微震監(jiān)測技術(shù)在礦山防越界開采中的應(yīng)用

劉 梁

江西省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局九0二地質(zhì)大隊(duì) 江西 新余338000

1 項(xiàng)目概況

某煤礦周邊地方煤礦眾多,當(dāng)發(fā)生越界開采時(shí),會(huì)造成資源破壞、開采困難,帶來重大安全隱患,同時(shí)造成重大經(jīng)濟(jì)損失,因此進(jìn)行防越界開采監(jiān)測勢(shì)在必行。

2 微震監(jiān)測原理

煤礦越界開采微震監(jiān)測是指將微震技術(shù)用于探測由于越界開采活動(dòng)引起的地震波動(dòng)效應(yīng)事件,即將高靈敏度的微震傳感器布設(shè)于研究區(qū)域處四周,全面、實(shí)時(shí)、三維監(jiān)測,連續(xù)記錄因巖體變化而產(chǎn)生的微震活動(dòng)。通過對(duì)彈性波信息進(jìn)行采集處理,獲取事件發(fā)生的位置、大小、能量、地震矩、震源機(jī)制等信息,對(duì)越界開采活動(dòng)進(jìn)行分析、評(píng)價(jià),指導(dǎo)煤礦生產(chǎn)安全。

3 微震監(jiān)測系統(tǒng)

3.1 微震監(jiān)測系統(tǒng) 微震監(jiān)測系統(tǒng)的硬件部件由微震傳感器、微震數(shù)據(jù)采集儀、設(shè)備供電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)部分組成。微震傳感器負(fù)責(zé)采集高質(zhì)量波形信號(hào),微震數(shù)據(jù)采集儀將高質(zhì)量的波形信號(hào)通過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)信號(hào),供電系統(tǒng)保證整個(gè)系統(tǒng)的用電,系統(tǒng)的數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)負(fù)責(zé)傳輸。

3.2 微震監(jiān)測軟件系統(tǒng) 微震監(jiān)測軟件系統(tǒng)PCS平臺(tái)可將微震監(jiān)測信號(hào)在窗口進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測顯示,并能自動(dòng)轉(zhuǎn)化存儲(chǔ)于地面數(shù)據(jù)采集服務(wù)器,且可以實(shí)現(xiàn)事件智能化處理,以及后期的人工精細(xì)處理。其主要由以下四部分構(gòu)成:

(1)項(xiàng)目管理:項(xiàng)目工區(qū)、地質(zhì)模型管理等;

(2)實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件:微震實(shí)時(shí)波形顯示、硬件設(shè)備工作狀態(tài)顯示等;

(3)人機(jī)交互處理軟件:事件智能化處理、人工精細(xì)處理、分析等;

(4)三維可視化軟件:監(jiān)測區(qū)事件三維顯示、分析等。

4 項(xiàng)目實(shí)施

4.1 現(xiàn)場勘查 本次防越界開采為某礦地面東南側(cè)與同煤集團(tuán)煤業(yè)交界處的小窯破壞區(qū)(礦界3號(hào)拐點(diǎn),重點(diǎn)監(jiān)測小煤窯越層越界的破壞情況。

4.2 臺(tái)陣布設(shè)

4.2.1 布設(shè)原則 合理的監(jiān)測臺(tái)網(wǎng)可以提高震源定位精度,且盡可能多的獲取有用信息,減少干擾。在確保微震傳感器耦合效果的前提下,其監(jiān)測臺(tái)布設(shè)原則如下:

(1)監(jiān)測臺(tái)網(wǎng)應(yīng)在空間上在待監(jiān)測重點(diǎn)區(qū)域形成包絡(luò)狀,避免形成一條直線或者一個(gè)平面,并且有足夠、適當(dāng)?shù)拿芏?

(2)監(jiān)測臺(tái)網(wǎng)覆蓋在突出重點(diǎn)、兼顧局部的原則下盡量遠(yuǎn)離大型機(jī)械和電氣干擾。

4.2.2 臺(tái)陣布設(shè) 現(xiàn)場地表共布設(shè)10個(gè)微震監(jiān)測垂直孔,每孔安置一個(gè)靈敏度為200 v/m/s的三分量傳感器,分別位于采集儀附近。

4.3 坐標(biāo)測量 傳感器位置是影響微震事件定位結(jié)果的重要因素,因此,為保證應(yīng)有的微震事件定位精度,傳感器坐標(biāo)位置的準(zhǔn)確獲取十分重要。坐標(biāo)測量需有專業(yè)人員操作獲取,必須達(dá)到相應(yīng)的精度要求。坐標(biāo)系統(tǒng)需與礦圖以及其它礦山提供的資料保持一致。

5 越界開采活動(dòng)微震分析

5.1 背景噪聲分析 為了有效記錄這些微弱的巖體應(yīng)力變化波動(dòng)信號(hào),采取各種辦法降低環(huán)境噪聲,有效判斷區(qū)分巖體波動(dòng)信號(hào)和施工干擾信號(hào)是數(shù)據(jù)采集與處理中最核心的工作。選擇時(shí)間點(diǎn)為現(xiàn)場人工活動(dòng)相對(duì)較少的時(shí)刻,邊坡臺(tái)站環(huán)境噪聲水平為E-06。據(jù)以往微震施工經(jīng)驗(yàn)可知,對(duì)于生產(chǎn)擾動(dòng)引起的應(yīng)力變化產(chǎn)生的微震信號(hào)來說,本次監(jiān)測環(huán)境噪聲屬于一個(gè)相對(duì)較低的噪聲水平,對(duì)系統(tǒng)有效記錄微弱的巖石破裂微震信號(hào)影響很小,滿足項(xiàng)目監(jiān)測需求。

5.2 典型信號(hào)分析

5.2.1 微震信號(hào) 施工活動(dòng)擾動(dòng)圍巖,打破其應(yīng)力平衡,擾動(dòng)應(yīng)力突破巖體自身的剛度、強(qiáng)度,巖體穩(wěn)定性被破壞,完整巖體在外力作用下開始發(fā)生變形、微破裂。微震事件的時(shí)頻特征表現(xiàn)為不同的微震頻帶差異較大。能量小的頻率相對(duì)較高,主頻可達(dá)到幾百赫茲。能量大的頻率較低,頻帶范圍通常在幾赫茲到十幾赫茲之間。通過對(duì)某煤礦越界開采產(chǎn)生的煤體微破裂信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析,該微震事件頻率非常豐富,主頻約30hz,能量釋放過程由低到峰值再到減小,符合煤巖體微破裂特征。

5.2.2 爆破信號(hào) 爆破信號(hào)為此次某煤礦防越界開采監(jiān)測的重點(diǎn)波形,當(dāng)爆破發(fā)生與本礦區(qū)范圍內(nèi),而本礦區(qū)又未進(jìn)行爆破作業(yè),應(yīng)當(dāng)注意是否存在爆破盜采的可能。此次某煤礦監(jiān)測到的爆破信號(hào)能量較高,波形較長,頻率較低,然后通過軟件進(jìn)行三維定位、處理,可查看爆破位置判斷是否存在盜采。

5.3 微震活動(dòng)性分析 微震活動(dòng)性是指微震事件在時(shí)間-空間上的變化規(guī)律,在一定程度上反映了越界開采活動(dòng)的規(guī)律。通過對(duì)微震事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,可以找出某煤礦越界開采活動(dòng)的規(guī)律。

圖5 -11監(jiān)測區(qū)域事件定位俯視圖(一)

圖5 -11監(jiān)測區(qū)域事件定位俯視圖(二)

圖5 -12 監(jiān)測區(qū)域事件定位北視圖

5.3.1 越界開采活動(dòng)規(guī)律研究 為查明某煤礦越界開采活動(dòng)規(guī)律,對(duì)2020年5月23日～2020年6月10日期間微震監(jiān)測系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)分別按天以及按小時(shí)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1、按天統(tǒng)計(jì)研究越界開采活動(dòng)規(guī)律

以系統(tǒng)正常運(yùn)行期間1天時(shí)間為步長,統(tǒng)計(jì)每天累積事件數(shù)與累積能量變化,監(jiān)測期間現(xiàn)場生產(chǎn)活動(dòng)一直在持續(xù)發(fā)生。

2、按小時(shí)統(tǒng)計(jì)研究越界開采活動(dòng)規(guī)律

通過統(tǒng)計(jì)一段時(shí)間內(nèi)以小時(shí)為單位的微震事件頻次與能量的分布特征,可有效掌握礦山監(jiān)測區(qū)域內(nèi)一天中越界開采活動(dòng)活躍時(shí)間段及越界開采規(guī)律。防越界開采微震監(jiān)測期間,每日的00:00～07:00是采礦活動(dòng)最頻繁的時(shí)期。

5.3.2 越界開采活動(dòng)范圍分析(1)通過監(jiān)測區(qū)域內(nèi)事件空間展布結(jié)果,監(jiān)測區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)大量的生產(chǎn)活動(dòng)信號(hào)以及煤巖體微破裂信號(hào),且信號(hào)主要分布在隆博煤業(yè)礦區(qū)內(nèi)。(2)隆博礦區(qū)內(nèi)的生產(chǎn)活動(dòng)信號(hào)及誘發(fā)產(chǎn)生的微破裂信號(hào)大量聚集在礦區(qū)邊界,有往西發(fā)展的趨勢(shì),且部分監(jiān)測到的事件已出現(xiàn)在某煤礦礦區(qū)東邊區(qū)域。(3)隆博礦區(qū)內(nèi)的生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)礦區(qū)邊界西邊的某煤礦影響范圍距離其邊界約有100 m。

6 結(jié)論

(1)本次某煤礦地表微震監(jiān)測系統(tǒng)能夠有效監(jiān)測區(qū)域東邊的煤礦生產(chǎn)活動(dòng)信號(hào)及誘發(fā)產(chǎn)生的煤巖體微破裂信號(hào)。

(2)2020年5月23日～2020年6月10日期間微震監(jiān)測系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)表征監(jiān)測期間現(xiàn)場生產(chǎn)活動(dòng)一直在持續(xù)發(fā)生

(3)根據(jù)事件定位結(jié)果,目前開采區(qū)域已經(jīng)影響邊界100 m 范圍,應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測及管理。