ISS微震监测系统在煤矿安全监测中的应用

煤矿

ISS微震监测技术在监测煤矿顶板塌落及诱发风爆预警中的应用

盛 虞1，闫文发2

（1. 北京达汉新柯仪器有限公司，北京，100044； 2. 北京优赛科技有限公司，北京，100044）

摘 要：煤矿开采过程中顶板塌落以及由此而诱发的风爆事件往往会造成人员伤亡和采矿设备的损坏，监测与预警这种灾害的发生是煤矿开采中安全管理得一个重要课题，本文以澳大利亚Moonee矿应用ISS微震监测技术为实例，介绍微震监测技术在监测顶板塌落及风爆预警中的作用。

关键字：微震监测；顶板塌落；风爆，预警系统。

Introduction of the Application of ISS Micro-seismic Monitoring Technology

to Coal Mining Induced Windblast

SHENG Yu1，YAN Wenfa2

（1. Durham Geo Slope Indicator Beijing Ltd. 100044; 2. Beijing Eusci Technology Ltd. 100044）

Abstract: Unpredicted roof fall and induced windblast events during long wall mining in coal collieries often cause serious injuries and fatalities as well as damages to mining equipment. Monitoring roof failures and establishing windblast pre-warning system are part of mime safety management plans. A case application of ISS micro-seismic monitoring technology based on windblast pre-warning and management system at Moonee Colliery, Australia, is introduced in this paper. The practice will be of benefit to the Chinese coal mines that may experience similar mine hazards.

Key Words: Micro-seismic monitoring; Roof fall, Windblast, Pre-warning system.

1、ISS微震监测技术及其在煤矿应用中的发展

现代矿山微震监测技术的开发与应用始于1980年代中期的南非金矿开采活动[1]，其目的是为解决南非Angola Gold公司在Weldom地区深埋金矿开采中遇到的岩爆和岩体破坏问题，减少由于岩爆或岩体破坏事件而导致作业人员伤亡。该技术的原理是通过监测采矿后岩体中应力重分布伴随岩石破裂时发出的地震波，通过对地震波信息的分析而确定微震发生的大小和位置以及微震事件累积数量等，据此判断岩体的稳定性。

尝试将微震监测技术应用于煤矿始于1995年前后，ISS尝试用该技术监测南非New Danmark煤矿的顶板塌落过程的研究项目[2]，煤层埋深为160m，以长壁法开采。微震监测系统包括四只在空间呈棱锥状布置的三向微震检波器，由地面钻孔安装于前端未开采煤层上方的岩体内。为检查微震监测系统的有效性，钻孔中同时还安装有多点位移计，锚固点设于煤层上方不同深度的地层中。系统成功记录到岩体微震响应和一次顶板塌落和风爆事件。这次风爆事件是由于煤层上方30米处一20m厚的砂岩层破坏所致。该岩层中埋设的多点位移计记录证实在破坏前其应变速率加快。微震监测数据表明累计视体积随时间显著增大，能量指数减小从而导致应力减小，岩体进入动力非稳定状态。

继在南非的初始尝试后，有多个国家逐渐开始尝试在煤矿开采中应用此项技术，比如

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印度的Rajendra 矿；南非Brandspruit矿；美国Arch N o. 37 矿, 澳大利亚的Gordonstone

矿、Appin煤矿、South Blackwater矿、West Wallsend 、Newstan煤矿和Moonee[5,6]煤矿等，与澳大利亚合作，我国也对微震监测技术用于煤矿监测做了初步的尝试[7]。

在上述实例中，大多数应用属于各自国家支持的科研性项目或短期观测试验项目，其目的是探讨微震监测技术应用的可行性。在澳大利亚Gordonstone矿的应用实践中，CSIRO采用了自己研发的硬件设施，软件则采用由ISS公司开发的商业化软件，项目的实施是由CSIRO的科研人员进行的。在其后的印度Rajendra矿、澳大利亚West Wallsend矿、Newstan矿和Moonee矿的应用中，硬件和软件都选用了ISS公司的产品。这是由于ISS公司的产品有很好的系统稳定性和用户易操作性。经ISS公司技术人员培训后，系统的运行管理和数据的分析均可以由用户技术人员自行实施，成为矿山生产和安全管理的一个组成部分。

商业化的ISS微震监测技术在澳大利亚的几个煤矿应用中都取得了较好的效果，尤其是在Moonee矿，ISS技术作为该矿开采中对顶板塌落进行预测和风爆预警的关键性技术，成功地在生产实践中得以应用，成为该技术在煤矿应用中最为成功的典范。

ISS微震监测系统包括以下几个部分：检波器，采集器，控制器，控制计算机和分析及可视化软件。系统安装示意如图1所示。

图1，微震监测系统布置示意图

Fig 1. Schematic configuration of the micro-seismic monitoring system.

本文略去对微震监测技术的理论描述，着重介绍ISS微震监测系统在Moonee矿顶板塌落监测和风爆预警中的应用实践，供国内煤矿业内安全管理人员在类似煤矿开采中制定安全预警管理系统时参考。

2、ISS微震监测技术在Moonee矿顶板塌落与风爆预警预案制定和实施中的

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应用

2.1 Moonee矿开采情况简介[5, 6, 8, 9]

Moonee矿位于澳大利亚Newcastle地区，自1997年开始采用长壁法采矿，每个采面约90m宽，1900m长。煤层厚度约为3.5m，实采2.8m。煤层埋深北部为90m，南部为170m，煤层顶板紧接为1.6m厚的泥岩，其上部为30至35m后的砾岩，与普通长壁开采条件有所不同的是当工作面推进后该砾岩层并不随之塌落，而悬于采空区的上方，据估计这是由于上覆压力过小、采空面较窄以及两侧岩体强度较高所致。当采空区足够大时，在离开采面一定距离的区域发生一系列连续的顶板塌落或大范围一次性顶板塌落。第一次顶板塌落是在第一个长壁作业区开采了200m后发生的，大范围顶板塌落引起强劲的风爆，造成人员受伤。

如1998年1月22日的一次塌落引起的风爆造成19名作业人员中的6人受伤，政府主管部门要求Moonee矿在建立一套切实可行的风爆管理机制前不得恢复生产。为此，矿山决策建立一套以微震监测技术为核心的顶板监测与风爆预警系统。图2、图3为微震检波器安装位置以及顶板塌落次序示意图。随着长壁采矿的推进检波器的安装也逐渐推进，部分检波器可重复使用，以节约系统费用。

图2，微震事件位置及顶板塌落过程示意。

Fig. 2 Positioning seismic events and process of roof falls.

图3. Moonee矿井下微震系统布置图，顶板塌落次序以及风爆发生区

Fig. 3 Frog-jump installation of micro-seismic system at Moonee Colliery

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2.2 微震监测的目的

微震监测的目的有以下几个方面：

z 确定可能发生岩爆或岩体失稳的具体位置。

z 预防人员伤亡的灾难性事故的发生。

z 生产过程控制：

1. 收集微震参数随时间与在空间中分布的变化，确定微震变形是否有加速发展

的趋势。

2. 由微震数据推算的感兴趣区域内应力有增大或减小的趋势以及与此相关的

变形稳定性。

3. 微震事件在区域内是否有扩散和增多、增大的趋势。

4. 确定中、大微震事件的发生数量在工作日内随时间分布的是否增多，这有助

于制定生产控制措施。 例如：根据一天内不同时间微震活动性特点安排开

采区作业人员的作业方式，以减少作业人员的工作风险。

5. 有意识地在特定区域降低施工速率或采取临时停工措施；或在特定的区域采

取适当准备措施选择有控制性的爆破方式等等。

z 预警：确定微震参数在时空分布上是否有超出预期的变化规律，或出现某种预

期的会导致发生动力失稳破坏的时空分布。及时的预警可以有效地减少由于岩

爆或岩体破坏而引起的灾难性后果。

z 反分析：帮助设计和管理人员提高的开采区岩体动力特性的认识，检验设计方

案的正确性，从而制定更加经济合理和安全的开采方案。因为基于微震监测技

术的岩体动力学理论有比较少的假设，通过比较多的应用实践，从累积的海量

现场数据可以总结出岩体动力学理论与实践，用于检验、校对和丰富基于传统

岩石力学和工程地质构造的理论和设计方法，从而提高人们对岩石和岩体力学

的认知水平。

2.3 基于微震监测技术的风爆应急预案制定

ISS软件可以根据用户要求在软件中设定预警警报发布指令，用户的IT人员可以根据情况调整或修改预警准则。在Moonee矿实施基于微震监测技术的风爆预警系统的初期，其预警准则也与Newstand和West Wallsend矿相同，仅选用微震事件出现的频率一个参数。随着应用的熟练和不断总结，Moonee矿发展并实施了一套包含了微震频率、微震趋势及震级判别的多参数风爆预警系统，减少停工时间，提高了工作效率。多参数判别系统如下图所示。

2.4. 风爆预警系统的实施及效果

根据前述微震预警系统，当作业区警报拉响后，所有的高压电源将会切断，因此采煤机、破碎机以及皮带运输机等设备将全部停止工作。长壁面上的警报灯开始闪光，警报器拉响。此时，作业人员将以尽可能快的速度撤离到间隔设置于长壁作业区和主通道区“安全防护室”。

预警系统中保护作业人员的具体措施有下面几项：

● 只要在风爆影响区内有作业人员，必须保证有连续性的微震监测；

● 风爆影响区：以风速20m作为标准，风速大于此标准为不安全区“红区”，反之则

为安全的“蓝区”。

● 根据微震活动水平的高低，对井下进行分区：确定作业人员可以活动的区域，有

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限活动区以及控制活动区； 风爆作业指南：在风爆影响区内执行任务的工作指南； 微震警报：当微震系统的四个预警准则满足后或者工作人员发现特别情况或支柱压力过高时拉响警报； 虚发警报：没有满足微震预警条件而发出的警报； 支柱压力警报：连续三个支柱的压力超过35MPa； 开班前的现场勘查； 塌落后现场检查指南； 风动触发器：当风速超过设定值时，触发器工作，切断3.3kV供电电源。

图4 用于Moonee矿的风爆预警系统判别准则Fig. 4 Windblast warning criteria at Moonee Colliery[8]

文献[8]报道了自微震系统建立起到报告发表前的127次塌落造成比较大的风速，其中84%以上的事件提前12秒发出警报，其中55%以上的事件可以有两分钟以上的预警时间。

ISS微震监测技术在Moonee矿安全开采中的成功应用引起了国际矿业界对的该技术应用的发展高度重视。美国国家安全与健康研究所（NIOSH）Iannacchione等[10]对Moonee矿的更多的微震数据进行了进一步的整理研究，他们的结论，肯定了微震监测系统的成功，同时得出了更为详细的统计数据。

z 90%的顶板塌落事件能够有大于一分钟的预报时间（发出警报和发生塌落之间的时

间）；

z 73%的顶板塌落事件能够有提前54分钟的预报时间；

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z 顶板塌落的预报时间以对数形式衰减，提前100分钟预报顶板塌落的成功率下降为

20%；

z 由于选用了较为严格的安全准则，50%为预警发出后并没有出现顶板塌落，其中部

分原因是预警发出后通常作业随之停止，从而避免了塌落的发生。如果预警发布后继续开采，顶板塌落很可能随即就会发生。

3、结语

微震监测是在最近20年内发展起来的一项最为显著的实用岩体稳定性监测技术，能对可能影响采矿过程的不稳定岩体在三维空间内进行实时监测，从而用于指导生产和减少对生命和财产设备的危害。

本文介绍了该技术在Moonee矿开采过程预报岩体失稳和风爆预警系统中的成功应用。需要指出的是每个矿山都有其不同的地质条件和生产方式，对不同矿区、不同的地质条件下的开采，应开发和完善适合自己矿山的安全预警系统。

由于长期以来煤矿安全以及减少由于煤矿灾害造成的人员伤亡一直是我国煤矿生产业的重要课题，政府各级有关部门和生产单位对此都十分重视。希望本文介绍的微震监测技术对我国有类似问题的矿山有借鉴作用。

4、感谢

作者感谢ISSI公司的R. Lynch 博士为本文的准备提供的宝贵资料，感谢ISSI公司的Mendecki博士为作者所做的关于微震监测技术理论和应用实践的专题介绍。

5，参考文献

[1] Mendecki, A.J. (ed) (1997). Seismic Monitoring in Mines, Chapman and Hall, London.

[2] Minney, D., Kotze, G, & ven Answegen, G. (1997) Seismic monitoring of caving process above a retreating long wall at New Denmark Colliery, South Africa, Rockbursts and Seismicity in Mines, edited by Gibowicz & Lasocki © 1997 Balkema, Rotterdam, ISBN 90 5410 8908.

[3] De Beer W (2000), Investigation into the possibility of predicting goafing by micro seismic monitoring techniques, Final Report to SIMRAC.

[4] Kotze G and du Plessis，JA. Pre-feasibility investigation to provide an early warning of roof falls prior to support installation, 2001，Final Report to SIMRAC.

[5] Hayes, P. Moonee Colliery: Renewing the Economic Viability of a Mine Using Microseismic and

Hydraulic Fracturing Techniques in Massive Roof Conditions, Proc. 19th International Conference on Ground Control in Mining, Morgantown, WV, 8–10 August 2000, pp. 38–44, Morgantown: West Virginia University.

[6] Fowler, JCW, Hebblewhite, BK & Sharma, P. Managing the hazard of wind blast / air blast in caving operations in underground mines. ISRM 2003–Technology roadmap for rock mechanics, South African Institute of Mining and Metallurgy.

[7] 姜福兴, Luo Xun. 微震监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.

[8] Newland, A. Campbell, R & C. Macdonald, C. The development and implementation of the Moonee Colliery windblast warning and control system, 1st Australansian Ground Control in Mining Conference, 10-13, November, 2003. 33-43.

[9] Edwards, J. (1998). Seismic monitoring for windblast prediction. In: Mine seismicity and rockburst risk management in underground mines, Australian Centre for Geomechanics, pp.14-1 to 14-6. (2) : 147～149.

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[10] Iannacchione, A T. Bajpayee,T S & Edwards, J L. Forecasting Roof Falls with Monitoring Technologies – A Look at the Moonee Colliery Experience. Proc. of the 24th Int. Conf. on Ground Control in Mining, Morgantown, West Virginia, August 2-4, 2005. 44-51.

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/yacj.html