煤矿生产中微地震监测技术的应用.pdf

2 0 0 9 年 第6 期 童 扭爰 斜技 煤矿 生产 中微 地震监测技 术的应 用 沈明 同煤大唐塔 山煤矿有限公 司综采队 ， 山西 大同0 3 7 0 0 1 摘要该文介绍了微震监测技术原理， 对井下使用的高精度防爆微震监测系统进行予说明， 阐述了井下测区布置、 钻孔参数、 检波器安装、 监 测系统标定 、 数据采集与处理的要点。微震监测技术 已经在多个煤矿应用 ， 并取得 了很好的效果。 关键词微震监测测 区布置检波器数据处理 中图分类号 P 6 3 1 ． 4 文献标识码B Ap pl i c a t i o n o f M i c r o s e i s mi c M o n i t o r i n g Te c h no l o g y i n Co a l M i ne Sh a h Mi n T a S h a n T e c h n o l o g y D e p a r t m e n t ， D a t o n g C o a l Mi n e C o o p e r a t i o n， D a T o n g ， S h a n x i p r o v i n c e ， 0 3 7 0 0 1 Ab s t r a c t I n t h i s p a p e r ，t h e p rin c i p l e o f e a r t h qu a k e mo n i t o r i n g t e c h n o l o g y o f u n d e r g r o u n d e x p l o s i o n s e i s mi c mo n i to rin g s y s t e m p r e c i s i o n e x p o u n d s t h e d o wn h o l e d ri l l in g p a r a me t e r s me a s u r e d a r e a a r r a n g e me n t ，i n s t a l l a t i o n，d e t e c t o r s，a mo n i t o rin g s y s t e m c a l ib r a t i o n，d a t a a c q u i s i t i o n a n d p r o c e s s i n g ．S e i s ‘ mi c mo n i t o rin g t ec h no l o gy h a s b e e n a p p l i e d i n ma n y mi n e s，a n d g o o d r e s u l t s h a v e b e e n a c h i e v ed ． Ke y wo r d s Mi e r o s e is mi c mo n i t o rin g S u r v e y i n g a r e a a r r a n g e me n t T h e d e t e c t o r Th e d a t a a c qu i s i t i o n a n d p r o c e s s i n g 1 高精 度微 震监测 技术 简介 微地 震 监 测 技 术 Mi c r o s e i s m i c M o n i t o r i n g T e c h n i q u e ， 简称 MS 基于声发 射学和地震 学 ， 它 的基 本原 理是 当地下岩石 由于人为 因素或 自然 因素发生 破坏 时， 产生微震和声波， 通过在破裂区周围的空间内布置 多组检波器并 实时采集微震数据 ， 经过数 据处理后 ， 采 用震动定位原 理 ， 可确定破裂发生的位置 ， 并在三 维空 间上显示 出来。 ‘ 高精度微 震监测技术充分考虑了影 响煤矿井 下定 位精度的主要 因素 ， 通过 研究煤 矿采煤工作 面尺 度与 微地震监测控制尺度的关系， 提出了提高小尺度监测 精度的传感器布置方法、 平均速度结构以及多点“ 四一 四复合” 定位等观点和实现技术， 并研制了“ 四一四复 合” 定位软件， 将定位精度控制在 l O m以内。 1 ． 1 硬 件 组成 1 防爆计算机 ； 2 前置放大器； 3 数据采集板 卡 ； 4 三分量微地震传感器与电缆； 5 数据通讯 收稿 E l 期 2 0 0 9一 o 91 5 作者简介 沈明 1 9 6 9一 ， 男 ， 山西大 同人 ， 工程师 ， 同煤 大唐塔 山 煤矿有限公司综采队从事技术工作。 调制解调器； 6 专用发爆器； 7 电源； 8 通讯电缆。 硬件系统的特点是集成度高、 防爆， 可以实现井下和地 面的通信。主要技术指标和参数如下接收道数 6 4 道 ； 最小采样间隔 0 ． 1 2 5 2 I n s ； 记录精度 1 6位 ； 最 大 记录长度 5 1 2 4 0 9 6样点 ， 根据需要 可扩展 ； 前放 固定 增益 1 1 0 0倍； 程控增益 1 、 2 、 4 、 8倍 ； 前放静态工作 电流每道小于 1 5 m A； 最大交流输入、 输 出信号 电压 I O V； 前放输 出直流漂移小于 1 0 0 m V； 前放通 频带宽 度 1 0～ 1 5 0 0 H z ； 记录时间一致性误 差 -4 - 1 m s ； 记录振 幅 一 致性误差小于3 ％； 前放功耗小于 2 0 W； 可以在有爆 炸危险的环境应用 。 1 ． 2 软 件配 置 1 操作系统； 2 数据采集卡驱动程序库； 3 微 地震监测数据采集软件系统； 4 数据通讯程序。 高精度定位软件和系列工程应用软件是监测系统 的重要组成部分， 通过研究煤矿采煤工作面尺度与微 地震监测控制尺度 的关 系 ， 提 出 了提 高小尺度监 测精 度的传感器布置方法、 平均速度结构以及多点“ 四 一四 复合” 定位等观点和实现技术。并研制了“ 四 一四复 合” 定位软件。为了将微地震监测的结果转化成采矿 工程师能够直接应用的产品， 开发了系列应用软件。 ②移架操作严格执行带压擦顶移架， 做到少降快 移， 严禁出现支架大起大落， 移架前必须清理干净滑道 及架前架间浮煤。 ③改变后溜联接方式。后溜的旋转圆周和支架的 圆周不重合， 在支架前移过程中溜子相对支架下移， 拉 架油缸拉移后溜困难， 因此必须附加一个斜 向上的力 矩。用链子斜联后溜， 配合直联共同作用 ， 很好地解决 了这一难题 。 4 经 济效益 及 其他 经过 3个月的艰苦工作， 1 3 O 3综放工作面仰斜 开采上下顺槽平均推进 2 2 0 m， 工作面长度为 1 5 4 m 斜 长 ， 两顺槽平均倾角为 2 7 。 ； 旋转式开采旋转角度为 5 8 。 。此次大倾角仰采及旋转开采的试验成功， 从技术 上解决了矿井生产中的难题 ， 取得了良好的经济效益， 多回收煤炭资源2 0 ． 6 万 t ， 创造价值 1 ． 8 亿元之多。 1 2 童 瞧茬 舛技 2 0 0 9 年第6 期 有代表性的软件为 将微地震定位结果直接合成到开 拓开采平面图和剖面图上的软件， 通过它可以直观地 看到破裂过程与 开采过 程 的关 系 ； 在破裂 点分 布 的平 面图上， 作出任意位置剖面图的软件 ， 通过它可以了解 和观察顶底板 的破 裂情 况和矿 山压力 的分布 特征 ； 配 合数据分析还研制了破裂过程的动态显示软件及微地 震事件的统计分析软件。 2 高精度微震监测技术应用 2 ． 1 测 区布置 及钻 孔参 数选 择 微地震监 测 目的通 常 有 以下几 点 1 揭 示上 覆 岩层运 动规 律 ； 2 评 价支 承压 力对 顶板 的破 裂作 用 以及裂 隙带 发育 规律 ； 3 获得 煤层 侧 向支 承 压力 的 分布规律 ； 4 超 前支 承压力 分 布规律 ； 5 得到工 作 面三维的围岩破裂规律以及科学可靠的数据。 根据观测 目的要求 ， 确 定监测 区 的布 置地 点与 钻 孔参数选择， 如果煤层倾角较小， 四周是实体煤， 开采 后两条巷道周 围岩层运动与应力分布相对 于工作 面走 向中线来说是对 称 的， 只要在 一条巷道 内布置 测 区即 可 。如果煤层倾角较大 、 或者两边不是实体煤层 ， 开 采 后两巷周围岩层运动存在较大差异， 则要在两条巷道 内布置测 区。考虑 测 区布置 的时候 ， 还要 注意 监测 区 域的信号范围。微地震监测信号的有效区域一般在 2 0 0～3 0 0 m， 坚硬 岩层 断裂 的监测 距离可 达 l O 0 0 m 以 上 。 在测 区内钻孔要编号 ， 其 中的一个 钻孔为炮孔 ， 且 在放完标定炮后在此钻孔中也安装一个检波器。其余 各钻孔各安装一个三分量检波器。钻孔直径为 9 7 m m， 角度根据情 况 而定 ， 一般 为 6 0 。 左右 。顶 板钻 孔 深度 4 O～1 0 0 m， 底 板钻孑 L 深 度 1 5 m。钻孔参数要依据煤 层 、 顶底板情况和监测 目的调整 。 2 ． 2检波器 安 装 与监测系统配套 的检 波器 安装 技术 已经 成型 ， 相 关科技人员开发研制出了2种检波器及其安装方法 ①液压安装法适用于钻孔深度在5 0 m以内的中硬及硬 岩层 ， 且检波器可以回收复用 ； ② 药包安装法适用于 软弱的岩层和深度 5 0～ 1 0 0 m的钻孔。在安装使用检 波器 的时候 ， 要注意 以下 问题 1 检波器的结构与安装方法必须一致。 2 “ 液压安装法” 适用 于一 串 2个 和 3个检波 器 的安装， 即钻孑 L 深度在 5 0 m以内。一般适合于中硬及 硬岩层， 否则钻孔变形后 ， 难以安装和回收， 液压枕的 支撑压力控制在 2 MP a 左右为宜。 3 “ 药包安装法” 适用于软弱的岩层 钻孑 L 容易 变形 和深度超过 5 0 I n的钻孔 ， 而且钻孔打出来后要 尽快安装 。 4 钻孑 L 过软岩层 时 ， 塌孔地 段要加套 管 ， 锚爪 后 部加导 向杆 ， 否则锚爪 容易进入塌孔空穴而无法安装。 5 向下或深度 2 0 m以内的钻孔 可以采取注浆 的 方法安装， 但需要专用的设备和封孔工具。 2 ． 3微 震监 测 系统标 定 监测系统在井下安装完成后， 需要通过放炮标定、 检验检波器和系统的工作状态 ， 并获得弹性波在岩层 中传播的参数 ， 包括弹性波在各种介质中的传播速度、 平均传播速度、 能量衰减速率 、 标定 定位精度等 。所有 检波器收到质量很好的信号， 表明检波器安装和整个 监测系统工作 状态 良好 ， 否则要 对有 问题 的检 波器 和 传输线路做进一步的检查。 实际定位时， 由于震源性质和传播介质性质的差 异 ， 定 位精度将 出现波动 ， 平 均能够 达到 l O m以内的精 度。 3监 测数 据采集 与处理 微震监测系统属于自动记录仪器， 所有数据记录 均自动完成， 并存储于微震仪指定的位置内。原始数 据 的获取有两种 方法 一是 人工 到井下 用移动 硬盘拷 贝数据 ； 二是采 用 电话线 自动传 输数 据。监测工 作 实 施时， 如果原始数据量大 ， 电话线 自动传输不稳定， 可 采用井上 、 下光纤传输。实践证 明 ， 在井下防爆计算机 与地 面监测站 电脑主机 组成 的局域 网系统 中 ， 微震 监 测数据光纤传输 速度快 、 稳定性 高 、 误 码率 低 ， 在监 测 传输距离远、 数据容量大的工程中应优选。 监测结果为二进制文件 ， 通过已开发完成的“ 微 地 震解 释” 软 件打开 ， 拾取 到时 ， 再通 过 “ 微 地震定 位 软 件 ” 处理 ， 最后 ， 通过“ 微 地震监 测结果 显示 ” 软件将 微 地震事件 投影到平面图 、 剖面 图上 ， 以便于分析处理 。 4结束语 微震监测技术在我国煤矿井下 已经成功应用， 鲁 西煤矿微地震定位监测确定导水裂隙带高度、 华丰煤 矿预测预报冲击地压、 峰峰梧桐庄煤矿底板突水预测 预警、 同煤塔 山特厚煤层放顶煤顶板运动规律监测 2 0 0 8年 l 2月通过 了山西省科技厅 组织 的专 家鉴定 ， 项目鉴定结论为国际先进 ， 都取得 了成功。实践证 明， 高精度微地震监测技术是解决煤矿灾害的有效方 法， 需要说明的是， 监测数据采集与处理后， 只有在矿 山压力理论指导下， 才能更好地解释和应用微地震监 测结果 。