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微震监测技术在矿井岩层破裂监测中的应用
2011-08-01
介绍了澳大利亚联邦科学工业研究院勘探采矿局(CSIRO) 开发的用于岩层破裂监测的微震监测系统,为能将之应用于中国 深井灾害的监测,提出了对软硬件改造和开发井下智能化、自动化和可视化微震监测系统的初步方案,这一系统的开发应用对改变 我国煤矿安全状况有重要意义。
    第 24 卷 第 2 期 2002 年 3 月 Vol. 24 No. 2 Mar. , 2002 岩 土 工 程 学 报 Chinese Journal of Geotechnical Engineering 微 震 监 测 技 术 在 矿 井 岩 层 破 裂 监 测 中 的 应 用 Application of microseismic monitoring technology of strata fracturing in underground coal mine 1 2 姜 福 兴 ,XUN Luo 1. 山 东 科 技 大 学 资 源 与 环 境 工 程 学 院 ,山 东 泰 安 271019 ;2. 澳 大 利 亚 联 邦 科 学 工 业 研 究 院 勘 探 采 矿 局 ) ( 摘 要 :介 绍 了 澳 大 利 亚 联 邦 科 学 工 业 研 究 院 勘 探 采 矿 局 (CSIRO) 开 发 的 用 于 岩 层 破 裂 监 测 的 微 震 监 测 系 统 ,为 能 将 之 应 用 于 中 国 深 井 灾 害 的 监 测 ,提 出 了 对 软 硬 件 改 造 和 开 发 井 下 智 能 化 、自 动 化 和 可 视 化 微 震 监 测 系 统 的 初 步 方 案 ,这 一 系 统 的 开 发 应 用 对 改 变 我 国 煤 矿 安 全 状 况 有 重 要 意 义 。 关 键 词 :煤 矿 ;长 壁 工 作 面 ;微 地 震 ;岩 层 破 裂 ;监 测 中 图 分 类 号 :TD 326 文 献 标 识 码 :A 文 章 编 号 :1000 - 4548(2002) 02 - 0147 - 03 作 者 简 介 :姜 福 兴 (1962 - ) ,男 ,江 苏 武 进 人 ,博 士 ,博 士 生 导 师 ,现 任 山 东 科 技 大 学 资 源 与 环 境 工 程 学 院 院 长 ,主 要 从 事 矿 山 压 力 和 岩 层 控 制 的 科 研 和 教 学 工 作 。 1 2 J IANG Fu2xing ,XUN Luo ( 1. College of Resources and Environmental Engineering ,Shandong University of Science & Technology ,Tai’an 271019 ,China ;2. Exploration and Mining , CSIRO , Australia) Abstract :This paper introduces the microseismic technology which has been used to monitor strata fracturing in coal mine. This monitoring system was developed by the Exploration and Mining division of CSIRO of Australia. This paper presents some of the monitored results got from Austra2 lian coal mines. These results show that microseismic monitoring technology can be used in Chinese coal mines for monitoring and forecasting mine disaster induced by strata movement. In this paper , the authors point out that data processing and analyzing methods must be combined with mining engineering theories to predict disaster , and represent the developing plan of auto2microseismic monitoring system in future. The plan is very important for improving the safety situation of Chinese coal mines. Key words :coal mine ;longwall face ;microseismic ;strata fracture ;monitoring 微 震 监 测 只 能 在 井 下 进 行 ,因 此 ,在 中 国 应 用 该 技 术 从 Ξ 仪 器 到 软 件 都 需 要 改 进 。 1 前 言 岩 层 破 裂 后 造 成 的 顶 板 垮 落 、矿 井 突 水 、煤 与 瓦 斯 2 利 用 微 震 监 测 岩 层 破 裂 原 理 简 介 岩 石 在 应 力 作 用 下 发 生 破 坏 ,并 产 生 微 震 和 声 波 。 突 出 和 冲 击 地 压 等 矿 井 重 大 灾 害 的 监 测 预 报 至 今 没 有 得 到 有 效 解 决 。 近 年 来 ,这 些 重 大 事 故 频 繁 发 生 ,严 重 危 害 了 矿 工 的 生 命 ,损 害 了 我 国 煤 炭 工 业 的 形 象 。 有 些 矿 井 虽 然 控 制 住 了 这 些 灾 害 ,但 都 是 以 大 量 防 范 性 工 程 投 入 为 代 价 换 来 的 。 目 前 ,我 国 通 用 的 岩 层 破 裂 通 过 在 采 动 区 内 布 置 多 组 检 波 器 并 实 时 采 集 微 震 数 据 ,经 过 数 据 处 理 后 ,可 确 定 破 裂 发 生 的 位 置 ,并 在 三 维 空 间 上 显 示 出 来 。 与 传 统 技 术 相 比 ,微 震 定 位 监 测 具 有 远 距 离 、动 态 、三 维 、实 时 监 测 的 特 点 ,还 可 以 根 据 震 源 情 况 确 定 破 裂 尺 度 和 性 质 。 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 。 [ 1] 监 测 方 法 是 钻 探 法 ,在 预 测 岩 层 运 动 方 面 采 用 动 态 2] ,这 些 方 法 不 仅 工 程 量 大 ,而 且 在 时 间 和 空 [ 仪 监 测 法 间 上 有 较 大 的 局 限 性 ,难 以 达 到 大 规 模 生 产 的 需 要 。 因 此 ,寻 求 科 学 的 岩 层 监 测 方 法 ,在 此 基 础 上 预 测 可 能 发 生 的 灾 害 ,提 出 针 对 性 的 防 范 措 施 ,是 我 国 煤 炭 工 业 急 需 解 决 的 课 题 。 本 文 旨 在 介 绍 澳 大 利 亚 CSIRO 研 制 的 微 震 监 测 技 术 及 其 在 澳 大 利 亚 的 应 用 情 况 ,并 就 该 技 术 如 何 在 中 国 深 井 应 用 展 开 讨 论 ,希 望 能 引 起 中 国 采 矿 科 学 界 和 工 程 界 的 注 意 ,通 过 引 进 、合 作 、改 造 和 创 新 ,为 解 决 中 国 煤 矿 安 全 生 产 问 题 提 供 新 的 手 段 。 澳 大 利 亚 煤 矿 开 采 深 度 平 均 小 于 300 m ,微 震 监 测 在 地 面 进 行 ,但 中 国 煤 矿 开 采 深 度 平 均 大 于 400 m , 3 微 震 监 测 技 术 在 澳 大 利 亚 的 应 用 微 震 监 测 技 术 在 澳 大 利 亚 的 应 用 始 于 1994 年 ,到 2000 年 , 已 有 13 个 矿 采 用 , 取 得 了 令 人 满 意 的 成 [3 ,4] 果 。 Ξ 基 金 项 目 :国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 (50074021) ;中 国 — 澳 大 利 亚 政 府 间 科 技 合 作 特 别 资 金 资 助 (20000276) 和 教 育 部 骨 干 教 师 基 金 资 助 收 稿 日 期 :2001 - 07 - 22 1 48 岩 土 工 程 学 报 2002 年 ( a)   Gordonstone 矿 (b) Appin 矿 图 1 Gordonstone 矿 和 Appin 矿 微 震 监 测 结 果 Fig. 1 Monitored results of Gordonstone Coal Mine and Appin Coal Mine 图 2厚 层 砂 岩 位 置 与 微 震 事 件 数 及 工 作 面 内 顶 板 结 构 之 间 的 关 系 Fig. 2 Relationship between massive sandstone movement and microseismic activities 3 . 5 揭 示 隐 伏 断 层 的 活 化 过 程 South Blackwater 矿 LW3A 工 作 面 煤 壁 前 方 00 m处 ,测 到 了 断 层 活 化 产 生 的 微 震 事 件 。 在 煤 矿 生 3 . 1 在 三 维 空 间 上 揭 示 了 覆 岩 破 坏 的 高 度 和 范 围 图 1(a) 示 出 了 澳 大 利 亚 Gordonstone 矿 一 工 作 面 在 5 的 监 测 结 果 。 图 中 ,微 震 事 件 在 覆 岩 中 的 分 布 图 清 楚 地 示 出 了 岩 层 破 裂 的 高 度 和 在 侧 向 的 分 布 范 围 ,监 测 结 果 对 设 计 防 水 煤 柱 及 提 高 开 采 上 限 有 直 接 指 导 意 义 。 产 过 程 中 ,如 果 存 在 未 知 断 层 ,则 通 过 监 测 ,可 以 及 早 发 现 并 采 取 措 施 ,防 止 其 活 化 造 成 灾 害 。 综 上 所 述 ,CSIRO 的 研 究 人 员 在 地 面 监 测 岩 层 破 裂 取 得 了 很 好 的 成 果 ,然 而 ,煤 矿 的 灾 害 大 都 随 深 度 的 增 加 而 增 加 ,并 且 微 震 监 测 技 术 在 煤 矿 的 应 用 远 不 止 这 几 个 方 面 。 因 此 ,深 入 研 究 微 震 监 测 技 术 在 井 下 的 应 用 是 采 矿 安 全 领 域 很 有 前 景 的 课 题 。 3 . 2 揭 示 底 板 破 裂 的 深 度 和 范 围 图 1(a) 也 示 出 了 Gordonstone 矿 底 板 的 破 坏 情 况 , 这 对 承 压 水 上 开 采 设 计 和 监 测 底 板 突 水 有 重 要 应 用 价 值 ,同 时 也 为 处 理 底 板 提 供 了 位 置 及 范 围 。 3 . 3 近 距 离 煤 层 瓦 斯 可 抽 放 性 预 测 图 1(b) 示 出 了 Appin 矿 利 用 微 震 监 测 结 果 确 定 下 4 深 井 应 用 微 震 监 测 技 术 可 望 监 测 和 层 煤 瓦 斯 可 抽 放 性 的 实 测 图 。 预 报 矿 井 灾 害 微 震 监 测 技 术 应 用 于 煤 矿 灾 害 监 测 的 最 终 目 标 , 3 . 4 揭 示 了 岩 层 组 成 和 顶 板 结 构 的 关 系 图 2 是 澳 大 利 亚 煤 矿 监 测 到 的 厚 层 砂 岩 位 置 与 微 是 从 数 据 采 集 到 监 测 预 报 实 现 自 动 化 ,这 还 需 进 一 步 研 究 ,特 别 是 与 工 程 理 论 相 结 合 的 研 究 。 目 前 ,数 据 处 震 事 件 数 及 工 作 面 内 顶 板 结 构 之 间 的 关 系 。   第 2 期 姜 福 兴 ,等 1 微 震 监 测 技 术 在 矿 井 岩 层 破 裂 监 测 中 的 应 用 149 图 3计 划 中 的 井 下 微 震 监 测 系 统 示 意 图 Fig. 3 Plan view of MS system used in underground construction 理 主 要 依 靠 专 家 完 成 。 动 化 软 件 正 在 研 制 中 (CSIRO2000 年 项 目 中 初 步 采 用 了 数 据 处 理 自 动 化 软 件 ) ,目 前 ,大 部 分 数 据 详 细 处 理 仍 靠 人 工 干 预 完 成 。 以 微 震 监 测 技 术 为 核 心 ,配 以 矿 山 压 力 、地 质 力 学 、水 文 地 质 、瓦 斯 地 质 等 工 程 理 论 ,可 进 行 矿 井 突 水 、 瓦 斯 突 出 、岩 层 垮 落 等 灾 害 的 监 测 预 报 。 从 微 震 监 测 技 术 和 各 工 程 理 论 本 身 来 看 ,都 是 比 较 成 熟 的 ,但 在 两 者 的 结 合 点 上 的“ 桥 梁 ”性 知 识 (如 微 震 分 布 的 密 度 和 强 度 与 突 水 的 关 系 、与 顶 板 垮 落 的 关 系 等 ) ,还 缺 乏 系 统 的 研 究 ,这 是 今 后 研 究 工 作 的 重 点 。 6 结 语 ( 1) 微 震 监 测 是 一 项 很 有 发 展 前 景 的 新 技 术 ,从 它 的 原 理 和 取 得 的 成 果 来 看 ,用 于 井 下 监 测 是 完 全 可 行 的 (以 前 澳 大 利 亚 只 用 于 地 面 ) 。 ( 2) 在 井 下 实 施 这 一 技 术 还 需 在 设 备 和 软 件 上 适 当 加 以 改 造 。 (3) 微 震 监 测 技 术 与 工 程 理 论 的 结 合 ,是 推 进 该 技 5 井 下 微 震 监 测 系 统 的 构 建 微 震 监 测 系 统 的 硬 件 由 检 波 器 、数 据 传 输 电 缆 和 主 机 三 个 部 分 组 成 ,并 装 有 一 套 数 据 处 理 软 件 ,如 图 3 术 工 业 化 的 必 由 之 路 。 所 示 。 (4) 在 灾 害 单 一 的 矿 井 ,可 采 取 短 期 监 测 的 方 案 ; 在 灾 害 严 重 的 矿 井 ,可 采 取 长 期 监 测 的 方 案 并 将 之 并 入 矿 井 生 产 安 全 监 测 系 统 。 装 备 如 图 3 所 示 的 系 统 ,需 要 解 决 的 问 题 及 方 案 如 下 。 ( 1) 主 机 防 爆 、防 潮 可 将 主 机 放 在 进 风 口 ,国 外 有 应 用 的 例 子 。 2) 钻 孔 布 置 与 检 波 器 安 装 参 考 文 献 : [ [ [ 1] 钻 孔 双 端 封 堵 测 漏 装 置 [ P]. 中 国 专 利 90225165 ,1992 - 05 ( - 16. 钻 孔 的 数 量 和 深 度 由 需 监 测 的 岩 层 范 围 和 精 度 决 定 ,检 波 器 安 装 的 最 大 深 度 和 质 量 由 专 用 工 具 和 材 料 性 能 决 定 。 2] 宋 振 骐 ,等 ,实 用 矿 山 压 力 控 制 [M ]. 徐 州 :中 国 矿 业 大 学 出 版 社 ,1988. 220 - 252. 3 ] Luo X , King A , Ross J . Microseismic monitoring at Southern Colliery for understanding roof fracturing mechanisms [ R ]. Bris2 bane ,2000. ( 3) 数 据 传 输 从 检 波 器 到 主 机 的 有 效 距 离 为 600 m ,对 一 般 矿 井 均 可 满 足 要 求 ,也 可 增 加 中 继 站 以 扩 大 传 输 距 离 。 [4] Luo X , Ross J , King A. Microseismic monitoring at Dartbrook Mine for underground gas emission control[R]. Brisbane ,2000. ( 4) 数 据 接 收 软 件 已 实 现 了 自 动 化 ,但 数 据 处 理 自
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