微震监测技术在煤矿井下的应用探讨
【摘 要】随着科技的发展，微震监测技术经过近些年的发展已经逐步趋于成熟，在地下工程中取得了较为广泛的应用，特别是对于地下矿井中煤炭的生产提供了极大的安全保障。文章首先详细介绍了微震监测技术的应用原理，并对微震监测技术在煤矿井下的发展应用进行了阐述，同时通过对高精度防爆微震监测系统在井下的测区布置、钻孔参数、检波器安装、监测系统标定、数据采集与处理进行阐述，详细地说明了整个系统在井下的运行情况。微震监测系统已在多个煤矿取得了较好的应用效果，在一定程度上推动了煤炭安全、高效回采。
【关键词】煤矿；微震监测；应用；探讨
引言
微震监测技术是由声发射学和地震学发展而来，其基本原理为：地下岩石在受到人为因素或自然因素影响而产生变形或破坏时会产生微震，并发出声波，通过在发生岩石破裂区周围布置多个检波器，实时采集微震数据，数据经过处理后，利用震动定位原理，就可以确定破裂发生的位置，并在三维空间上显示出来。微震监测技术是在观测、分析生产生活中发生的微小的地震事件的基础上，来监测其对生产生活的影响、效果及地下状态，微震监测技术为研究覆岩空间破裂形态和采动应力场的分布提供了一种很好的手段。因此，有必要进一步对微震监测技术进行探讨研究，增强煤矿地下作业的安全性。
1 微震监测技术在煤矿井下的应用
自1990年开始，微震监测系统在采矿安全领域的研究、应用十分活跃，世界上众多煤矿开始广泛应用。我国微震监测技术在煤矿的应用始于1998年，山东煤田地质局从澳大利亚引进了微地震监测系统的有关硬件与软件， 并与澳大利亚联邦科学工业研究组织勘探采矿局（ CSI RO ）合作，于1998年10月20日至1999年2月10日，在兖州矿业集团公司兴隆庄煤矿 4320工作面首次进行“两带”监测的试验研究，对该面垮落带、裂隙带进行监测， 为该矿确定防水或防砂煤柱的最佳高度提供了科学依据。2003年，山东科技大学依托国家自然科学基金资助项目（ 50074021） 和中国-澳大利亚政府间科技合作特别资金资助项目（ 20000276） ，姜福兴研发团队率先在国内进行了井下微震监测仪的研制与开发，深入研究了高精度岩石破裂自动定位的机理和软件，按本质安全要求，设计国际上第一套井下微震定位监测系统。2005年高精度微地震监测成套技术开发成功，井下防爆型监测仪器获得了专利。
2 高精度微震监测技术简介
高精度微震监测技术在设计开发中重点考虑了影响煤矿井下定位精度的主要因素，通过分析采煤工作面尺度与微地震监测控制尺度的关系，提出了以下几种观点及技术，包括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，并在此基础上研制开发了“四-四复合”定位软件，其定位精度在10m以内。高精度微震监测技术有硬件和软件两部分实现。
2.1 硬件组成
高精度微震监测由防爆计算机、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、通讯电缆等硬件组成。
其中， 防爆计算机是最重要的一种硬件设备。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 0.125～2m s ；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 ±1m s ；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。
2.2 软件配置
高精度定位软件和系列工程应用软件由操作系统、数据采集卡驱动程序库、微地震监测数据采集软件系统、数据通讯程序组成。
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。
3 高精度微震监测技术应用
3.1 测区布置及钻孔参数选择
为地震监测是为了揭示上覆岩层运动规律、评价支承压力对顶板的破裂作用以及裂缝带发育规律及超前支承压力分布规律，同时得到工作面三维围岩破裂规律以及科学可靠的数据。鉴于以上监测目的，在测区布置及进行钻孔参数的选择时要根据煤层的具体地质条件来确定。如当煤层倾角较小时，由于开采后两巷周围岩层运动与应力分布相对工作面走向中线来说是对称的，因此，只需在一条巷道内布置测区即可，否则，应在两条巷道内都要布置测区。
钻孔布置时要进行编号，包括炮孔、检波孔，其余孔内要安装检波器，钻孔直径为97㎜，角度一般为60°左右，视具体情况而定，顶板钻孔深度为40-100m，底板钻孔深度为15m。钻孔的各个参数要依据煤层、顶底板情况及具体的监测目的进行适度的调整，以使监测结果打到最优。
3.2 检波器安装
与监测系统配套的检波器安装技术已经成型，相关科技人员开发研制出了2种检波器及其安装方法： “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；“药包安装法”适用于软弱的岩层和深度 50～ 100m的钻孔。在检波器安装时，要使检波器的结构与安装方法一致，同时，在钻孔过软岩层时，塌孔地段要加套管，锚爪后部要加导向杆。
3.3 微震监测系统标定
监测系统在井下安装完成后，需要通过放炮标定、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。所有检波器收到质量很好的信号， 表明检波器安装和整个监测系统工作状态良好， 否则要对有问题的检波器和传输线路做进一步的检查。实际定位时， 由于震源性质和传播介质性质的差别， 定位精度将出现波动， 平均能够达到 10m以内的精度。
3.4 影响定位精度的因素分析
微地震定位监测的精度是决定监测结果能否应用于采矿工程的关键， 依据煤矿监测工作面的实际情况， 科学分析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，通过对影响精度因素的系统分析， 控制主要误差因素， 提高定位的精度。
4 结束语
微震监测技术经过多年的不断完善与进步，在我国煤矿井下取得了很好的应用效果。其中，鲁西煤矿微地震定位监测确定导水裂缝带高度、华丰煤矿预测预报冲击矿压、峰峰梧桐庄煤矿底板突水预测预警、同煤塔山特厚煤层放顶煤顶板运动规律监测等都取得了成功。实践证明，高精度微地震监测技术是应对煤矿灾害的有效方法，在灾害发生前能及时地采取针对性措施将灾害带来的损失降到最低，有效地提高了煤矿的经济效益与社会效益。因此，今后应加强对微震监测技术的科技投入，并将其与矿山压力理论相结合，将微震监测技术更好地应用到煤矿生产。
参考文献：
[1]姜福兴.煤矿井下微震检测仪[P].中国专利：ZL200420039442.9，
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[2]杨淑华，张兴民，姜福兴等.微地震定位监测的深孔检波器极其安装技术[J].北京科技大学学报，2006（1）.
[3]黄庆国.微震监测技术在煤矿井下应用[J].煤矿开采，2009（2）.
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