研究表明，顶板岩层结构，特别是煤层上方坚硬、厚层砂岩顶板是影响冲击矿压发生的主要因素之一，其主要原因是坚硬厚层砂岩顶板容易聚积大量的弹性能^[1].我国冲击矿压较严重的矿区普遍存在坚硬顶板结构.例如大同矿区以坚硬顶板、坚硬煤层的“两硬条件”著称，其中忻州窑煤矿8929工作面老顶为中粗砂岩，单轴抗压强度超过150 MPa，整体性厚度平均为18.1m.工作面在回采过程中出现多次冲击矿压显现.新汶华丰煤矿4煤层存在一层厚550m的坚硬砂砾岩层，单轴抗压强度为137.5 MPa.4煤层开采过程中曾多次发生冲击矿压.淮北矿业集团海孜煤矿存在一层厚度为117~136 m的巨厚火成岩，单轴抗压强度达102.3~161.9MPa.火成岩的动力冲击失稳导致了多起强矿压显现.

微震技术作为监测预报矿井煤岩动力灾害的一种区域性的监测手段，具有谱成分丰富、频带较宽的特性，能够实时监测采场围岩空间破裂形态、顶板活动以及冲击矿压等释放的能量，并对震动事件进行准确定位^[2].利用微震监测系统对坚硬顶板岩层的活动状态，特别是诱发煤体冲击破坏的微震前兆效应进行研究能够有效地诊断冲击矿压的危险程度以及检验治理的效果.

目前国内外对坚硬顶板破断的微震效应已经进行了大量的研究.如姜福兴等^{[3, 4]}研究结果表明，微地震定位监测技术能够准确定位煤层上覆顶板的破断位置及其方式，在空间上展示了顶板、底板、煤体的破裂形态及其与应力场分布的关系.成云海等^{[5, 6]}采用微地震定位监测技术，对华丰煤矿开采三面采空工作面（冲击地压解放层）的岩层运动进行了岩体三维空间的破裂成像描述，证实了三面采空孤岛工作面老顶上方形成C型的空间结构.Shen等^[7]研究了澳大利亚某长壁工作面顶板垮落时位移、应力以及微震监测结果，发现微震信息较位移、应力更能揭示顶板垮落的过程，并研究了顶板垮落时的微震前兆信息.Brady等^[8]研究了硬岩矿井冲击矿压前兆的微震事件，并分析了煤矿顶板垮落的数个微震事件，发现微震一开始首先增加，当顶板岩层破断之前，微震产生突降.Frid等^[9]在澳大利亚Moonee煤矿利用电磁辐射以及微声发射监测顶板的垮落过程时，发现顶板垮落前超过1h监测到异常高频的电磁辐射信号，较低频微声发射信号提供了明显的时间优势.LurkaA^[10]利用层析成像技术研究了波兰ZabrzeBielszowice矿区306长壁工作面顶板破断的冲击矿压危险性以及危险区域，发现P波波速与区域的矿震危险性呈正相关.

综上所述，国内外对于顶板破断的微震定位、破断方式及其与区域应力场之间的耦合关系、破断前后的微震效应等进行了研究.但对坚硬顶板诱发煤体冲击破坏的微震前兆效应缺乏深入的研究.本文利用TDS-6微震系统测试了忻州窑煤矿组合煤岩试样变形破裂直至冲击破坏过程中的微震效应.采用SOS微震监测系统研究了忻州窑煤矿8929工作面坚硬顶板诱发煤体冲击的微震活动规律，揭示了坚硬顶板型冲击矿压的微震前兆效应.

从忻州窑煤矿8929工作面采集煤岩样，遵照行业标准将煤岩块加工成直径为50mm的试样，锯成高20、30、35、70mm的圆柱体，并将两端磨平.按不同的高度比以及“顶板-煤层-底板”的组合形式，粘合成近50 mm×100 mm的试样.图 1所示为组合试样的实物照片，表 1所示为组合试样中各亚层的高度之比.

表 1(Table 1)

表 1 组合试样中各亚层的高度之比 Table 1 Height ratios of sublayers of compound samples

表 1 组合试样中各亚层的高度之比 Table 1 Height ratios of sublayers of compound samples

图 1

Fig. 1

图 1 组合煤岩试样实物照片 Fig. 1 Photoofcompoundcoal-rocksamples

加载装置采用高精度能控制加载速度的SANS材料试验机（见图 2），用于进行组合试样加载和应力-应变全程曲线的测定.试验采用循环方式进行加载，首先以0.5kN/s的速度加载到试样单轴抗压强度的70%左右，然后开始卸载，一直卸载到1.0kN左右，最后再次加载直至试样冲击破坏.

图 2

Fig. 2

图 2 压力机及微震采集分站实物照片 Fig. 2 Photo of press machine and MS collection stations

微震信号由中国矿业大学与国家地震局地球物理研究所共同研制的TDS-6微震系统进行采集，系统由6个采集分站和1个中心主站组成，可完成对微震信号的采集、记录和分析.

系统选择频段1~100 Hz，设定STA/LTA=1.2.扫描时间设定为1s.设置最大采样电压值为5000mV.记录方式采用触发记录，分站的采集数据大于设定触发阈值时开始记录，从事件开始前10s记录，事件结束后30s停止记录.

图 3所示为组合煤岩试样冲击破坏过程中采集的微震信号振幅-时间曲线.因篇幅限制，文中只给出其中具有代表性的部分试样1个分站的采集结果.

图 3

Fig. 3

图 3 微震信号振幅-时间曲线（a）RCF1试样1站振幅-时间曲线；（b）RCF4试样1站振幅-时间曲线. Fig. 3 Amplitude-time curves of MS signals (a) Amplitude-time curve of 1# station (sample RCF1); (b) Amplitude-time curve of 1# station (sample RCF4).

首先利用带阻滤波器对原始信号进行除噪.根据现场监测不同类型微震信号的频谱范围，考虑实验试样的小尺度高频特性，选择前兆、主震、余震信号分析时窗为0~500 Hz^[11].通过时-频分析，得到组合煤岩试样冲击破坏过程中微震信号的频谱分布.图 4、5所示分别为RCF1与RCF4试样冲击破坏过程中微震信号的频谱.

图 4

Fig. 4

图 4 微震信号的频谱分布（RCF1试样）（a1，a2）前兆信号的振幅-时间曲线和幅度-频率曲线；（b1，b2）主震信号的振幅-时间曲线和幅度-频率曲线；（c1，c2）余震信号的振幅-时间曲线和幅度-频率曲线. Fig. 4 Frequency-spectrum distribution of MS signal (sample RCF1) (a1, a2) Curve of amplitude-time and spectrum-frequency of precursory signal; (b1, b2) Curve of amplitude-time and spectrum-frequency of mainshock signal; (c1, c2) Curve of amplitude-time and spectrum-frequency of aftershock signal.

图 5

Fig. 5

图 5 微震信号的频谱分布（RCF4试样）（a1，a2）前兆信号的振幅-时间曲线和幅度-频率曲线；（b1，b2）主震信号的振幅-时间曲线和幅度-频率曲线；（c1，c2）余震信号的振幅-时间曲线和幅度-频率曲线. Fig. 5 Frequency-spectrum distribution of MS signal (sample RCF4) (a1, a2) Curve of amplitude-time and spectrum-frequency of precursory signal; (b1, b2) Curve of amplitude-time and spectrum-frequency of mainshock signal; (c1, c2) Curve of amplitude-time and spectrum-frequency of aftershock signal.

由图 3可知，试样冲击破坏之前存在明显的前兆信号.从频谱分布来看，前兆信号的频率较低，其中RCF1试样前兆信号的主频为0~50 Hz，RCF4前兆信号的主频为50~100Hz.依据前兆与主震信号间隔的时间，说明随着载荷的增加，试样内部微裂纹扩展、汇合，微震信号的主频逐渐向低频段移动.而主震信号的频谱分布较广，但低频（0~50 Hz）的成份显著增加，主要由于宏观破裂的产生.冲击破坏之后，由于煤岩试样的内部重新萌生了大量的微裂纹，故余震信号的频谱又开始呈现高频特性.

大同煤矿集团忻州窑煤矿8929综放工作面走向长度1504m，倾斜长度120m.煤层厚度为5.4~10.1 m，平均7.0 m.倾角平均3°，大致呈一单斜构造，分布为南部较厚，向北部逐渐变薄.该工作面与相邻的8927工作面之间的区段煤柱宽度为20m，造成了煤柱区的应力集中，尤其是8929工作面的轨道顺槽.煤层经冲击倾向性鉴定属强冲击危险.直接顶为粉细砂岩，厚度为3.26~26.81m，老顶为中粗砂岩，厚度为8.51~27.73m.该工作面曾发生过冲击矿压，主要由于坚硬顶板的活动诱发了高应力集中的区段煤柱发生冲击破坏. 表 2所示为8929工作面煤层及顶底板情况.

表 2(Table 2)

表 2 工作面煤层及顶底板情况 Table 2 Characters of coal, roof and floor of working face

表 2 工作面煤层及顶底板情况 Table 2 Characters of coal, roof and floor of working face

为了实时监测整个矿区特别是8929工作面冲击矿压的危险性，2008年5月引进并安装了波兰SOS微震监测系统，该系统主要由实时监测的记录仪、分析仪、微震探头和数字传输系统等组成，微震探头本身具有信号除噪功能.6月初正式投入运行.在井下共布置了15个探头，在地面布置了1个探头.

（1）微震频次、总能量与主频的关系

图 6所示为8929工作面2008年6月11日至7月31日期间微震频次及总能量与每日监测到最大能量的微震信号主频之间的关系曲线.

图 6

Fig. 6

图 6 微震频次、总能量与主频的关系曲线 Fig. 6 Relation curve of events, the total energy and main frequency of MS signals

图中，当微震信号频次与总能量增加时，信号的主频则呈降低的趋势.特别当工作面顶板活动以及诱发冲击矿压时，信号的最大有效主频达到最低值.从三者的趋势线可知，微震信号的频次、总能量与主频之间呈负相关关系.因此，可以利用最高能量微震信号的主频预测冲击矿压的危险性.

（2）冲击矿压的微震前兆效应

忻州窑煤矿8929工作面2008年7月12日和17日分别发生了冲击矿压，给矿井的安全生产造成了一定的影响.两次冲击矿压具体情况如下：

1.2008年7月12日凌晨3:00~4:00，8929工作面5929巷超前支护30m范围发生冲击矿压，巷道抛出煤量约50t，两帮炸帮严重处约为2~3m，冲击推倒单体支柱多达20根，其中3根变形扭曲，工字钢棚受冲击变形20余架，木背板大部分折断.

2.2008年7月17日早班9:00左右，8929工作面5929巷超前支护约25m范围发生冲击矿压，两帮炸帮较严重处约为1.5m，冲击使10多根单体支柱发生倾斜，造成1根单体支柱折断，2根单体支柱弯曲.

经微震监测系统的定位和能量计算，7月12日和17日的冲击震动能量分别达到2.5×107J、2.0× 107J，远远超过冲击矿压发生的能量极限.

图 7所示为两次冲击矿压发生时距震源中心最近通道采集的微震完全波形图.

图 7

Fig. 7

图 7 冲击矿压微震波形图（a）7月12日微震波形；（b）7月17日微震波形. Fig. 7 MS waveform of rockbursts (a) MS waveform (12, July); (b) MS waveform (17, July).

图 8所示为7月12日冲击矿压发生前后微震监测系统2#通道采集的微震信号频谱分布曲线.

图 8

Fig. 8

图 8 冲击矿压微震频谱演变（7月12日）（a1，a2）前兆信号的振动速度（Vv）-时间曲线和幅度-频率曲线；（b1，b2）主震信号的振动速度-时间曲线和幅度-频率曲线；（c1，c2）余震信号的振动速度-时间曲线和幅度-频率曲线. Fig. 8 Frequency-spectrum evolvement of MS signals caused by rockburst (12, July) (a1, a2) Curve of shock velocity-time and amplitude spectrum-frequency of precursory signal; (b1, b2) Curve of shock velocity-time and amplitude spectrum-frequency of rockburst signal; (c1, c2) Curve of shock velocity-time and amplitude spectrum-frequency of aftershock signal.

图 9所示为7月17日冲击矿压发生前后微震监测系统2#通道采集的微震信号频谱分布曲线.

图 9

Fig. 9

图 9 冲击矿压微震频谱演变（7月17日）（a1，a2）前兆信号的振动速度（Vv）-时间曲线和幅度-频率曲线；（b1，b2）主震信号的振动速度-时间曲线和幅度-频率曲线；（c1，c2）余震信号的振动速度-时间曲线和幅度-频率曲线. Fig. 9 Frequency-spectrum evolvement of MS signals caused by rockburst (17, July) (a1, a2) Curve of shock velocity-time and amplitude spectrum-frequency of precursory signal; (b1, b2) Curve of shock velocity-time and amplitude spectrum-frequency of rockburst signal; (c1, c2) Curve of shock velocity-time and amplitude spectrum-frequency of aftershock signal.

由图 7可知，冲击矿压前兆微震信号的频谱主要分布在0~50Hz，且振动速度较低.说明8929工作面煤岩层内部的微破裂逐渐汇合、贯通直至形成了宏观主破裂.当坚硬顶板破断诱发煤体冲击破坏时，主震信号频谱较宽，其中低频（0~20 Hz）成份显著增加，同时振幅达到极值.冲击矿压发生后，由于煤岩层内部重新萌生了大量的微裂纹以及煤体产生强烈的振动卸压，导致微震信号频谱的高频成份增加，主频分布在0~200Hz，且振动速度较低.

对比软弱顶板而言，坚硬顶板的破断主要表现为脆性断裂，破断之前能量总体处于不断积聚阶段，表现为微震信号较弱，且主频较高.破断时，能量迅速释放，信号强度达到极值，主频最低.破断之后，微震信号振幅产生突降，主频开始向高频移动.因此，微震信号的频谱演变可以评价顶板破断诱发冲击矿压的危险性.

（1）煤岩试样冲击破坏存在明显的前兆，且呈现低频特征.随着与主震间隔的时间越短，信号主频越低.主震信号频谱较宽，但低频（0~50 Hz）成份明显增多.冲击余震信号呈现高频特性.

（2）微震信号的频次、总能量与主频之间呈负相关关系，且当工作面顶板来压以及诱发冲击矿压时，微震信号的主频达到最低值.

（3）监测表明，冲击前兆微震信号的主频为0~50Hz，振动速度较低.主震信号频谱较宽，其中低频（0~20 Hz）成份显著增加，同时振动速度达到极值.余震信号呈现高频、低振幅特性.因此，可以利用前兆信号的频谱演变预测冲击矿压的危险性.