冲击矿压之监测微震法20120507

1冲击矿压监测之微震法巩思园博士后中国矿业大学Email:[e-mail]:13852437834中国矿业大学矿震冲击分析研究中心2汇报提纲一、矿震与冲击矿压二、微震法三、矿震类型及特征四、矿震震动波传播规律五、矿震发生规律六、矿震及冲击预警23一、矿震与冲击矿压4一、矿震与冲击矿压矿震：采矿活动引起的诱发地震，是煤岩介质在矿区构造应力场或采掘活动作用下，聚集的弹性应变能释放，造成采掘空间周围岩体破裂、滑移和突然卸压；冲击矿压：在高应力作用下，聚集的能量突然释放，造成煤岩体的冲击破坏、人员伤亡、地面建筑物破坏。共性：都是开采后煤岩体内积聚能量释放而产生的破裂现象；区别：冲击矿压更侧重后果的描述，即震动在巷道产生了明显的破坏显现；5一、矿震与冲击矿压冲击矿压是矿山震动的一种形式，矿山震动和冲击矿压的基本关系为：（1）冲击矿压是矿山震动的事件集合之一；（2）冲击矿压是岩体震动集合中的子集；（3）每一次冲击矿压的发生都与岩体震动有关，但并非每一次岩体震动都会引发冲击矿压。（4）事实上在发生冲击矿压以前，煤岩体内已经出现矿震，这些信号是分析冲击危险的重要信息源。6一、矿震与冲击矿压-101234562345678910log(E)log(n)NwNt•震动频次与能量级之间的关系；•冲击矿压和震动的频次之比与能量级之间的关系。-7-6-5-4-3-2-102345678910log(E)log(nt/nw)loglogbEanlogloglogcbEaEnnwt7一、矿震与冲击矿压动静载叠加诱发冲击现象minjdb8一、矿震与冲击矿压来压：老顶、关键层；矿震：煤柱的破坏、顶板的破断、上覆岩层大范围运动、断层的滑移等动载-来压+矿震()()dPPppPddSSppSvvvv监测：煤岩体破断运动规律，微震法、声发射、电磁辐射等；治理：破坏煤岩体的结构，减小煤岩体的运动程度的措施。即，降低震源的震动能量，加大震源距采掘工作面的距离，增加震动波的衰减程度等。动载-监测与防治9二、微震法10微震：震动比较强烈的、能量大于102J、频率通常小于150Hz；声发射（地音现象）：震动比较弱的、能量小于102J、频率大于150Hz而小于3000Hz，传播范围不大于200m；10-210-1100101102103104105地震微震声发射频率，HzLW10301LW10302LW10303LW10304LW10305二、微震法11南屯煤矿微震台网布置图SOS微震监测系统二、微震法12井下地面探头采集站记录仪、GPS授时分析仪二、微震法13优势二、微震法实时24小时监测；可远距离、大范围监测整个矿井区域采掘活动引起的矿震；完全显示和记录各种类型震动的波形；优化后可准确计算震源的位置和能量；确定震源机制；相对其它方法能够更准确描述和预警冲击矿压；14二、微震法短期：救援：对潜在造成冲击的高能量震动进行准确定位，从而警示管理者及时实施紧急救援及避让工作，以防止可能次生灾害造成的伤亡；识别冲击危险区域：通过震源参量变化确定冲击危险区域，并进行重点监测与分析；确定冲击危险级别：通过微震法定性和定量评价确定采掘冲击危险区域的危险级别，提出监测方案和防治措施。长期：开采设计方案评价：对比分析采用的开采设计方案下实际观测和预期的岩体微震响应，以确认和评价防冲设计方案的有效性，为类似条件下防冲方案的设计提供依据；目的：15震源位置台站（探头位置）(xi，yi，zi，ti)(x0，y0，z0，t0)0tVzzyyxxt12102102101)()()(探头10tVzzyyxxt22202202202)()()(探头20nnnnntVzzyyxxt202020)()()(探头npniiiii0ii0VzzyyxxttwtzyxF1202020000)()()(,,,）（矿震定位原理二、微震法-定位16低通滤波器高通滤波器带通滤波器终断滤波器滤波消除背景噪音二、微震法-波形除噪17微震信号的频率段处于0-50Hz范围，故一般情况下，多选择50Hz作为截止频率，当然，若记录的信号中混有低频成分的话，也可适当调低截止频率，但是，降低截止频率也会造成有用信号的滤除，从而影响到时标记和震源定位的精度，建议在选择截止频率时，应首先观察采集到的波形和背景噪音（震源波形之前的信号）的特点，利用快速傅立叶变换技术（FFT）求得背景噪音和震动波形的频谱特征，若所在频率带的差异明显，则可选择背景噪音的主频作为截止频率，滤波的效果会有明显的提高。滤波消除背景噪音二、微震法-除噪18定位最优通道个数选取计算震源到台站距离并排序由近及远不断增加探头个数利用定位精度评价模型计算震源误差是否达到最大探头个数否由误差确定最优通道个数计算和iVPit))(exp(12iptitd最优通道个数的确定流程图))(exp(12iVViVdPPpV；纵波幅值阻尼系数式中：纵波波速变异数二、微震法-定位通道个数选取19定位最优通道个数选取二、微震法-定位通道个数选取20定位最优通道个数选取（a）A区试验点（b）B区试验点当震源激发探头个数足够多时，不断的增加定位通道个数并不能有效提高震源的定位精度，一般在台网布设较优时，6-8个通道就可以保证震源的定位精度。台网布设较差区域对误差的抵抗能力较弱，增加探头反而降低震源定位精度，因此为提高震源定位精度，应首先从优化台网布设入手，然后再利用定位通道个数选取原则确定最优通道个数。二、微震法-定位通道个数选取21震动波传播特征二、微震法-异向波速模型构建煤层Coalbed岩层Strata表土层Topsoillayer震源Source检波器SensorVpgVpgVpuVpuVpu离层带最短路径Theshortestpath最小走时路径TheshortesttimepathBedseparationzone22模型求解二、微震法-异向波速模型构建kjniiijijijjjikjjjjjpgpujVV112202020010000)()()(),,,,(minVzzyyxxttz,yxtF（1）无爆破信号，只使用强矿震信号（2）既有爆破信号，又有强矿震信号kkjjbjjbjjbj/)()()(min1202020zzyyxx23验证二、微震法-异向波速模型构建0501001502002503001234567891011121314爆破信号个数numberofBlastsignal统一简化速度模型震源定位误差sourcelocationerrorsinisotropicvelocitymodel统一简化速度模型震中定位误差epicenterlocationerrorsinisotropicvelocitymodel异向简单波速模型震源定位误差sourcelocationerrorsinanisotropicvelocitymodel异向简单波速模型震中定误误差epicenterlocationerrorsinanisotropicvelocitymodel定位误差/mlocationerror/m24台网的最优布设二、微震法-台网布设25台网的最优布设综合指数法——确定冲击危险区域及其冲击危险指数地质因素开采技术因素避免形成直线；接近待测区域，避免大断层和破碎带影响；候选点应远离干扰源；考虑长远设计；初期确定候选点的原则候选点选择的不利条件超前支护段超前支护段监测区域AB地面备选点危险状态冲击矿压危险指数区域内发生矿震的概率弱冲击0.25～0.50.35中等冲击0.5～0.750.65强冲击0.75～0.950.85不安全0.951二、微震法-台网布设26台网的最优布设二、微震法-台网布设27区域Ⅰ区域Ⅱ区域Ⅲ13#16#1#12#2#15#3#4#5#6#7#9#8#11#10#14#台站巷道采空区312个候选点2.61×1026种布设组合方案二、微震法-台网布设28理论计算结果数值仿真结果二、微震法-台网布设29满足现场震中误差与震源误差分别小于20m和50m的要求2008-8-13实际爆破位置2008-8-14计算位置2008-8-14实际爆破位置2008-8-27实际爆破位置2008-9-6实际爆破位置2008-9-26实际爆破位置2008-8-27计算位置2008-8-13计算位置2008-9-6计算位置2008-9-26计算位置2008/8/13/00.03.342008/8/14/06.41.342008/8/27/20.19.452008/9/6/7.21.582008/9/26/12.37.5111#10#8#9#7#5#6#14#10#11#8#9#7#5#6#11#10#8#9#7#5#6#14#11#10#8#9#7#5#6#11#9#8#10#7#5#6#爆破记录时间震中误差/m震源误差/m2008-08-1300:03:344.0122.242008-08-1406:41:346.2817.442008-08-2720:19:4515.3620.142008-09-0607:21:5816.2844.242008-09-2612:37:5119.6823.99二、微震法-台网布设30矿震能量计算获得P波和S波持续时间和持续时间段的震动波速幅值；设置能量计算参数，例如：密度ρ、P波和S波的传播速度、能量衰减系数α和震动波传播方程指数n;计算所有选择通道的P波和S波能量，获得P波和S波能量平均值，两者之和为震源能量。积分dSnUdtES(0离散形式)(,)()((.(12212666e22110)10)5010rnnkiikikirvcErFrE二、微震法-能量计算31矿震能量与震级间的转换logE=1.53ML+1.77R2=0.77350123456780.51.01.52.02.53.03.5MLlogE震级与震动能量拟合曲线二、微震法32三、矿震类型及特征33微震系统能够记录任何类型的震动：地震、矿震、瓦斯突出过程产生的震动、放炮诱发的震动等。煤与瓦斯突出信号合肥地震三、矿震类型及特征34P波S波拉夫波瑞利波体波面波震动波类型面波是由体波传至边界产生的次生波体波传播速度快于面波三、矿震类型及特征352112sp）（VV500.纵波(P波)：代表介质体积的涨缩，称为涨缩波，其质点振动方向与传播方向一致。横波(S波)：代表介质的变形，称为畸变波，其质点振动方向与传播方向垂直。三、矿震类型及特征36三、矿震类型及特征FFFFFF巷道冒落型煤（矿）柱冲击型顶板张拉型顶板正断层滑移底板逆断层滑移顶板近水平俯冲断层滑移典型矿震类型典型采动诱发震动类型37三、矿震类型及特征不同破裂模式下应力降大小矿震机理剪切破裂滑移释放的能量是拉张破裂的8～12倍；剪切破裂滑移32m释放的能量相当于拉张破裂100m释放的能量38三、矿震类型及特征岩石破裂模式与破裂尺度、应变能释放两种破裂模式下岩样破裂半径与震动能量的关系13122WGr2322tWEr010203040506001234567LogEseisr(m)20MPa40MPa70MPa100MPa02040608010012014016018001234567LogEseisr(m)20MPa40MPa70MPa100MPa剪切拉伸39Lcf式中：f—震动频率；c—常数；L—断裂裂缝尺寸。破裂尺度与震动主频特征关系煤岩震动主频往往随震动震级强度（或释放能量）的增加而降低；对相同或类似能量大小的强矿震而言，强矿震频率增加往往又意味着其震源快速破裂和震动能量的迅速释放，会具有更大的冲击破坏效果；三