微地震事件频数会明显增加。
3.2 微地震的安全预报
如果用 s 表示安全的度量，系数为 1 表示安全，0 表示破坏，则安全与距离、能量和频数的关系可表示为
s = α / ∆d + β ⋅ ∆E + γ ⋅ ∆N（15）
α , β , γ 是权重系数，实际经验证实，安全与能量释放的关系更为密切，所以这里 α , β , γ 分别取 0.2，0.5，0.3。对 s 在 0～1 之间作归一化处理，表示即将发生失稳破坏的危险程度。 s 越来越小，表示安全状况劣化。为找到岩体微地震规律与岩体失稳活动的规律，对三个工作面直接顶板冒落前的观测数据进行了分析。利用（15）式代入相应的 ∆d ， ∆E ， ∆N 值计算，得到了 s 值。
图7 1409 工作面直接顶垮落前微地震的安全系数变化
Fig.7 Parameters variation of MS events before immediate roof fall in 1409 coal face
图8 1610 工作面直接顶垮落时微地震的安全系数变化
Fig.8 Parameters variation of MS events before immediate roof fall in 1610 coal face
图9 1609 工作面直接顶垮落时微地震的安全系数变化
Fig.9 Parameters variation of MS events before immediate roof fall in 1609 coal face
比较图 4，5，6 和图 7，8，9，发现微地震是产生岩体失稳的必要条件而非充分条件。即，岩体破坏失稳必定伴随微地震发生，但是微地震的发生不一定预示着岩体的破坏失稳。这也是用微地震预报岩体破坏失稳的主要困难所在。对应于本次实验的监测时间，如果以 s = 0.5 计，三个工作面直接顶保持未失稳状态的预报时间分别是 160、130、 90 小时，而实际破坏时间分别是 240、190、 125小时，这样可以赢得几天的时间，对于安全预防工作意义重大。实际上，微地震的变化距离、能量、频数的一到三阶差分基本都能够显示微地震事件的变化规律[11]，其预报效果接近，实际工作中只选其一即可。
3.3 有限元法的结合运用
某些特殊情况下需要微地震监测结合其他方法进行安全预报。微地震的发生与宏观大尺度岩体内部的缺陷发展、破裂有着密切的关系。因此同样的裂纹生长过程，可以采用不同的监测手段。这些方法和手段用不同参数作为基准来定量化地反映岩体的内部状态，例如弹性常数、屈服应力、拉伸强度等。在大范围的岩体安全监测中，可以把微地震与有限元方法结合，确定岩体的破裂范围或区域。这样可以得到不同受力状态下(包括温度、环境影响等)岩石材料内部的微地震演化、发展规律，纠正偏差，比较准确地预测岩体的可能发生的宏观破裂。
图 10 岩层位移矢量
Fig.10 Rock strata displacement vector
表 1 计算模型的参数
Fig.1 Model's adopted parameters
图 10 是对某矿井采区建立的模型后进行的数值计算。计算参数见表 1。考虑岩体自重，模型上表面所受压力
从图 10 中可以看出，采空区域周围的岩体破裂最为活跃，位移最大。这与图 4，图 5，图 6 相对应。安全判定的关键，是看微地震定位结果与数值计算结果中的危险区域重合程度大小。另外需要考虑重点区域的地质条件，特别是断层和节理以及破碎带的影响。数值计算不能够完全与真实的地质条件吻合。因为：
1） 数值模拟的模型是均质的，而实际情况是裂隙和损伤是随机分布的；
2） 微地震定位解可能会有一定误差；
3） 断层和节理以及破碎带会使局部区域的受力条件劣化。
一般情况下如果岩体的均质性很好，应力和能量越集中的区域，微地震发生也更加密集，二者具有较强的相关性，可以互相比较，用于岩体破裂失稳的判断和预报。
4 结论
微地震监测事件直接反映井下围岩破裂情况，据此总结出的微地震特征和规律与采矿活动直接相关，微地震监测结果可以指导合理开采，预防井下因采矿引起的地质灾害发生。微地震事件震源位置特征实用性和指导性更大，根据微地震监测结果可以总结分析多种特征信息，综合解释采矿地质现象，解决采矿过程中的岩体破裂问题。在矿山利用井下微地震监测技术，将微地震定位、有限元、可视化等多种方法结合起来预测岩体破裂，是一项创新性的探索工作。虽然还有许多问题需要解决，但同其它监测方法相比，具有许多独特的优越性。为加强中国煤矿的监测， 开发井下自动化、可视化的微地震监测系统对提高煤矿的生产安全有重要意义。鉴于此，该技术在未来必将得到广泛的应用。
长沙鹏翔科技自主研发的PXMMS微地震油井裂缝检测仪可以采集分析这些微地震，并根据微地震走时进行震源定位，由微地震震源的空间分布可以描述人工裂缝轮廓。微地震震源空间分布在柱坐标系三个坐标面上的投影，可以给出裂缝的3D图，可很直观的描述裂缝的长度、方位、产状。与其它方法相比，该方法即时、方便、直观、适应性强。
