微震监测结果在矿图上的定位合成及应用-矿业114网 
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微震监测结果在矿图上的定位合成及应用
2011-08-01
基于微地震监测工程,研究了将监测结果在矿图上合成的方法,并以监测实例为基础,介 绍了微地震定位结果在矿图上的合成和应用方法,做出了微地震事件在工作面推进方向上的投 影和在沿倾向、走向剖面上的投影图. 在此基础上,研究了采场覆岩空间结构、断层活化、超前支 承压力分布规律、工作面导水裂隙带发育高度与微地震事件分布的关系. 结果表明:合成图简洁 直观地展示了监测结果,可以在采矿工程中广泛应用.
第 24 卷 第 2 期 采 矿 与 安 全 工 程 学 报 Journal of Mining & Safety Engineering Vol. 24 J une 2007 No. 2   2 007 年 06 月 文 章 编 号 :167323363 (2007) 0220165204 微 震 监 测 结 果 在 矿 图 上 的 定 位 合 成 及 应 用 李 全 晓 , 姜 福 兴 , 王 存 文 , 叶 根 喜 ( 北 京 科 技 大 学 土 木 与 环 境 工 程 学 院 , 北 京 100083) 摘 要 : 基 于 微 地 震 监 测 工 程 ,研 究 了 将 监 测 结 果 在 矿 图 上 合 成 的 方 法 ,并 以 监 测 实 例 为 基 础 ,介 绍 了 微 地 震 定 位 结 果 在 矿 图 上 的 合 成 和 应 用 方 法 ,做 出 了 微 地 震 事 件 在 工 作 面 推 进 方 向 上 的 投 影 和 在 沿 倾 向 、走 向 剖 面 上 的 投 影 图 . 在 此 基 础 上 ,研 究 了 采 场 覆 岩 空 间 结 构 、断 层 活 化 、超 前 支 承 压 力 分 布 规 律 、工 作 面 导 水 裂 隙 带 发 育 高 度 与 微 地 震 事 件 分 布 的 关 系 . 结 果 表 明 :合 成 图 简 洁 直 观 地 展 示 了 监 测 结 果 ,可 以 在 采 矿 工 程 中 广 泛 应 用 . 关 键 词 : 采 矿 CAD ; 微 地 震 监 测 ; 岩 体 破 裂 ; 定 位 中 图 分 类 号 : TD 323 文 献 标 识 码 : A Location Synthesis of Micro2Seismic Monitoring Results on Mining Maps and Its Application L I Quan2xiao , J IAN G Fu2xing , WAN G Cun2wen , YE Gen2xi ( Civil & Environment Engineering School , University of Science and Technology Beijing , Beijing 100083 , China) Abstract : Based on the micro2seismic monitoring results and in order to present the dynamical process of strata fracturing , the method of synthesizing the micro2seismic monitoring results into mining maps is researched and its application introduced. The projection maps of micro2 seismic events along the directions of working face , strike and dip were obtained. On the basis of this , the relationship of the micro2seismic events with the spatial structure of overlying stra2 ta , the fault activation , the front abutment pressure , and the height of water flowing fractured zone was also probed. The results indicate that the synthesized map can visually and clearly show the micro2seismic monitoring results. Therefore , it can be widely applied in coal mining. Key words : mining CAD ; micro2seismic monitoring ; rock masses fracturing ; locating   我 国 矿 业 在 国 民 经 济 发 展 中 占 有 重 要 地 位 . 目 能 量 和 时 间 ,从 而 进 行 岩 层 运 动 规 律 的 监 测 和 预 报 . 这 种 技 术 是 在 近 年 来 计 算 机 和 数 据 采 集 技 术 快 速 发 展 的 基 础 上 产 生 的 ,它 为 研 究 覆 岩 空 间 破 裂 形 态 和 采 动 应 力 场 分 布 提 供 了 新 的 手 段 . 美 国 、南 非 、 波 兰 、澳 大 利 亚 等 国 家 ,已 经 在 不 少 矿 获 得 成 功 应 用 . 国 内 目 前 已 经 用 于 研 究 采 场 覆 岩 空 间 破 裂 与 采 前 国 内 大 多 数 老 矿 开 始 面 临 开 采 深 度 大 、灾 害 事 故 增 多 等 一 系 列 问 题 . 若 这 些 问 题 得 不 到 很 好 的 解 决 ,矿 业 的 安 全 生 产 将 受 到 极 大 的 威 胁 . 目 前 ,我 国 [ 1 ] 通 用 的 岩 层 破 裂 监 测 方 法 是 钻 探 法 ,在 预 测 岩 层 2] ,这 些 方 法 不 仅 工 程 [ 运 动 方 面 采 用 动 态 仪 监 测 法 [ 3 ] 量 大 ,而 且 在 时 间 和 空 间 上 有 较 大 的 局 限 性 . 微 地 震 监 测 近 年 来 在 采 矿 安 全 领 域 的 研 究 十 分 活 跃 . 通 过 在 采 动 区 的 顶 板 和 底 板 内 布 置 多 组 检 波 器 ,实 时 采 集 微 震 数 据 ,然 后 确 定 破 裂 发 生 位 置 、 动 应 力 场 的 关 系 [ 、冲 击 地 压 、导 水 裂 隙 带 的 高 [5 ] 4] 度 、油 井 压 裂 裂 缝 转 向 过 程 等 等 . 然 而 ,微 震 监 测 的 数 据 量 大 ,微 震 事 件 分 布 广 , 难 以 直 观 地 被 采 矿 工 程 师 理 解 和 有 效 应 用 . 因 此 , 收 稿 日 期 : 2006210230 基 金 项 目 : 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 (40674017) 作 者 简 介 : 李 全 晓 (19822) ,男 ,山 东 省 莱 西 市 人 ,硕 士 研 究 生 ,从 事 矿 山 压 力 与 岩 层 控 制 方 面 的 研 究 . E2mail : quanxiao01 @163. com Tel : 13810931799 1 66 采 矿 与 安 全 工 程 学 报 第 24 卷 如 何 将 微 震 事 件 有 效 地 在 采 掘 工 程 平 面 图 和 剖 面 图 合 成 ,是 采 矿 工 程 师 急 需 解 决 的 问 题 ,即 如 何 把 地 球 物 理 的 监 测 结 果 ,转 化 成 采 矿 工 程 师 能 够 读 懂 和 应 用 的 成 果 ,从 而 为 进 一 步 分 析 岩 层 运 动 和 矿 山 压 力 灾 害 提 供 有 效 的 监 测 资 料 ,这 是 本 文 研 究 的 重 点 内 容 . 某 一 时 间 段 内 的 微 地 震 事 件 在 平 面 图 上 投 影 . 其 中 :圆 点 表 示 微 地 震 事 件 ,箭 头 所 指 方 向 为 工 作 面 推 进 方 向 ,如 图 1 所 示 . 1 1 微 震 监 测 定 位 结 果 在 矿 图 上 的 合 成 方 案 . 1 微 震 定 位 结 果 的 数 据 形 式 微 地 震 监 测 的 数 据 形 式 有 多 种 ,研 究 采 用 3 种 数 据 :原 始 数 据 、波 形 数 据 和 定 位 数 据 . 原 始 数 据 是 二 进 制 的 机 器 数 ,不 能 直 接 使 用 ,要 先 用 相 应 的 解 释 程 序 进 行 解 释 ,然 后 得 到 时 间 序 列 的 无 量 纲 波 形 曲 线 ,即 波 形 数 据 . 数 据 经 过 去 噪 过 滤 ,应 用 定 位 软 图 1 微 地 震 事 件 平 面 投 影 示 意 图 Fig. 1 Plane projection drawing of micro2seismic monitoring results [ 6 ] 件 得 到 定 位 数 据 . 微 地 震 事 件 是 由 岩 层 的 一 个 区 域 破 裂 引 起 的 ,绘 图 时 将 其 简 化 为 一 个 破 裂 点 ,根 据 点 的 三 维 坐 标 ,将 其 绘 制 在 采 矿 图 上 . 另 外 ,定 位 还 得 到 事 件 发 生 的 时 间 和 能 量 ,可 据 此 设 置 不 同 样 式 的 点 来 区 分 . 标 准 的 定 位 结 果 保 存 格 式 用 Excel 表 格 保 存 、用 数 据 库 来 管 理 . 1. 3. 2 固 定 工 作 面 位 置 投 影 为 揭 示 超 前 支 承 压 力 的 分 布 规 律 ,做 出 微 地 震 事 件 与 固 定 工 作 面 相 对 位 置 图 . 这 就 要 先 根 据 每 日 煤 壁 的 位 置 ,以 及 微 地 震 事 件 相 对 煤 壁 的 距 离 ,将 微 地 震 事 件 坐 标 进 行 换 算 ,然 后 在 平 面 图 上 投 影 . 根 据 微 地 震 事 件 在 工 作 面 前 方 的 密 集 分 布 区 域 ,可 以 确 定 超 前 支 承 压 力 的 影 响 范 围 . 目 前 国 内 煤 矿 主 要 生 产 管 理 科 室 绘 制 的 大 量 工 程 图 ,如 矿 井 开 拓 平 、剖 面 图 ,采 区 布 置 平 、剖 面 图 ,采 掘 工 程 平 、剖 面 图 等 等 ,多 采 用 采 矿 CAD 1. 3. 3沿 倾 向 、走 向 剖 面 投 影 [ 7 ] . 若 能 将 微 地 震 定 位 数 据 直 接 投 影 到 煤 矿 生 产 部 为 研 究 随 工 作 面 推 进 顶 底 板 破 裂 及 破 裂 发 展 的 全 过 程 ,以 及 导 水 裂 隙 带 产 生 、发 展 过 程 ,揭 示 岩 体 破 裂 在 空 间 上 的 分 布 规 律 ,做 出 微 地 震 事 件 沿 煤 层 倾 向 分 布 剖 面 图 . 在 平 面 图 上 ,沿 走 向 按 一 定 宽 度 截 取 一 个 个 条 带 ,每 一 个 条 带 做 出 一 个 沿 倾 向 的 微 地 震 事 件 分 布 剖 面 图 . 这 样 ,就 可 以 通 过 观 察 微 震 事 件 发 生 位 置 的 变 化 来 推 断 岩 层 的 破 裂 过 程 和 破 裂 程 度 . 如 图 2 所 示 . 门 绘 制 的 这 些 采 矿 CAD 工 程 图 上 ,也 就 得 到 需 要 的 结 果 . 1 . 2 合 成 方 法 与 步 骤 在 采 矿 CAD 中 ,根 据 大 地 坐 标 绘 制 巷 道 、煤 层 等 等 ,每 一 区 域 内 的 坐 标 都 可 以 精 确 地 标 出 . 微 地 震 事 件 用 三 维 坐 标 来 表 示 ,两 者 可 以 对 应 . 因 此 , 考 虑 通 过 矿 图 上 点 的 坐 标 和 微 地 震 事 件 的 坐 标 之 间 一 一 对 应 来 实 现 两 者 的 合 成 . AutoCAD 的 体 系 结 构 是 开 放 的 ,在 Window 系 统 下 ,可 以 将 剪 切 板 的 数 据 黏 贴 到 命 令 行 ,这 样 就 可 以 节 省 点 坐 标 的 手 工 输 入 工 作 量 . 但 首 先 要 将 定 位 数 据 转 化 为 系 统 可 以 识 别 的 格 式 . 然 后 打 开 或 根 据 已 有 的 数 据 资 料 绘 制 相 关 的 采 矿 CAD 图 . 如 果 矿 图 包 含 图 层 比 较 多 ,可 关 掉 其 中 的 部 分 图 层 ,使 微 地 震 事 件 表 达 更 清 晰 . 按 某 一 固 定 时 间 (例 如 1 d) 绘 制 ,每 一 天 做 成 一 张 幻 灯 片 . 放 映 幻 灯 片 ,就 实 现 了 动 态 演 示 . 1 1 . 3 微 震 事 件 在 采 矿 CAD 图 上 的 合 成 . 3. 1 平 面 投 影 图 2 微 地 震 事 件 沿 煤 层 倾 向 投 影 示 意 图 Fig. 2 Micro2seismic monitoring results along incline projection drawing 为 研 究 采 煤 过 程 中 的 岩 层 三 维 空 间 岩 体 的 破   为 揭 示 不 同 条 带 应 力 场 的 变 化 及 其 特 点 ,做 出 裂 结 构 与 应 力 场 状 况 、不 同 岩 体 空 间 破 裂 结 构 的 平 微 地 震 事 件 的 分 区 域 走 向 剖 面 图 . 由 此 可 直 观 地 观 面 特 征 、卸 载 区 域 、高 应 力 区 域 等 等 一 系 列 问 题 ,将   第 2 期 李 全 晓 等 : 微 震 监 测 结 果 在 矿 图 上 的 定 位 合 成 及 应 用 167 察 到 岩 层 沿 走 向 的 破 裂 分 布 . 系 含 水 层 导 通 ,对 煤 矿 安 全 开 采 形 成 威 胁 . 试 验 在 一 个 月 的 时 间 内 ,共 监 测 到 93 组 有 效 的 震 源 . 2. 1 微 地 震 事 件 平 面 投 影 1 . 3. 4 进 行 微 地 震 事 件 异 常 区 域 的 局 部 投 影 在 平 面 投 影 图 上 ,可 能 会 发 现 部 分 区 域 微 地 震 事 件 分 布 异 常 . 这 时 ,就 考 虑 做 出 局 部 投 影 图 ,然 后 对 照 相 关 的 地 质 和 开 采 资 料 ,查 明 原 因 ,并 做 出 解 释 . 如 针 对 图 1 中 微 地 震 事 件 比 较 密 集 的 区 域 ,做 出 图 3 ,图 3 中 是 一 个 断 层 活 化 区 域 的 微 地 震 监 测 结 果 . 图 中 显 示 了 断 层 两 侧 岩 体 活 化 过 程 中 的 微 地 震 分 布 情 况 . 该 工 作 面 一 边 是 实 体 煤 、另 一 边 是 采 空 区 ,为 建 立 此 情 况 下 的 覆 岩 空 间 结 构 模 型 ,将 微 地 震 事 件 定 位 结 果 投 影 到 采 矿 平 面 图 上 ,做 出 微 地 震 事 件 位 置 平 面 投 影 分 布 图 如 图 4 所 示 . 图 4 微 地 震 事 件 平 面 投 影 示 意 图 Fig. 4 Projection drawing of micro2seismic monitoring results 图 3 微 地 震 揭 示 断 层 活 化 示 意 图 Fig. 3 Fault activation projection drawing of micro2seismic monitoring results   上 上 图 4 中 ,3 105 工 作 面 已 经 开 采 完 毕 ;3 109 2 岩 层 破 裂 微 地 震 事 件 定 位 结 果 合 成 图 的 应 用 工 作 面 还 未 开 采 ;箭 头 所 指 为 监 测 时 间 内 工 作 面 推 进 方 向 . 由 图 4 可 以 看 出 :微 地 震 事 件 主 要 集 中 在 工 作 面 之 内 ,并 且 大 多 数 靠 近 采 空 区 一 侧 . 这 一 结   将 微 地 震 事 件 在 采 矿 CAD 图 上 投 影 后 ,根 据 [ 8 ] 果 与 上 覆 岩 层 “ S”型 空 间 结 构 的 理 论 模 型 相 一 微 地 震 事 件 的 分 布 规 律 ,可 以 摸 清 不 同 地 质 条 件 和 生 产 技 术 条 件 下 采 矿 活 动 对 周 围 岩 层 的 影 响 . 如 揭 示 支 承 压 力 的 显 现 规 律 、顶 板 和 底 板 动 态 、断 层 的 早 期 活 化 、透 水 灾 害 的 发 生 等 等 . 鲁 西 矿 井 下 微 地 震 监 测 工 程 ,就 是 为 了 验 证 从 理 论 上 确 定 的 煤 层 顶 板 空 间 断 裂 结 构 形 态 ,并 对 可 能 发 生 的 灾 害 进 行 监 致 ,因 为 采 空 区 一 侧 岩 层 下 落 幅 度 较 大 ,破 裂 程 度 严 重 ,微 地 震 事 件 自 然 偏 多 . 另 外 ,采 空 区 内 有 少 量 事 件 ,说 明 覆 岩 存 在 后 续 运 动 ;而 实 体 煤 一 侧 没 有 事 件 ,岩 层 处 于 稳 定 状 态 . 2 . 2 微 地 震 事 件 剖 面 投 影 为 分 析 煤 层 顶 板 破 裂 带 最 大 高 度 和 煤 层 顶 板 上 控 . 监 测 区 域 选 择 在 鲁 西 煤 矿 3 107 工 作 面 . 该 工 冒 落 高 度 以 及 可 能 的 煤 层 顶 板 导 水 破 裂 带 高 度 ,分 别 做 出 微 地 震 事 件 位 置 沿 煤 层 倾 向 方 向 、走 向 方 向 的 剖 面 投 影 图 . 如 图 5 所 示 . 作 面 及 相 邻 工 作 面 存 在 的 主 要 开 采 问 题 是 煤 层 埋 藏 较 浅 ,上 距 第 四 系 含 水 层 较 近 ,煤 层 上 覆 岩 层 的 冒 落 带 和 裂 隙 带 如 果 发 育 高 度 过 大 ,有 可 能 将 第 四 图 5 微 地 震 事 件 投 影 示 意 图 Fig. 5 Micro2seismic monitoring results 1 68 采 矿 与 安 全 工 程 学 报 第 24 卷   由 图 5 中 可 明 显 地 看 出 岩 层 破 裂 具 有 以 下 特 J IAN G Fu2xing , XUN L , YAN G Shu2hua. Study on microseismic monitoring for spatial structure of over2 lying strata and mining pressure field in longwall face 点 : 1 ) 大 部 分 微 震 事 件 分 布 在 顶 板 中 ,且 波 及 范 [ J ]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering , 003 ,25 (1) :23225 围 最 大 . 50 m 以 上 仍 有 少 量 微 震 事 件 分 布 ;在 底 板 中 的 分 布 要 少 的 多 ,大 都 在 底 板 20 m 范 围 内 . 2 [ 4 ] 姜 福 兴 ,杨 淑 华 ,XUN L. 微 地 震 监 测 揭 示 的 采 场 围 岩 空 间 破 裂 形 态 [J ]. 煤 炭 学 报 ,2003 ,28 (4) : 3572 2 ) 煤 层 顶 板 张 性 断 裂 和 剪 切 断 裂 ,导 致 了 煤 层 顶 板 冒 落 带 、裂 隙 带 的 形 成 . 由 图 可 以 看 出 ,冒 落 带 处 在 顶 板 上 方 ,厚 度 十 至 几 十 米 ;裂 隙 带 处 在 冒 落 带 上 方 . 3 60. J IAN G Fu2xing , YAN G Shu2hua , XUN L. Spatial fracturing progresses of surrounding rock masses in longwall face monitored by microseismic monitoring techniques[J ]. Journal of China Coal Society , 2003 , 3 结 论 2 8 (4) :3572360. 1 ) 合 成 图 简 洁 直 观 地 展 示 了 监 测 结 果 ,为 采 矿 工 程 师 应 用 地 球 物 理 的 结 果 提 供 了 有 效 的 手 段 . ) 通 过 微 震 事 件 定 位 结 果 在 矿 图 上 合 成 的 研 [ 5 ] 刘 继 民 ,刘 建 中 ,刘 志 鹏 ,等 . 用 微 地 震 法 监 测 压 裂 裂 缝 转 向 过 程 [J ]. 石 油 勘 探 与 开 发 ,2005 ,32 (2) :752 2 7 7. 究 ,为 微 震 监 测 工 程 监 测 结 果 的 分 析 和 应 用 提 供 了 很 大 的 方 便 ,揭 示 了 岩 层 三 维 空 间 岩 体 的 破 裂 与 应 力 场 状 况 、断 层 活 化 情 况 、冲 击 地 压 的 前 兆 信 息 及 其 规 律 等 等 . L IU Ji2min , L IU Jian2zhong , L IU Zhi2peng. Micro2 seismic monitoring on direction change of Hydro2frac2 tured cracks[J ]. Petroleum Exploration and Develop2 ment , 2005 ,32 (2) :75277. 3 ) 本 研 究 成 果 可 以 为 确 定 矿 体 开 采 后 顶 板 的 [6 ] 李 会 义 ,姜 福 兴 ,杨 淑 华 . 基 于 Matlab 的 岩 层 微 地 震 破 裂 定 位 求 解 及 其 应 用 [J ]. 煤 炭 学 报 ,2006 ,31 (2) : 冒 落 高 度 、导 水 裂 隙 带 高 度 和 冲 击 地 压 预 测 等 提 供 1 542158. 基 础 . L I Hui2yi , J IAN G Fu2xing , YAN G Shu2hua. Re2 search and application of microseismic monitoring lo2 cation of strata fracturing based on matlab[J ]. Jour2 nal of China Coal Society , 2006 ,31 (2) :1542158. 4 ) 开 发 的 软 件 应 用 表 明 ,本 文 介 绍 的 方 法 可 以 在 采 矿 工 程 中 广 泛 应 用 . 参 考 文 献 : [ [ 7 ] 徐 永 圻 . 采 矿 学 [ M ]. 徐 州 :中 国 矿 业 大 学 出 版 社 , [ [ [ 1 ] 孙 振 鹏 . 钻 孔 双 端 封 堵 测 漏 装 置 : 中 国 , 90225165 P]. 1992205216. 2 003 :4122416. [ 8 ] 姜 福 兴 . 采 场 覆 岩 空 间 结 构 观 点 及 其 应 用 研 究 [J ]. 采 矿 与 安 全 工 程 学 报 ,2006 ,23 (1) :30233. 2 ] 宋 振 骐 . 实 用 矿 山 压 力 控 制 [ M ]. 徐 州 :中 国 矿 业 大 学 出 版 社 ,1988 :2202252. J IAN G Fu2xing. Viewpoint of spatial structures of o2 verlying strata and its application in coal mine [J ]. Journal of Mining & Safety Engineering , 2006 , 23 3 ] 姜 福 兴 ,XUN L , 杨 淑 华 . 采 场 覆 岩 空 间 破 裂 与 采 动 应 力 场 的 微 震 探 测 研 究 [J ]. 岩 土 工 程 学 报 ,2003 ,25 ( 1) :23225. ( 1) :30233.
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