微震監測技術在礦山防越界開采中的應用

劉 梁

江西省地質礦產勘查開發局九0二地質大隊 江西 新余338000

1 項目概況

某煤礦周邊地方煤礦眾多,當發生越界開采時,會造成資源破壞、開采困難,帶來重大安全隱患,同時造成重大經濟損失,因此進行防越界開采監測勢在必行。

2 微震監測原理

煤礦越界開采微震監測是指將微震技術用于探測由于越界開采活動引起的地震波動效應事件,即將高靈敏度的微震傳感器布設于研究區域處四周,全面、實時、三維監測,連續記錄因巖體變化而產生的微震活動。通過對彈性波信息進行采集處理,獲取事件發生的位置、大小、能量、地震矩、震源機制等信息,對越界開采活動進行分析、評價,指導煤礦生產安全。

3 微震監測系統

3.1 微震監測系統 微震監測系統的硬件部件由微震傳感器、微震數據采集儀、設備供電系統、數據傳輸系統部分組成。微震傳感器負責采集高質量波形信號,微震數據采集儀將高質量的波形信號通過A/D轉換為數據信號,供電系統保證整個系統的用電,系統的數據由數據傳輸系統負責傳輸。

3.2 微震監測軟件系統 微震監測軟件系統PCS平臺可將微震監測信號在窗口進行實時監測顯示,并能自動轉化存儲于地面數據采集服務器,且可以實現事件智能化處理,以及后期的人工精細處理。其主要由以下四部分構成:

(1)項目管理:項目工區、地質模型管理等;

(2)實時監控軟件:微震實時波形顯示、硬件設備工作狀態顯示等;

(3)人機交互處理軟件:事件智能化處理、人工精細處理、分析等;

(4)三維可視化軟件:監測區事件三維顯示、分析等。

4 項目實施

4.1 現場勘查 本次防越界開采為某礦地面東南側與同煤集團煤業交界處的小窯破壞區(礦界3號拐點,重點監測小煤窯越層越界的破壞情況。

4.2 臺陣布設

4.2.1 布設原則 合理的監測臺網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,其監測臺布設原則如下:

(1)監測臺網應在空間上在待監測重點區域形成包絡狀,避免形成一條直線或者一個平面,并且有足夠、適當的密度;

(2)監測臺網覆蓋在突出重點、兼顧局部的原則下盡量遠離大型機械和電氣干擾。

4.2.2 臺陣布設 現場地表共布設10個微震監測垂直孔,每孔安置一個靈敏度為200 v/m/s的三分量傳感器,分別位于采集儀附近。

4.3 坐標測量 傳感器位置是影響微震事件定位結果的重要因素,因此,為保證應有的微震事件定位精度,傳感器坐標位置的準確獲取十分重要。坐標測量需有專業人員操作獲取,必須達到相應的精度要求。坐標系統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力變化波動信號,采取各種辦法降低環境噪聲,有效判斷區分巖體波動信號和施工干擾信號是數據采集與處理中最核心的工作。選擇時間點為現場人工活動相對較少的時刻,邊坡臺站環境噪聲水平為E-06。據以往微震施工經驗可知,對于生產擾動引起的應力變化產生的微震信號來說,本次監測環境噪聲屬于一個相對較低的噪聲水平,對系統有效記錄微弱的巖石破裂微震信號影響很小,滿足項目監測需求。

5.2 典型信號分析

5.2.1 微震信號 施工活動擾動圍巖,打破其應力平衡,擾動應力突破巖體自身的剛度、強度,巖體穩定性被破壞,完整巖體在外力作用下開始發生變形、微破裂。微震事件的時頻特征表現為不同的微震頻帶差異較大。能量小的頻率相對較高,主頻可達到幾百赫茲。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。通過對某煤礦越界開采產生的煤體微破裂信號進行時頻分析,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 爆破信號為此次某煤礦防越界開采監測的重點波形,當爆破發生與本礦區范圍內,而本礦區又未進行爆破作業,應當注意是否存在爆破盜采的可能。此次某煤礦監測到的爆破信號能量較高,波形較長,頻率較低,然后通過軟件進行三維定位、處理,可查看爆破位置判斷是否存在盜采。

5.3 微震活動性分析 微震活動性是指微震事件在時間-空間上的變化規律,在一定程度上反映了越界開采活動的規律。通過對微震事件進行統計分析,可以找出某煤礦越界開采活動的規律。

圖5 -11監測區域事件定位俯視圖(一)

圖5 -11監測區域事件定位俯視圖(二)

圖5 -12 監測區域事件定位北視圖

5.3.1 越界開采活動規律研究 為查明某煤礦越界開采活動規律,對2020年5月23日～2020年6月10日期間微震監測系統采集的數據分別按天以及按小時進行統計分析。

1、按天統計研究越界開采活動規律

以系統正常運行期間1天時間為步長,統計每天累積事件數與累積能量變化,監測期間現場生產活動一直在持續發生。

2、按小時統計研究越界開采活動規律

通過統計一段時間內以小時為單位的微震事件頻次與能量的分布特征,可有效掌握礦山監測區域內一天中越界開采活動活躍時間段及越界開采規律。防越界開采微震監測期間,每日的00:00～07:00是采礦活動最頻繁的時期。

5.3.2 越界開采活動范圍分析(1)通過監測區域內事件空間展布結果,監測區域內出現大量的生產活動信號以及煤巖體微破裂信號,且信號主要分布在隆博煤業礦區內。(2)隆博礦區內的生產活動信號及誘發產生的微破裂信號大量聚集在礦區邊界,有往西發展的趨勢,且部分監測到的事件已出現在某煤礦礦區東邊區域。(3)隆博礦區內的生產活動對礦區邊界西邊的某煤礦影響范圍距離其邊界約有100 m。

6 結論

(1)本次某煤礦地表微震監測系統能夠有效監測區域東邊的煤礦生產活動信號及誘發產生的煤巖體微破裂信號。

(2)2020年5月23日～2020年6月10日期間微震監測系統采集的數據表征監測期間現場生產活動一直在持續發生

(3)根據事件定位結果,目前開采區域已經影響邊界100 m 范圍,應加強監測及管理。