冲击地压监测系统的实际应用
摘要：为了摸索煤矿因采深的逐步加大，造成煤矿冲击地压危险性增大的原因，进一步了解冲击地压发生的前兆，通过对ARAMIS M/E微震与ARES-5/E地音两套冲击地压监测系统的功能应用，数据整理、分析，大能量震动事件发生前煤岩层内破裂信号的接收对比分析,充分说明冲击事件的发生前，存在短期的应力变化阶段，及时对冲击事件的发生做出预测预报。

关键词：微震事件；地音活动；数据分析；能量变化；危险等级；
随着煤矿开采煤层深度的不断加大，冲击地压、顶板大面积来压等现象已经成为深部矿井发展的主要灾害，对矿井和人员安全造成了严重的影响。

随着冲击地压问题日趋严重，人们对冲击地压的防治也越来越重视[1]。

华丰煤矿是国内冲击地压灾害最早、最为严重的矿井之一。

为了利用可靠的监测方法研究和防治冲击地压，华丰煤矿先于2006年12月份引进装备了波兰ARAMIS M/E微震监测系统，用于监测全矿井范围内的岩层活动，而后于2008年8月份引进装备了ARES-5/E地音监测系统，用于监测矿井井田小范围内的煤岩层活动。

截至目前，两套监测系统已获得了大量的监测数据，通过对数据的深入分析，提高了对煤岩层活动规律的了解。

1 微震与地音
微震事件是岩体破裂的萌生、发展、贯通等过程失稳的动力现象。

在煤矿，微震事件
是由地下开采活动诱发的，微震事件的发生在一定程度上反映了煤岩体内应力场的变化情况，影响范围从几百米到几公里，甚至几百公里[2]。

地音是煤岩体破裂释放的能量，以弹性波形式的向外传递过程中所产生的声学效应。

相比微震现象，地音为一种高频率、低能量的震动。

大量科学研究表明，地音是煤岩体内应力释放的前兆，利用地音现象与煤岩体受力状态的关系，可以监测到局部范围内未来几天可能发生的动力现象。

微震监测系统与地音监测系统都是用于监测煤矿开采过程中煤岩体破裂过程中诱发的震动，通过对监测数据进行统计分析，研究煤岩体的破坏规律，判断潜在的矿山动力灾害活动（冲击地压）规律，从而实现对煤矿冲击危险的评价和预警[5]。

2 华丰煤矿微震与地音监测系统简介
2.1ARAMIS M/E微震监测系统
微震主要是用于监测矿井井田因采动影响，在不同地点发生的破裂，对事件进行科学统计，来发现冲击地压的发生规律。

其主要工作原理是利用各拾震器接收到震动波的时间差异，在特定条件的波速场
下进行定位，以判定震源位置。

华丰煤矿ARAMIS M/E微震监测系统由软件操作系统和11个井下监测分站，和4个地面监测分站组成。

主要监测整个矿井范围内微震的发生和定位，确定每次震动的能量，给出震源位置图，已成为较为准确预测预报冲击矿压的主要手段之一。

2.2 ARES-5/E地音监测系统
地音监测系统的工作原理是：通过提供统计单位时间监测区域内地音事件的数量和释放的能量，来判断监测区域的冲击危险等级；经过长期监测后，可以在已有数据的基础上，对下一时段内监测区域危险等级进行预测，从而实现对监测区域的危险性评价和预警。

华丰煤矿的四层煤为主采煤层，现场共布置了6个地音探测器。

在掘进工作面后部布置两个探测器；采煤工作面分别在工作面进风巷、运输巷各布置一个探测器，且随工作面的推进交替外移。

3 微震和地音系统的应用
3.1 微震监测系统的应用
华丰煤矿2409采煤面煤层具有强烈冲击倾向。

推采期间微震监测系统监测到能量大小不一的微震事件和震级大小不等的矿震事件多次，并多次成功地预报冲击矿压事件。

2009年12月12日2409面发生1.8级矿震前微震监测系统监测到工作面微震事件统计。

11月17日，2409面发生一次震动事件后，工作面微震事件次数迅速减少，并在接下来的21天内没有增加的趋势，始终保持上下波动不超过6次。

12月12日在采动影响下上覆岩层发生一次剧烈活动，在工作面第二危险区内，诱发了1.8级冲击事件。

由此证明：工作面微震事件次数急剧减少，煤岩活动产生的能量不断地积聚，得不到及时释放，在工作面采动的影响下，煤岩体之间应力场发生很大变化，达到了应力临界值，促使上覆岩层大范围的活动，从而引发了此次1.8级冲击事件。

显然，微震小事件的活动反映了大的断裂活动前的微破裂过程，小事件活动面积的变化，反映了岩层内部应力的变化，因此可以以此推断较大微震活动的发展过程。

此次1.8级矿震发生过程：工作面上覆岩层活动比较稳定——能量处于缓慢积聚状态——积聚多日的能量得到充分释放。

结论：当工作面微震事件次数经历“急剧下降到最低点、上升到一个峰值、再下降到最低点”这样的过程后，工作面会发生大震级冲击事件。

3.2 地音监测系统的应用
地音监测系统现场应用以来，经过长期的摸索与研究，获悉了地音监测数据的一些规律，实现了对局部煤岩层的微破裂监测，为预报
冲击事件提供了实时、有利的依据。

图1是1411工作面2010年9月份地音工作班变化趋势。

从地音变化趋势可以看出，进入9月份后，地音能量与频次同时升高，在9月6日发生震动事件后能量、频次变化不同。

当地音能量和频次的变化起伏较一致时，且持续时间较长，预示着区域内能量的积聚，直至29日煤岩体内应力状态达到极限状态，于12点51分发生了一次1.9级矿震，煤岩层活动又趋于暂时稳定状态。

在地音活动升高的同时，地音监测系统中的危险等级评定也相应
的出现d级（地音监测对冲击地压的危险性评价分为4个等级，a级无冲击危险、b级弱冲击危险、c级中等冲击危险、d级强冲击危险），特别是在9月25日-29日期间，各工作面等级评定全部为d级，在连续发生完矿震事件后，等级评定才降至为a级。

实践应用证明：当地音能量和频次变化曲线持续呈上升趋势，同时监测系统等级评定连续显示d级时，预示着大震级矿震事件的发生。

单由地音变化趋势图来看：采掘工作面的地音活动受采动应力控制，地音变化与煤体应力变化有相似的过程形态[4]；且地音超前于变形和压力变化；地音活动三阶段时间过程，即相对平静、急剧增加、显著减弱等三个阶段。

当地音活动集中在采区某一部位，且地音事件的强度逐渐增加时，预示着有冲击地压危险。

地音监测系统正是利用地音的时间变化来判断应力状态和预测冲击地压危险。

3.3 地音监测系统和微震监测系统的结合
由于冲击地压是矿山井巷或采场周围煤岩体，由于弹性变形能的瞬间释放而产生的动力现象，所以冲击地压发生根源可能位于围岩近场，也可能是远场，也有可能是二者结合[5]。

采用微震和地音监测相结合，不仅在时间上起到即时预测，在空间上也达到从区域预测到局部、点预测，能够逐级排除和确认冲击危险，实现分级预测[6]。

11月2日的冲击事件进行分析。

表1为微震监测系统在11月2
日监测到的1411工作面的微震事件，图2为地音监测信号图2 地音系统监测信号
结合表1和图2可以看出，工作面发生的微震事件与地音信号对应一致。

由此可以说明：煤岩体的物理性质决定了其各种微裂隙、空隙的存在，在外力的作用下裂隙点产生应力集中，破裂点逐渐增加，达到地音频率信号阈。

在采动继续影响下煤岩层破裂点面积不断地增大，产生的震动由高频率、低能量逐渐转变成低频率、高能量，促使微震事件的发生。

当煤岩体活动产生的震动，使采区及周围的区域应力失去平衡，并在局部区域积累能量，最后以冲击或重力等方式释放出来，引起岩层震动而诱发矿震事件，全面实现了从量变到质变的过程，也就是煤岩体从微破裂到破坏的全过程。

4 结论
1）微震、地音监测系统的实时应用，对冲击地压矿井的开采提
供了强有力的保障，数据全面透彻的分析，为前期的预测预报提供了可靠的依据，对煤矿冲击地压事件的发生可以达到一定的预测预报目的。

2）微震监测系统的实时监测，实现了砂砾岩层的活动与断裂影响范围的监测；并且，结合地音监测系统的监测结果，可以及时判断出煤岩层活动对工作面造成的危险程度，有效提高冲击地压危险性评价的准确性，进而能够更加及时的采取相应的防治措施。

参考文献
[1]姜福兴.矿山压力与岩层控制[M ].北京：煤炭工业出版社，2004
[2]姜福兴,XUN Luo.微震检测技术在矿井岩层破裂监测中的应用[J].岩土工程学报，2002.24（2）：391-395
[3]宋振骐，等.使用矿山压力控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，1988.
[4]齐庆新，窦林明，冲击地压理论与技术[J],中国矿业大学出版社，2008
[5] 潘俊锋，齐庆新，毛德兵，等. 冲击矿压危险源及其层次化辨识[J]. 煤矿开采，2010，15（2）：4-7.
[6] 窦林名，何学秋，Bernard Drzezla. 冲击地压危险性评价的地
音法[J]. 徐州：中国矿业大学学报，2000，29（1）：85-88.。