孙晓元1，2 解北京2 薛洪来2 吕平洋2 魏怡航2 赵越超2
（1．太原科技大学环境与安全学院，山西省太原市，030024;
2．中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083）
摘 要 针对老虎台矿83002综放工作面冲击地压频繁发生的实际情况，利用ARAMIS M/E微震系统进行长期监测，并在此基础上建立了基于隶属度分析的回采面冲击地压能量预测模型。研究结果表明：83002综放工作面微震事件满足能量一频次原则，冲击地压受地应力、上覆采空区和地质构造等多重因素的影响，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阈值为3. 01×105J。研究成果为充分发掘微震信息，提高冲击地压预测预警的准确率提供了技术支持和理论指导。
关键词 综放工作面 微震 冲击地压 能量阈值 隶属度分析
中图分类号 TD324
作为典型的煤岩动力灾害，冲击地压对矿井安全构成极大的威胁。我国是受冲击地压影响最为严重的国家之一，2012年全国共有冲击地压矿井142个，遍布多个矿区。随着煤矿开采深度的不断延伸，煤岩体所承受载荷逐渐增加，进而表现出更易破坏失稳的特性，这就导致冲击地压事故呈现次数越来越多、强度越来越大、后果越来越严重的趋势。
针对上述现状，许多学者从机理和监测手段上进行了大量的研究，也取得了丰硕的成果。遗憾的是受限于发生机理和矿井条件的复杂性，冲击地压的预测预警尚未得到有效解决。实践表明，现场监测仍是冲击地压预防的最好方法。在现有的预测预警技术中，微震监测是较为有效的一种手段。与其他地球物理方法相比，其不仅避免了电磁辐射只能对部分地点进行监测的局限，也较声发射（地音）等更能有效地降低高频信号干扰，从而实现了及时监测冲击地压事件，准确获取震动发生的位置和时间、影响范围和能量的目标。然而，若将微震手段应用于冲击地压预警时，则普遍存在准确率不高，漏报误报时有发生的现象。究其原因，除微震提供的丰富信息未得到充分发掘之外，更关键的原因在于冲击地压的发生往往受多种因素干扰，这些因素又带有不同程度的模糊性。当前常用的方法多为定性或半定量分析，缺乏较综合的定量分析方法和较合理的微震预测门限值，从而给冲击地压的预测预警工作带来了困难。
在微震事件的各项表征因素中，能量无疑是最易量化的参数之一。因此，本文以受冲击地压困扰较为严重的抚顺矿业集团有限责任公司老虎台矿83002回采工作面为例，从微震能量人手，借助隶属度分析等模糊数学方法，探讨利用微震事件能量阈值来预测冲击地压的可行性。研究成果将有助于提高冲击地压预测预报的准确率，并为灾害预警和防治等相关措施的应用提供理论支持。
1 试验区概况
抚顺矿业集团有限公司老虎台矿位于抚顺煤田中部，井田面积9.6 km2。抚顺煤田是我国最早出现冲击地压灾害的区域（1933年），老虎台矿也是国内受冲击地压最为严重的矿井之一，其在-630 m水平和-780 m水平时高强度矿震就频繁发生，进入-830 m水平（埋深约910 m）后，随着应力水平进一步增大，断层和褶皱增多，加之开采条件和地质构造的复杂化，使得冲击地压发生的次数和强度均得到显著增加。
83002综放工作面曾是老虎台矿受冲击地压最为严重的工作面。该工作面东邻73001已采面，上部为83001和78002已采面，且已采面距离本工作面顶板为6～20 m，故工作面回采时易受上覆已采面的影响。此外，83002综放面内地质构造复杂，受断层影响严重，较大的断层有4～8个，落差3～15 m，受其影响，煤岩产状在走向和倾向上均表现了较为明显的变化。因此，83002试验区受地应力、上覆采空区和地质构造等多重因素作用，发生冲击地压的可能性较高。试验区地质平面简图如图1所示。
2 微震监控结果初步分析
2.1 ARAMIS M/E微震监测系统
老虎台矿采用波兰产ARAMIS M/E微震监测系统，该系统包含井下和地面两部分，其中地面部分包括系统信息传输系统( DTSS)、震动信息记录仪、震动定位和震动能量计算软件( ARAMIS WIN)及冲击地压危险性评价软件(HESTIA)；井下SN/DTSS信号发射站则由NSGA震动信号发射装置和SPI- 70地震检波器组成，同时NSGA装置也与不同方向和位置的震动传感器( G Vu/G V d/GH)相连接。该监控系统可即时、连续地采集震动信息记录，生成震动信号图，同时实现全矿井范围内微震信号的频率分析、数字滤波及震源定位、震动能量计算、影响范围估计等功能，并可在此基础上对信息进行进一步的处理。
2.2典型微震监测处理过程
当有一定能量的微震事件发生时，布置于井下的传感器接收震源发出的震动波，将震动信号转换成电压信号，并通过DTSS系统将信号传输到地面。在地面对每个传感器接收到的微震信号进行对比，将其发送到数据处理服务器，绘制信号波形图，确认微震事件发生后再由数据处理软件分析震源能量和位置，并把最终结果反映在矿图中。
根据理论分析和井下实际情况，老虎台矿在全矿不同水平和区域范围内共布置了16个微震传感器，其中830水平布置3个测点。ARAMIS M/E微震监测系统于2008年9月1日正式运行。现以2009年2月25日的一次微震事件说明信号的处理过程。凌晨2点05分，ARAMIS M/E系统监测到一次冲击地压事件，在83002综放面产生明显震感，同时抚顺地震台网通报其震级为3.2级。井下16个传感器均记录到相应的震动波形图，借助F波法进行震源定位，推算知震源点坐标为(36450，77490，-836)，位于83002试验区回风巷道F25断层附近，震源能量为1.1 X 109J．初步推断其可能是受回采作业和地质构造双重作用影响而产生的。
3基于微震事件的冲击地压预测模型
上节阐述表明，ARAMIS M/E微震系统可有效地实现冲击地压的监测与记录，有助于掌握震源位置及能量处理的相关参数，但这距离冲击地压的准确预测尚存在一定差距。事实上，目前基于微震监测系统的冲击地压预测工作多建立在时间序列相关研究的基础上。这些利用时间序列预测冲击地压的发生在采矿工程实践中得到了一定程度的应用，但仍属于定性分析或半定量预测，就如何判断微震活动的类型尚未形成统一的标准，这就导致仅凭微震时间趋势分析预测冲击地压发生的准确率难以保证。因此，有必要提出一种可基于微震事件预测冲击地压的定量分析模型，以提高灾害预警的准确率。
3.1 冲击地压与微震活动对应能量分析
ARAMIS M/E微震监测系统自运行之后，每月均建立微震月报，详细记录发震时间、震源位置、震动能量和破坏程度等情况。现以震动能量为例，统计9个月连续监测所得的微震事件能量与冲击地压事故的关系如图2所示。
图2显示了从2008年10月- 2009年6月发生于83002综放工作面的微震事件。借鉴地震学中的震级-频度原则（G-R关系），微震事件的能量越高，其震级越大，那么该事件出现的频率就越小；反之，微震事件的能量越小，该类震动发生的频率就相应增大。具体到83002工作面而言，能级在109J的能量就非常少见，而能级在103J的震动则每个月均出现多次。由于绝大部分低能量的微震事件并不能导致冲击地压的发生，故将传感器的最低信号能量拾取阈值定为1×103J。
图2中用爆炸符号标注了冲击地压事故的发生情况。需要说明的是这里所描述的冲击地压包括了实际发生和冲击显现两种类型，即前者为矿井出现了巷道或支架破坏等动力现象，后者则是在生产过程中产生较大的震感或煤炮声、顶板掉渣等情况。在为期9个月的观测过程中，出现能量高出103J的微震事件共482次，冲击地压共22次，统计结果如表1所示。
表1中分别存在两个不同的集合，一个是微震事件集X{x1，x2，x3，x4，x5，x6，x7}，另一个为冲击地压事件集Y{y1，y2，y3，y4，y5，y6，y7}。其中的xi（或y i）（i=1，2..7）分属于103～109J之间不同的能量级，那么微震和冲击地压事件的频率为：
——隶属该能量级的冲击地压占全部冲击地压的频率；
——隶属该能量级的微震事件并最终导致冲击地压的概率。
由表1可知，并非每次微震事件都能导致冲击地压的发生，但每次冲击地压都伴随有微震能量的释放。83002综放工作面中导致冲击地压发生的最小微震事件能级为104 J．且随着微震事件能量的增大，其导致冲击地压发生的可能性也在增大，如微震事件能级为107J或者108J时，有近50%的微震事件可能会诱发冲击地压，当微震事件能级上升到109J时，冲击地压的发生概率则达到100%。
3.2微震能量阈值的判定
通过上述分析可知，微震震源的能量越高，其导致冲击地压的可能性就越大，这是显而易见的，因此可利用能量阈值进行冲击地压预测。然而，微震事件最终能否转化成冲击地压，除了震源能量之外，震动形式、传播途径和局部场地条件也是重要的因素，其中传播途径包含有震源与监测区域的距离、震动波在传播中的叠加与衰减情况，而局部地质条件则涵盖断层破碎带、煤岩体性质和地质条件等。显然，对冲击地压预测而言，影响的因素多，部分因素难以明确，已经明确的又难以量化，从而增加了能量阈值确定的困难程度。
鉴于此，可借助模糊集理论来分析利用微震预测冲击地压的可能性。在模糊数学中，假定待研究对象的集合为Z，其中的每一个对象z均包含P个特性指标，那么可利用特征向量Z={x1，x2，…，Z p)来对这一模糊集的对象及其特性进行刻画。如果再把集合Z按照某一算法将其中的属性（如微震事件和冲击地压的能量值）分成n个类别，那么就产生了一组隶属度
隶属度的数学意义是通过u(u∈(0，1))值大小反映某一元素是否隶属于某一集合。“越接近于0，则表明这一元素越不属于该集合；反之u越接近1，则表明该元素属于该集合的可能性越大。将其应用到冲击地压的预测中时，则可以借助于补集的概念，即对应于预测无冲击地压危险程度的补集来进行计算。
式中：u-------微震能量预测冲击地压发生的危险程度；
Ai——危险程度位于该能量区域的微震事件覆盖频数，次；
M------总的微震事件数，取482次。
利用式(4)，将计算得出的83002综放工作面微震能量与冲击地压危险程度预测的模糊集合隶属度进行统计，统计结果如表2所示。
表2中，能量组段表示微震事件的能量等级，其平均值如第二列所示。频数反映的是位于该能级的微震事件的次数，覆盖频数则为其相应补集的微震事件次数。由表2绘制隶属函数曲线图，对其进行曲线拟合，隶属度分布及回归曲线如图3所示。
利用微震事件预测冲击地压的隶属度曲线拟合
公式为：
由图3可知，曲线的相关系数达到R2=0. 99646，拟合程度较高。
如前所述，隶属度的数学意义是通过u(u∈(0，1))值大小反映某一元素隶属于某一集合的程度。即在冲击地压预测时，“越接近于O，则表明该能量等级的微震事件转化成冲击地压的可能性越小，反之则越大。因此，可借助长期观测和拟合分析所得出的式(5)，将隶属度分别选择为0.4、0.5、0.6、0．7和0．8，并计算出其对应的能量阈值。
在9个月的长期监测中，统计的微震事件和冲击地压实际发生次数均为482次和22次。针对不同的隶属度，反演出的能量阈值不同，预测冲击危险次数（即微震事件能量值大于阈值的次数）和预测冲击中准确次数（即实际发生的冲击地压能量值大于阈值的次数）不尽相同，由此计算所得的预测冲击发生率和预测冲击准确率也有所差异；相应地统计预测无冲击次数（即微震事件能量值小于阈值次数）和预测无冲击中准确次数（即预测无冲击发生时实际也未发生冲击地压的次数），利用“四率法”分别计算预测冲击发生率、预测冲击准确率、预测无冲击准确率和预测准确率，并将结果汇总如表3所示。
需要说明的是在选择能量阈值时，往往需要兼顾两方面的准确率：一方面要求能量阈值尽可能的高，以降低误报次数，增大预测冲击的准确率，另一方面能量阀值越高，则发生漏报的可能性越大。当以上两者难以权衡时，应首先避免漏报现象的发生（即预测准确率最高），然后再寻求避免误报的途径（即预测冲击准确率和预测不冲击准确率较高）。在表3中，当能量阈值为1. 56×105J、2.16X105J和3.01×105J时，其预测准确率为50%，大于能量阈值为4. 35×105J和6.91×105J时的预测准确率；而在前三个能量阈值中，预测冲击准确率和预测无冲击准确率最高的为3. 01×105J。综合上述分析，可认为3. 01X 105J的微震能量阈值是合理的。
4 结论
(1) 83002综放工作面受地应力、上覆采空区和地质构造等多重因素的影响，发生冲击的可能性较大，其中断层构造对冲击地压的影响最为突出。
(2)利用ARAMIS M/E微震系统对83002综放工作面进行了长期监测，发现微震事件同样满足能量一频次原则，且能量越高则冲击地压发生的概率越大。
(3)基于隶属度分析，建立了冲击地压预测模型，并针对不同的隶属度进行了能量反演，最终确定合理的微震能量阈值。
需要说明的是该能量阈值是在微震事件统计的基础上针对老虎台矿83002综放工作面冲击地压预测提出的，煤与瓦斯突出等灾害预测时也可应用类似的方法，但需结合长期监测和工作面情况进行分析，并根据实际情况不断加以修正和完善。
