DO I :10.13532/j .cnki .cn11 -3677/td.2010.01.003 第 15卷 第 1期 (总第 92期) 2010年 2月 应用基础 煤　矿　开　采 CoalminingTechnology Vo1.15No.1 (SeriesNo.92) February　 2010 微震 地音数据综合分析法初探 邓志刚, 任　勇, 王传朋, 王元杰 , 王书文 (天地科技股份有限公司 开采设计事业部 , 北京 100013) [ 摘　要] 　随着波兰 EMAG公司生产的 ARAMISM/E微震监 测系统 和 ARES-5/E地音 监测系 统的不断推广应用, 相关知识和经验的逐渐积 累, 研究 发现对 ARAMISM/E微震监 测系统和 ARES- 5/E地音监测系统的监测数据进行综合处理, 结合两者的优点, 最终 得到的分析 结果更有 利于指导矿 井主要采动影响区域的冲击 矿压防治工作。 [ 关键词] 　冲击矿压;ARAMISM/E微震监测系统;ARES-5/E地音监测系统;综合分析 [ 中图分类号] TD324.2　　 [ 文献标识码] A　　 [ 文章编号] 1006-6225 (2010) 01-0008-03 ResearchonComprehensiveAnalysisMethodofMicro-seismicandAcousticEmissionData DENGZhi-gang, RENYong, WANGChuan-peng, WANGYuan-jie, WANGShu-wen (CoalMining＆ DesigningDepartment, TiandiScience＆ TechnologyCo., Ltd, Beijing100013, China) Abstract:WithcontinuousapplicationofARAMISM/EseismicmonitoringsystemandARES-5/Eacousticemissionmonitoringsys- temfromEMAGofPoland, relatedknowledgeandexperiencewasaccumulated.Thispaperputforwardacomprehensivedataprocess- ingmethodofARAMISM/EandARES-5/E.Byintegratingadvantagesofthesetwosystems, analysisresultwasmorebeneficialtoin- structingrock-burstpreventionwork. Keywords:rock-burst;ARAMISM/Eseismicmonitoringsystem;ARES-5/Eacousticemissionmonitoringsystem;comprehensivea- nalysis 　　为了提高煤矿的冲击矿压预测预报水平, 提高 冲击矿压防治工作效率, 天地科技股份有限公司于 2007年开始引进波兰 EMAG公司的 ARAMISM/E 微震监测系统和 ARES-5/E地音监测系统 , 目前 2套系统已经在我国多个典型冲击矿压煤矿成功应 用 , 在煤矿的冲击矿 压防治工作中 发挥了巨大作 用 。 在肯定 ARAMISM/E微震监测系统和 ARES- 5 /E地音监测系统巨大作用的同时, 相关人员也逐 渐认识到, 目前大部分煤矿还只是发挥了系统的部 分功能 , 对其各自的监测数据进行最基本的分析处 理 , 并没有寻找到合适的方法对 2种系统的监测数 据进行综合分析 , 发挥系统更大的作用。 因此 , 在 进行了大量理论研究和数据分析的基础上 , 本文提 出了微震、 地音数据综合分析法, 综合处理两系统 的监测数据 , 取长补短, 系统分析, 使分析结果能 够更加有效的指导煤矿冲击矿压防治工作 。 1　微震监测系统和地音监测系统简介 ARAMISM/E微震监测系统与 ARES-5 /E地 音监测系统都是用于监测煤矿开采过程中煤岩体的 破裂事件 , 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 (冲击矿压 )规律, 从而实现对煤矿冲击危险的评 价和预警 。 其中 , ARAMISM/E微震监测系统主要用于实 时监测全矿井范围内发生 的煤岩体宏观破 裂现象 (即微震事件 )。 在 ARAMISM/E微震监测系统的 运行过程中, 首先是遍布在全矿井范围内井下分站 接收到微震事件发生过程中释放的能量波, 并将震 动信号转化为电压信号传输至地面中心站;地面中 心站对接收到 的各通道监测信 号进行对比 、 分析 后, 将其传输至数据处理服务器 ;数据处理服务器 实时显示监测 信号的波形图 , 确认发生微 震事件 后, 发出声光报警信号 , 并将确认后的事件数据传 输至系统数据处理软件 ;最终, 应用系统数据处理 软件完成微震事件的精确定位和能量计算, 并将处 理结果显示在矿图上。 ARES-5/E地音监测系统主 要用于监测矿井 主要采动影响区域内发生 的煤岩体微观破 裂现象 (即地音事件)。在 ARES-5/E地音监测系统的运 行过程中 , 首先是布置在监测区域内的监测探头接 [ 收稿日期 ] 2009-09 -16 [ 基金项目 ] 国家重点基础研究发展计划 (973) (2005CB221503)与国家 “十一五 ” 科技支撑计划资助项目 (2006BAK03B0702)。 [ 作者简介 ] 邓志刚 (1981 -), 男 , 吉林长春人 , 硕士 , 主要从事冲击矿压 、 煤矿安全的研究工作 。 8 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

邓志刚等:微震 地音数据综合分析法初探 2010年第 1期 收到地音信号, 并将信号传输至地面中心站;地面 中心站对接收 到的各通道监测信号进 行模 -数转 换 、 分类统计后 , 将其发送至 数据处理 软件;最 终 , 数据处理软件实时显示各通道监测数据和危险 等级评价结果, 同时可打印单位时间内的数据统计 报告 [ 1] 。 2　微震监测系统和地音监测系统主要功能对比 对比 ARAMISM/E微震监测系统与 ARES-5/ E地音监测系统的主要功能 , 发现两者主要有以下 几点区别: (1)系统监测对象不同 　ARAMISM/E微震 监测系统监测的是能量为 102 ～ 1010 J(对应里氏地 震震级为 0 ～ 4.5级 )、 震动频率为 0 ～ 150Hz的微 震事件 , 反映的是煤岩体的宏观破坏现象 ;ARES -5/E地音监测系统主要监测的是能量小于 102J、 震动频率为 150 ～ 3000Hz的地音事件 , 反映的是煤 岩体的微观破裂现象 [ 2] 。 (2)系统监测范围不同 　ARAMISM/E微震 监测系统主要用于实时监测整个矿区范围内的微震 事件, 并对其进行定位处理和能量计算, 进而分析 整个矿区及主要采动影响区、 应力集中区 、 地质构 造发育地带等区域的微震事件分布规律, 实现对矿 井及局 部重点 监测区 域冲 击危险 的评 价和 预警 ; ARES-5 /E地音监测系统主要用于实时监测矿井 主要采动影响区域 (即回采工作面和掘进工作面 ) 单位时间内地音事件的发生数量和能量释放情况 , 分析监测区域内地音事件的发生规律 , 实现对矿井 主要采动影响区域冲击危险的评价和预警 。 (3)测站布置方式不同 　ARAMISM/E微震 监测系统需要在井下布置若干监测分站 (最少为 8 个 ), 其中每个分站的有效监测范围为 10km2 , 分 别安装在全矿井范围内的不同区域, 形成一个可以 覆盖整个矿井范围的监测网 络;ARES-5/E地音 监测系统只需要在矿井的回采工作面 (4个探头 ) 和掘进工作面 (2个探头)内布置若干监测探头 , 每个监测探头的有效监测半径为 50m, 主要用来监 测工作面的采动应力显著影响区域。 (4)系 统数据处 理方式 不同 　ARAMISM/E 微震监测系统会对发生在全矿区范围内的微震事件 进行统计分析, 事件数量少、 能量高 , 但分布区域 广 , 在数据处理过程中, 需要对每一个微震事件进 行详细的定位分析和能量计算 , 掌握事件的全部相 关信息 , 为分析微震事件分布规律提供准确的参考 数据;ARES-5/E地音监测系统只对发生在矿井 主要采动影响区域内的地音事件进行统计分析, 事 件数量多 、 能量低 、 分布区域集中, 在数据处理过 程中 , 只对单位时间内发生在监测区域内的地音事 件数量和总能量进行统计, 而不针对某一事件进行 单独定位分析和能量计算。 3　微震、 地音数据综合分析法 在煤矿的实际生产过程中, 回采工作面和掘进 工作面是受采动影响最显著的区域, 该区域岩层活 动剧烈, 应力集中现象严重 , 在煤岩体结构类型比 较特殊的局部区域 , 还极易诱发冲击矿压灾害, 在 冲击矿压矿井 中, 该区域往 往属于高冲击 危险区 [ 2 -4] 。 因此, 十分 有必要加 强该区域 的监 测力 域 度, 提高监测结果的准确性 。 从上 述 关 于 ARAMISM/E微 震监 测 系 统 与 ARES-5/E地音监测系统功能的介绍 , 可以发现, 2种系统能够分别对矿井主要采动影响区域 (即回 采工作面和掘进工作 面 )内 发生的微震事 件和地 音事件进行监测, 但在以往的实际分析过程中, 分 析人员只是分别应用系统自带软件对其各自数据进 行处理, 由于在数据选取过程中往往存在误差, 有 时会导致最终 2种系统的分析结论并不一定能够完 全相符, 不利于指导现场人员完成矿井的冲击矿压 防治工作 。因此, 可以考虑对矿井主要采动影响区 域内 2种系统的监测数据进行综合分析 , 结合两者 的优点, 得出更加符合客观实际的分析结果 。 3.1　综合数据分析法原理 在工作面采动过程中, 采动影响区域内应力分 布情况发生变化, 局部形成应力集中, 在应力集中 区内 , 煤岩体经历 “弹性变形 -塑性变形 -塑性 破坏 ” 的演变过程。 此时, 存在 2种可能:一是, 在岩体破坏过程中, 前期发 生的微破裂事件 (地 音事件 )较多、 释放的能量相 对较大、 事 件平均 能量较小时, 煤岩体破坏过程比较平稳 , 其内部积 聚的能量得到释放 , 很可能不会发生微震事件或冲 击现象;另一种情况是 , 当前期事件数量少 、 平均 能量大, 但释放总能量较少时, 煤岩体内积聚的能 量得不到释放 , 经历一个短暂的沉静期后, 则极有 [ 5, 6] 。因 此, 可能发生大的微震事件甚至冲 击现象 在综合研究地音事件发生规律与微震事件或冲击现 象之间关系的过程中, 不能单一的研究地音事件数 量和释放总能量, 事件的平均能量值也是判断微震 事件或冲击现象发生的重要指标 。 微震 、 地音数据综合分析法正是以地音事件的 小时加权平均能量值作为主要判断指标 , 具体研究 9 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

总第 92期 煤　矿　开　采 2010年第 1期 小时事件加权平均能量值变化规律与微震事件或冲 击现象之间关系 。 3.2　监测数据的选取 (1)微震数据选取 　ARAMISM/E微震监测 系统可以对监测到的微震事件进行定位处理和能量 计算, 在常规的处理过程中, 会对累计监测到的微 震事件进行区域划分 、 时间划分和层位划分, 寻找 微震事件的分布规律 。 本文的研究是在单一微震事件定位和能量计算 的基础上 , 重点对主要采动影响区域 (即回采工 作面和掘进工作面 )内发生的微震事件进行处理 , 回采工作面主要统计工作面前方 200 m内煤岩体及 工作面两侧保护煤柱范围内的微震事件, 掘进工作 面主要统计 工作面前 方 50 m范围 实体煤 及后方 150 m范围巷道周围煤岩体内的微震事件, 其他区 域的微震事件不需要进行统计 。 (2)地音数据选取 　ARES-5 /E地音监测系 统的常规功能是实时显示地音监测数据曲线, 并对 监测区域的冲击危险等级进行评价, 并没有直接提 供数据处理的界面。 在本文的研究中 , 将直接调用地音系统各通道 的原始数据 , 对其进行后期人工处理 ;数据选取范 围为各探头的实际监测区 域, 即选取探头 50m监 测半径内的地音数据 。 图 1为 ARAMISM/E微震监测系统与 ARES- 5 /E地音监测系统数据选取区域平面图。 图 1　微震监测系统与地音监测系统事件选 取区域 3.3　综合数据分析法数据处理 (1)选取监测区 域内的微震事件 数据, 并按 其发生时间进行排序 ; (2)调取 ARES-5 /E地音监测系统各通道的 原始分钟统计数据, 并结合现场实际噪音情况对其 进行降噪处理; (3)在降噪处理 的基础上, 计 算出每小时的 事件加权平均能量值 , 作为该小时的计算结果 ; (4)绘制出当前时刻 与前 3天时间内的小时 10 事件加权平均能量值变化曲线, 并将这期间发生的 微震事件或冲击现象标注在相应的位置 ; (5)分析小时事件加权平均 能量值变化趋势 与微震事件或冲击现象之间的关系。 4　微震、 地音数据综合分析法应用实例 以某矿综采工作面 2009年 4月的实际监测数 据为例进 行综合数据分 析, 共分析了 能量在 104J 以上的大级别微震事件 67 个, 绘制出了小时事件 加权平均能量值变化曲线, 并标注了微震事件。 图 2为全部分析曲线中的一段 , 4月 19日 9时至 4月 22日 8时, 3d内的小时事件加权平均能量值变化 曲线 。 图 2　小时事件加权平均能量值变化曲线 分析发现小时事件加权平均能量值变化趋势与 微震事件之间存在如下关系 : (1)微震事件常常发生在小 时事件加权平均 能量值峰值后 1 ～ 2h内 (尤 其是第 1 个小时内 ), 统计期间准确率达到 87%。 图 2 中圆点标注处为 小时事件加权平均能量值峰值出现时间 , 其后箭头 标注位置为微震事件发生时间, 微震事件基本都发 生在前者峰值过后 1 ～ 2h内 。分析认为 , 产生这种 现象的原因是微震事件发生前, 煤岩体内存在一个 能量不断积聚的过程, 这段时间内发生的地音事件 释放的能量值也相应增大 , 直到微震事件发生后, 煤岩体内的能量得到释放、 应力集中程度下降, 地 音事件的能量值又迅速降低 。 (2)部分小时事件加权平均 能量值峰值后并 未发生微震事件。 分析认为 , 产生这种现象的原因 是在煤岩体能量积聚的过程中, 由于此时地音事件 释放的能量迅速增多, 已经使煤岩体内部积聚的能 量得到了一定程度的释放, 丧失了发生微震事件的 条件 。这一现象与应用煤层卸压爆破技术预防冲击 矿压灾害的原理是一致的。 (3)微震事件发生前出现的 地音事件加权平 均能量峰值一般为 160 ～ 200J左右 。 统计过程中发 现, 微震事件发生前出现的地音事件加权平均能量 (下转 14页) 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

总第 92期 煤　矿　开　采 2010年第 1期 增加, EC=10 2J震动次数平均日比例成线性的减 少 , 而 EC=103 J震动次数平均日比例成线性的增 加 。说明了 EC=102 J和 EC=103 J的震动次数都在 增加, 但是其中 EC=103J的震动次数的增长速率 明显要大于 EC=102J的增长速率 。这就是说 , 开 采速度的增加, 使低能量所占成分发生显著变化 , 向低能量中相对高能 量移动。 波兰 的研究结果表 明 , 从冲击矿压和岩体震动的关系来看, 发生冲击 矿压的最低能量为 1 ×103J[ 4] , 而且岩石的变形破 坏过程实际上就是一个从局部耗散到局部破坏最终 到整体灾变的过程。 因此 , 随着开采速度的增加 , 工作面发生冲击的危险性增加 。 控制开采速度可控制低能量矿震发生次数和释 放能量 , 慢匀速开采能有效减少矿震发生次数 。 4　结论 (1)统计结果表 明, 矿山震动 是矿山开采的 直接产物, 低能量的矿震的次数、 能量与开采速度 呈近线性正相关 , 而高能量矿震与开采速度呈非线 性关系 。开采速度越快, 低能量矿震的震动次数和 能量越高。 (2)开采速度的增加 , 使低能量所占 成分发 生显著变化, 向低能量中相对高能量移动, 矿震冲 击的危险性越高。 (3)控制开采速度可以控制 低能量矿震的发 生次数和释放能量 , 慢匀速开采能有效地减少矿震 发生的次数。 由于开采技术条件的不同 , 地质构造 条件的不同, 各矿井工作面防治矿震发生的最有利 的推进速度也不同 , 需要根据具体条件而定 。 [ 参考文献] [ 1] 齐庆新 , 窦林名 .冲击地压理论与技术 [ M] .徐州 :中国矿 业大学出版社 , 2008. [ 2] 吴 　键 .我 国 综放 开 采 技 术 15 年回 顾 [ J] .中 国 煤炭 , 1999, 25 (1):9 -16. [ 3] 蒋金泉 , 张开智 .综放开采矿震的 成因及防 治对策 [ J] .岩 石力学与工程学报 , 2006, 25 (1): 3276 -3282. [ 4] 窦林名 , 何学秋 .冲击矿压防治理论与技术 [ M] .徐州 :中 国矿业大学出版社 , 2001. [ 5] 窦林名 , 赵从国 , 杨思光 , 等 .煤矿开 采冲击 矿压灾 害防治 [ M] .徐州 :中国矿业大学出版社 , 2006. [ 6] GIBOWICZSJ, KIJKOA.矿山地震学引论 [ M] .修济刚译 . [ 责任编辑 :毛德兵 ] 北京 :地震出版社 , 1996. (上接 10页) 峰值普遍偏低, 当地音事件加权平均能量峰值很高 时 , 由于能量已经得到释放的原因, 往往并不会发 生微震事件 。 因此, 通过对某矿综采工作面应用微震、 地音 数据综合分析法分析后认为, 在该综采工作面小时 事件加权平均能量峰值为 160 ～ 200J时 , 其后 1 ～ 2h内发生大级别微震事件的几率非常高, 可以考 虑将该规律应用到冲击矿压灾害预防工作中。 系统和 ARES-5/E地音监测系统的监测数据, 达 到预测矿井主要采动影响 区域冲击矿压灾 害的目 的。 目前的微震 、 地 音数据综合分 析法还不 够成 熟, 并没有考虑到矿井实际 开采过程中的 地质构 造、 开采进度等影响因素, 还需要开展进一步的研 究, 分析各种因素对综合分析结论的影响;应用微 震、 地音数据综合分析法对冲击矿压灾害进行预测 的可行性还有待探讨。 5　结论与展望 通过对 ARAMISM/E微震监测系统和 ARES- 5 /E地音监测系统各自特点的分析, 提出了微震 、 地音数据综合分析法 , 重点研究矿井主要采动影响 区域内地音事件加权平均能量值变化趋势与微震事 件之间的关系;结合理论分析与现场实例应用 , 认 为通过对 ARAMISM/E微震监测系统和 ARES-5/ E地音监测系统监测数据的综合分析, 能够得出地 音事件加权平均能量值变化趋势与微震事件之间的 内在关系, 可以在总结地音事件加权平均能量值变 化规律的基础上预测微震事件的发生 ;可以考虑将 微震、 地音数据综合分析法应用到冲击矿压灾害预 防工作中, 通过综合处理 ARAMISM/E微震监测 14 [ 参考文献] [ 1] 邓志刚 , 任 　勇 , 毛德兵 , 等 .波兰 EMAG矿 压监测 系统功 能及应用情况 [ J] .煤炭科学技术 , 2008, 36 (10). [ 2] 齐庆新 , 窦林名 .冲击地压理论与技术 [ M] .徐州 :中国矿 业大学出版社 , 2008. [ 3] 齐庆新 , 毛德兵 , 王永 秀 , 等 .矿山地 质动力 灾害的 发生机 理与控制途径分析 [ J] .地质与勘探 , 2003 (S). [ 4] 窦林名 , 何学秋 .冲击矿压防治理论与技术 [ M] .徐州 :中 国矿业大学出版社 , 2001. [ 5] 齐庆新 .矿山压力与地音 [ J] .矿山压力 与顶板管 理 , 1992 (1). [ 6] BernardDrzezls, 窦林名 , 何学 秋 .冲击 矿压危 险性评 价的地 音法 [ J] .中国矿业大学学报 , 2000 (1). [ 责任编辑 :邹正立 ] 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net