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   作者：張毅

  隨著煤礦開采深度的不斷延伸，煤巖體所承受載荷逐漸增加，進(jìn)而表現(xiàn)出更易破壞失穩(wěn)的特性，這就導(dǎo)致沖擊地壓事故呈現(xiàn)次數(shù)越來越多、強(qiáng)度越來越大、后果越來越嚴(yán)重的趨勢。  

針對上述現(xiàn)狀，許多學(xué)者從機(jī)理和監(jiān)測手段上進(jìn)行了大量的研究，也取得了豐碩的成果。遺憾的是受限于發(fā)生機(jī)理和礦井條件的復(fù)雜性，沖擊地壓的預(yù)測預(yù)警尚未得到有效解決。實(shí)踐表明，現(xiàn)場監(jiān)測仍是沖擊地壓預(yù)防的最好方法。在現(xiàn)有的預(yù)測預(yù)警技術(shù)中，微震監(jiān)測是較為有效的一種手段。與其他地球物理方法相比，其不僅避免了電磁輻射只能對部分地點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測的局限，也較聲發(fā)射（地音）等更能有效地降低高頻信號干擾，從而實(shí)現(xiàn)了及時(shí)監(jiān)測沖擊地壓事件，準(zhǔn)確獲取震動(dòng)發(fā)生的位置和時(shí)間、影響范圍和能量的目標(biāo)。然而，若將微震手段應(yīng)用于沖擊地壓預(yù)警時(shí)，則普遍存在準(zhǔn)確率不高，漏報(bào)誤報(bào)時(shí)有發(fā)生的現(xiàn)象。究其原因，除微震提供的豐富信息未得到充分發(fā)掘之外，更關(guān)鍵的原因在于沖擊地壓的發(fā)生往往受多種因素干擾，這些因素又帶有不同程度的模糊性。當(dāng)前常用的方法多為定性或半定量分析，缺乏較綜合的定量分析方法和較合理的微震預(yù)測門限值，從而給沖擊地壓的預(yù)測預(yù)警工作帶來了困難。

  在微震事件的各項(xiàng)表征因素中，能量無疑是最易量化的參數(shù)之一。因此，本文以受沖擊地壓困擾較為嚴(yán)重的撫順礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司老虎臺(tái)礦83002回采工作面為例，從微震能量人手，借助隸屬度分析等模糊數(shù)學(xué)方法，探討利用微震事件能量閾值來預(yù)測沖擊地壓的可行性。研究成果將有助于提高沖擊地壓預(yù)測預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率，并為災(zāi)害預(yù)警和防治等相關(guān)措施的應(yīng)用提供理論支持。

1  試驗(yàn)區(qū)概況

  撫順礦業(yè)集團(tuán)有限公司老虎臺(tái)礦位于撫順煤田中部，井田面積9.6 km2。撫順煤田是我國最早出現(xiàn)沖擊地壓災(zāi)害的區(qū)域（1933年），老虎臺(tái)礦也是國內(nèi)受沖擊地壓最為嚴(yán)重的礦井之一，其在-630 m水平和-780 m水平時(shí)高強(qiáng)度礦震就頻繁發(fā)生，進(jìn)入-830 m水平（埋深約910 m）后，隨著應(yīng)力水平進(jìn)一步增大，斷層和褶皺增多，加之開采條件和地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜化，使得沖擊地壓發(fā)生的次數(shù)和強(qiáng)度均得到顯著增加。

  83002綜放工作面曾是老虎臺(tái)礦受沖擊地壓最為嚴(yán)重的工作面。該工作面東鄰73001已采面，上部為83001和78002已采面，且已采面距離本工作面頂板為6～20 m，故工作面回采時(shí)易受上覆已采面的影響。此外，83002綜放面內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，受斷層影響嚴(yán)重，較大的斷層有4～8個(gè)，落差3～15 m，受其影響，煤巖產(chǎn)狀在走向和傾向上均表現(xiàn)了較為明顯的變化。因此，83002試驗(yàn)區(qū)受地應(yīng)力、上覆采空區(qū)和地質(zhì)構(gòu)造等多重因素作用，發(fā)生沖擊地壓的可能性較高。試驗(yàn)區(qū)地質(zhì)平面簡圖如圖1所示。

2  微震監(jiān)控結(jié)果初步分析

2.1  ARAMIS M/E微震監(jiān)測系統(tǒng)

  老虎臺(tái)礦采用波蘭產(chǎn)ARAMIS M/E微震監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含井下和地面兩部分，其中地面部分包括系統(tǒng)信息傳輸系統(tǒng)( DTSS)、震動(dòng)信息記錄儀、震動(dòng)定位和震動(dòng)能量計(jì)算軟件( ARAMIS WIN)及沖擊地壓危險(xiǎn)性評價(jià)軟件(HESTIA)；井下SN/DTSS信號發(fā)射站則由NSGA震動(dòng)信號發(fā)射裝置和SPI- 70地震檢波器組成，同時(shí)NSGA裝置也與不同方向和位置的震動(dòng)傳感器( G Vu/G V d/GH)相連接。該監(jiān)控系統(tǒng)可即時(shí)、連續(xù)地采集震動(dòng)信息記錄，生成震動(dòng)信號圖，同時(shí)實(shí)現(xiàn)全礦井范圍內(nèi)微震信號的頻率分析、數(shù)字濾波及震源定位、震動(dòng)能量計(jì)算、影響范圍估計(jì)等功能，并可在此基礎(chǔ)上對信息進(jìn)行進(jìn)一步的處理。

2.2典型微震監(jiān)測處理過程

  當(dāng)有一定能量的微震事件發(fā)生時(shí)，布置于井下的傳感器接收震源發(fā)出的震動(dòng)波，將震動(dòng)信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，并通過DTSS系統(tǒng)將信號傳輸?shù)降孛�。在地面對每個(gè)傳感器接收到的微震信號進(jìn)行對比，將其發(fā)送到數(shù)據(jù)處理服務(wù)器，繪制信號波形圖，確認(rèn)微震事件發(fā)生后再由數(shù)據(jù)處理軟件分析震源能量和位置，并把最終結(jié)果反映在礦圖中。

  根據(jù)理論分析和井下實(shí)際情況，老虎臺(tái)礦在全礦不同水平和區(qū)域范圍內(nèi)共布置了16個(gè)微震傳感器，其中830水平布置3個(gè)測點(diǎn)。ARAMIS M/E微震監(jiān)測系統(tǒng)于2008年9月1日正式運(yùn)行�，F(xiàn)以2009年2月25日的一次微震事件說明信號的處理過程。凌晨2點(diǎn)05分，ARAMIS M/E系統(tǒng)監(jiān)測到一次沖擊地壓事件，在83002綜放面產(chǎn)生明顯震感，同時(shí)撫順地震臺(tái)網(wǎng)通報(bào)其震級為3.2級。井下16個(gè)傳感器均記錄到相應(yīng)的震動(dòng)波形圖，借助F波法進(jìn)行震源定位，推算知震源點(diǎn)坐標(biāo)為(36450，77490，-836)，位于83002試驗(yàn)區(qū)回風(fēng)巷道F25斷層附近，震源能量為1.1 X 109J．初步推斷其可能是受回采作業(yè)和地質(zhì)構(gòu)造雙重作用影響而產(chǎn)生的。

3基于微震事件的沖擊地壓預(yù)測模型

  上節(jié)闡述表明，ARAMIS M/E微震系統(tǒng)可有效地實(shí)現(xiàn)沖擊地壓的監(jiān)測與記錄，有助于掌握震源位置及能量處理的相關(guān)參數(shù)，但這距離沖擊地壓的準(zhǔn)確預(yù)測尚存在一定差距。事實(shí)上，目前基于微震監(jiān)測系統(tǒng)的沖擊地壓預(yù)測工作多建立在時(shí)間序列相關(guān)研究的基礎(chǔ)上。這些利用時(shí)間序列預(yù)測沖擊地壓的發(fā)生在采礦工程實(shí)踐中得到了一定程度的應(yīng)用，但仍屬于定性分析或半定量預(yù)測，就如何判斷微震活動(dòng)的類型尚未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，這就導(dǎo)致僅憑微震時(shí)間趨勢分析預(yù)測沖擊地壓發(fā)生的準(zhǔn)確率難以保證。因此，有必要提出一種可基于微震事件預(yù)測沖擊地壓的定量分析模型，以提高災(zāi)害預(yù)警的準(zhǔn)確率。

3.1  沖擊地壓與微震活動(dòng)對應(yīng)能量分析

  ARAMIS M/E微震監(jiān)測系統(tǒng)自運(yùn)行之后，每月均建立微震月報(bào)，詳細(xì)記錄發(fā)震時(shí)間、震源位置、震動(dòng)能量和破壞程度等情況�，F(xiàn)以震動(dòng)能量為例，統(tǒng)計(jì)9個(gè)月連續(xù)監(jiān)測所得的微震事件能量與沖擊地壓事故的關(guān)系如圖2所示。

  圖2顯示了從2008年10月- 2009年6月發(fā)生于83002綜放工作面的微震事件。借鑒地震學(xué)中的震級-頻度原則（G-R關(guān)系），微震事件的能量越高，其震級越大，那么該事件出現(xiàn)的頻率就越��；反之，微震事件的能量越小，該類震動(dòng)發(fā)生的頻率就相應(yīng)增大。具體到83002工作面而言，能級在109J的能量就非常少見，而能級在103J的震動(dòng)則每個(gè)月均出現(xiàn)多次。由于絕大部分低能量的微震事件并不能導(dǎo)致沖擊地壓的發(fā)生，故將傳感器的最低信號能量拾取閾值定為1×103J。

  圖2中用爆炸符號標(biāo)注了沖擊地壓事故的發(fā)生情況。需要說明的是這里所描述的沖擊地壓包括了實(shí)際發(fā)生和沖擊顯現(xiàn)兩種類型，即前者為礦井出現(xiàn)了巷道或支架破壞等動(dòng)力現(xiàn)象，后者則是在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生較大的震感或煤炮聲、頂板掉渣等情況。在為期9個(gè)月的觀測過程中，出現(xiàn)能量高出103J的微震事件共482次，沖擊地壓共22次，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

  表1中分別存在兩個(gè)不同的集合，一個(gè)是微震事件集X{x1，x2，x3，x4，x5，x6，x7}，另一個(gè)為沖擊地壓事件集Y{y1，y2，y3，y4，y5，y6，y7}。其中的xi（或y i）（i=1，2..7）分屬于103～109J之間不同的能量級，那么微震和沖擊地壓事件的頻率為：   

——隸屬該能量級的沖擊地壓占全部沖擊地壓的頻率；

——隸屬該能量級的微震事件并最終導(dǎo)致沖擊地壓的概率。

  由表1可知，并非每次微震事件都能導(dǎo)致沖擊地壓的發(fā)生，但每次沖擊地壓都伴隨有微震能量的釋放。83002綜放工作面中導(dǎo)致沖擊地壓發(fā)生的最小微震事件能級為104 J．且隨著微震事件能量的增大，其導(dǎo)致沖擊地壓發(fā)生的可能性也在增大，如微震事件能級為107J或者108J時(shí)，有近50%的微震事件可能會(huì)誘發(fā)沖擊地壓，當(dāng)微震事件能級上升到109J時(shí)，沖擊地壓的發(fā)生概率則達(dá)到100%。

3.2微震能量閾值的判定

  通過上述分析可知，微震震源的能量越高，其導(dǎo)致沖擊地壓的可能性就越大，這是顯而易見的，因此可利用能量閾值進(jìn)行沖擊地壓預(yù)測。然而，微震事件最終能否轉(zhuǎn)化成沖擊地壓，除了震源能量之外，震動(dòng)形式、傳播途徑和局部場地條件也是重要的因素，其中傳播途徑包含有震源與監(jiān)測區(qū)域的距離、震動(dòng)波在傳播中的疊加與衰減情況，而局部地質(zhì)條件則涵蓋斷層破碎帶、煤巖體性質(zhì)和地質(zhì)條件等。顯然，對沖擊地壓預(yù)測而言，影響的因素多，部分因素難以明確，已經(jīng)明確的又難以量化，從而增加了能量閾值確定的困難程度。

鑒于此，可借助模糊集理論來分析利用微震預(yù)測沖擊地壓的可能性。在模糊數(shù)學(xué)中，假定待研究對象的集合為Z，其中的每一個(gè)對象z均包含P個(gè)特性指標(biāo)，那么可利用特征向量Z={x1，x2，…，Z p)來對這一模糊集的對象及其特性進(jìn)行刻畫。如果再把集合Z按照某一算法將其中的屬性（如微震事件和沖擊地壓的能量值）分成n個(gè)類別，那么就產(chǎn)生了一組隸屬度

  隸屬度的數(shù)學(xué)意義是通過u(u∈(0，1))值大小反映某一元素是否隸屬于某一集合。“越接近于0，則表明這一元素越不屬于該集合；反之u越接近1，則表明該元素屬于該集合的可能性越大。將其應(yīng)用到?jīng)_擊地壓的預(yù)測中時(shí)，則可以借助于補(bǔ)集的概念，即對應(yīng)于預(yù)測無沖擊地壓危險(xiǎn)程度的補(bǔ)集來進(jìn)行計(jì)算。

式中：u-------微震能量預(yù)測沖擊地壓發(fā)生的危險(xiǎn)程度；

  Ai——危險(xiǎn)程度位于該能量區(qū)域的微震事件覆蓋頻數(shù)，次；

  M------總的微震事件數(shù)，取482次。

  利用式(4)，將計(jì)算得出的83002綜放工作面微震能量與沖擊地壓危險(xiǎn)程度預(yù)測的模糊集合隸屬度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

  表2中，能量組段表示微震事件的能量等級，其平均值如第二列所示。頻數(shù)反映的是位于該能級的微震事件的次數(shù)，覆蓋頻數(shù)則為其相應(yīng)補(bǔ)集的微震事件次數(shù)。由表2繪制隸屬函數(shù)曲線圖，對其進(jìn)行曲線擬合，隸屬度分布及回歸曲線如圖3所示。

  利用微震事件預(yù)測沖擊地壓的隸屬度曲線擬合

公式為：

由圖3可知，曲線的相關(guān)系數(shù)達(dá)到R2=0. 99646，擬合程度較高。

  如前所述，隸屬度的數(shù)學(xué)意義是通過u(u∈(0，1))值大小反映某一元素隸屬于某一集合的程度。即在沖擊地壓預(yù)測時(shí)，“越接近于O，則表明該能量等級的微震事件轉(zhuǎn)化成沖擊地壓的可能性越小，反之則越大。因此，可借助長期觀測和擬合分析所得出的式(5)，將隸屬度分別選擇為0.4、0.5、0.6、0．7和0．8，并計(jì)算出其對應(yīng)的能量閾值。

  在9個(gè)月的長期監(jiān)測中，統(tǒng)計(jì)的微震事件和沖擊地壓實(shí)際發(fā)生次數(shù)均為482次和22次。針對不同的隸屬度，反演出的能量閾值不同，預(yù)測沖擊危險(xiǎn)次數(shù)（即微震事件能量值大于閾值的次數(shù)）和預(yù)測沖擊中準(zhǔn)確次數(shù)（即實(shí)際發(fā)生的沖擊地壓能量值大于閾值的次數(shù)）不盡相同，由此計(jì)算所得的預(yù)測沖擊發(fā)生率和預(yù)測沖擊準(zhǔn)確率也有所差異；相應(yīng)地統(tǒng)計(jì)預(yù)測無沖擊次數(shù)（即微震事件能量值小于閾值次數(shù)）和預(yù)測無沖擊中準(zhǔn)確次數(shù)（即預(yù)測無沖擊發(fā)生時(shí)實(shí)際也未發(fā)生沖擊地壓的次數(shù)），利用“四率法”分別計(jì)算預(yù)測沖擊發(fā)生率、預(yù)測沖擊準(zhǔn)確率、預(yù)測無沖擊準(zhǔn)確率和預(yù)測準(zhǔn)確率，并將結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

  需要說明的是在選擇能量閾值時(shí)，往往需要兼顧兩方面的準(zhǔn)確率：一方面要求能量閾值盡可能的高，以降低誤報(bào)次數(shù)，增大預(yù)測沖擊的準(zhǔn)確率，另一方面能量閥值越高，則發(fā)生漏報(bào)的可能性越大。當(dāng)以上兩者難以權(quán)衡時(shí)，應(yīng)首先避免漏報(bào)現(xiàn)象的發(fā)生（即預(yù)測準(zhǔn)確率最高），然后再尋求避免誤報(bào)的途徑（即預(yù)測沖擊準(zhǔn)確率和預(yù)測不沖擊準(zhǔn)確率較高）。在表3中，當(dāng)能量閾值為1. 56×105J、2.16X105J和3.01×105J時(shí)，其預(yù)測準(zhǔn)確率為50%，大于能量閾值為4. 35×105J和6.91×105J時(shí)的預(yù)測準(zhǔn)確率；而在前三個(gè)能量閾值中，預(yù)測沖擊準(zhǔn)確率和預(yù)測無沖擊準(zhǔn)確率最高的為3. 01×105J。綜合上述分析，可認(rèn)為3. 01X 105J的微震能量閾值是合理的。

4  結(jié)論

  (1) 83002綜放工作面受地應(yīng)力、上覆采空區(qū)和地質(zhì)構(gòu)造等多重因素的影響，發(fā)生沖擊的可能性較大，其中斷層構(gòu)造對沖擊地壓的影響最為突出。

  (2)利用ARAMIS M/E微震系統(tǒng)對83002綜放工作面進(jìn)行了長期監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)微震事件同樣滿足能量一頻次原則，且能量越高則沖擊地壓發(fā)生的概率越大。

  (3)基于隸屬度分析，建立了沖擊地壓預(yù)測模型，并針對不同的隸屬度進(jìn)行了能量反演，最終確定合理的微震能量閾值。

  需要說明的是該能量閾值是在微震事件統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上針對老虎臺(tái)礦83002綜放工作面沖擊地壓預(yù)測提出的，煤與瓦斯突出等災(zāi)害預(yù)測時(shí)也可應(yīng)用類似的方法，但需結(jié)合長期監(jiān)測和工作面情況進(jìn)行分析，并根據(jù)實(shí)際情況不斷加以修正和完善。

5摘  要  針對老虎臺(tái)礦83002綜放工作面沖擊地壓頻繁發(fā)生的實(shí)際情況，利用ARAMIS M/E微震系統(tǒng)進(jìn)行長期監(jiān)測，并在此基礎(chǔ)上建立了基于隸屬度分析的回采面沖擊地壓能量預(yù)測模型。研究結(jié)果表明：83002綜放工作面微震事件滿足能量一頻次原則沖擊地壓受地應(yīng)力、上覆采空區(qū)和地質(zhì)構(gòu)造等多重因素的影響，具有一定的模糊性，而利用“四率法”推出的合理微震能量判定閾值為3. 01×105J。研究成果為充分發(fā)掘微震信息，提高沖擊地壓預(yù)測預(yù)警的準(zhǔn)確率提供了技術(shù)支持和理論指導(dǎo)。