基于微震监测技术的矿山高应力区采动研究

 冬瓜山铜矿是目前国内开采最深的金属矿山之一,岩石具有典型的岩爆倾向性,最大应力为38 MPa,为控制岩爆的发生及制定高应力区采矿的战略,2005年矿山引进南非ISS国际公司的微震监测系统,实现对采矿引起的岩体应力、应变状态的实时监测。简单介绍冬瓜山矿微震监测系统的布置;基于一段时间内监测到的有效事件,对井下首采区地震事件的时间与空间分布进行研究;利用可视化工具JDI对事件的相对集中区域进行圈定,并与井下生产活动相结合,分析原因;还提出对井下工程岩体危险识别的手段,并用实际发生的事件验证;综合研究成果,制定以微震监测技术为基础的高应力区采动分析的工作程序,为目前矿山的安全生产提供依据。     

深井岩爆微震监测预警与防治成套技术研究

为了研究深井回采过程中岩爆危险性实时监测预警的可能性和有效防护技术,以三山岛金矿深部试验采场为工程背景,首先,基于三维微震监测技术,对微震事件的"时、空、强"分布特征进行分析,得到微震活动率、能量释放率、连续性指数与日单事件平均能量"四位一体"的岩爆评价指标,确定岩爆可能发生的时间范围及危害程度;其次,通过微震三维定位技术,对可能发生岩爆灾害的危险区域进行圈定,确定岩爆可能发生的空间范围,成功地预测了两段轻微岩爆发生时期及具体发生位置;最后,通过采用高应力卸荷技术和柔性支护技术相结合的岩爆防治措施,将高应力进行阻隔和转移。事实证明:通过合理的岩爆监测手段,采取有效的岩爆防治措施,可以保证深部采场的安全开采。     

凡口铅锌矿多通道微震监测系统及其应用研究

微震监测技术是深部矿床地压监测的重要手段。简要概括了凡口铅锌矿深部矿床赋存条件、地压特征、地压灾害以及建立微震监测系统的必要性;对建立的16通道微震监测系统的组成、监测系统的性能、微震监测范围进行了详细介绍;通过对传感器布置优化分析,绘出传感器布置的一个优化分析结果的震源定位等值线实例图。采用人工放炮产生的震源对微震监测系统的震源定位性能进行测试,绘出测试结果和系统监测定位图,并比较实际测量和系统监测分析结果,两者结果对比表明,在传感器阵列内的震源定位误差不大于5m时,监测系统对震源具有较高的定位精度。采用该套系统对深部采区的大爆破余震进行监测发现,余震事件大多发生在数分钟之内,这表明目前采区围岩的稳定性较好。     

深井矿山地压灾害微震监测技术应用研究

 会泽矿区深部8号矿体埋藏深度达1 000 m,矿体赋存于十余条断层所控制的破碎带中,开采条件十分复杂。根据矿山实际情况,建立一套具有地震学定量分析和可视化解释功能的数字化24通道微震监测系统。详细介绍微震监测系统的组成和性能,采用人工爆破震源对微震监测系统的定位精度进行3次测试,监测范围内的震源定位误差为3.16～6.78 m,达到预期目的,证明该监测系统可满足矿山地压监测要求。该系统于2007年8月正式投入使用,在半年监测数据的基础上,通过对井下采集的多种振动波形特征、微震事件b值时序特征及震源应力降等参数进行分析,初步总结深部8号矿体开采过程中的地压活动规律。     

微震监测预测岩爆技术在锦屏引水隧洞施工中的应用

岩爆是超深埋隧道施工中危害性较大的安全风险,对岩爆时空要素、强度的预测是当前地下工程行业的前沿科学。预测的手段多样,文章介绍应用微震监测方法检测微震事件,基于粒子群微震源分层定位算法的时差定位法,确定岩爆的时空要素与强度,并成功预测到岩爆事件。     

深部岩体隧洞即时型岩爆微震震源体积的分形特征研究

根据即时型岩爆孕育及发生过程中微震信息的自相似性,提出了一种震源体积的分形计算方法。运用上述方法,基于锦屏二级水电站施工排水洞及4条引水隧洞施工过程中的大量不同类型、等级的即时型岩爆案例,展开微震事件震源体积分布的分形行为研究。研究结果表明:即时型岩爆孕育及发生过程中的微震信息震源体积分布是具有分形结构的;即时性应变型岩爆体积分形维数大于0.7,即时性应变–结构面滑移型岩爆体积分形维数小于0.6,这意味着根据微震事件体积分形维数可以对即时性岩爆的类型进行区分;对于即时型岩爆来说,岩爆等级越强则微震体积分形维数值越大;对于即时性应变–结构面滑移型岩爆,结构面数越多则震源体积分形维数值越小。上述研究结果可以为高地应力条件下不同类型岩爆的预测与防治提供合理的科学依据。     

微震监测技术在深井矿山中的应用

冬瓜山铜矿是目前国内地下开采最深的金属矿山之一,岩石具有典型的岩爆倾向性.为了掌握岩爆发生规律,评估其危险性,保证生产安全,2005年8月矿山安装了南非ISS公司的微震监测系统.通过对现场定点爆破的测试,校验了系统的定位参数,实现了对采矿活动过程中围岩应力状态的实时监测.简单介绍了冬瓜山微震监测系统的组成及网络布置,基于对2 a多微震事件数据的处理,研究了波形的分析方法,对比了手动处理与系统自动处理的定位精度;依据波形与生产活动的对应关系,对检测到事件的波形进行了分类研究,确保了事件的及时识别和分类保存.基于量化的地震参数,特别是利用等值线、回归曲线和时间变化曲线与采矿活动的对应关系,重点分析研究了2006年8～10月3个月内发生在54     

岩爆微震特征的支护体系刚度效应初探

隧道工程岩爆案例表明初期支护结构体系的类型与刚度影响着破裂及微震活动的特征、机制和阶段划分,这是一个较少被探讨且亟待被揭示的问题。依托巴陕高速公路米仓山特长隧道构造碎粒岩围岩段的岩爆现象及微震监测成果,建立围岩–支护复合体系的刚度评价方法,基于震源参数指标初步探索了岩爆特征的支护体系刚度效应,揭示了刚度条件由弱变强的岩爆微震特征及演化:(1)在岩爆发育期,对围岩卸荷边界施加刚性更强的约束条件,围岩内部破裂活动趋向发生能量积累和能量转移;岩爆发育期延长,微震事件的能量、视体积类型及比重发生改变。(2)在岩爆发生期,围岩内部破裂活动趋向发生更高量值的能量释放,现场岩爆及大能量冲击灾害表现更大波及范围的特点;微震事件在短时间内迅速出现,事件率和能量率极大提升。相关研究成果可帮助认识支护结构影响下围岩破裂活动的特征、机制与阶段划分,考虑支护结构影响的围岩破坏前兆预警判据,可为科学合理的支护方式遏制岩爆风险提供实际数据和理论参考。     

秦岭隧洞4#支洞微震规律与岩爆预警研究

引汉济渭工程秦岭段4#支洞在开挖过程中多次遭遇岩爆的危害,为尽可能对岩爆风险区域进行有效的预报,减少开挖施工风险,利用微震监测技术对4#支洞进行了连续监测。构建秦岭隧洞4#支洞微震监测系统,实时监测开挖过程中隧洞围岩的微震信息,探究4#支洞围岩微震活动规律及其与岩爆灾害的关系。在此基础上,以岩爆经验预测为基础,提出基于微震前兆信息的岩爆要素综合预测方法,对岩爆的风险、范围、等级进行综合预测。研究结果表明:引汉济渭4#支洞岩爆大多数均存在明显的前兆信息,岩爆区域通常与微震事件的集中区域重合;岩爆发生前夕,高震级事件不断发生,同时b值有减小趋势;采用岩爆要素综合预测方法,在4#支洞测试洞段进行了17次预报,准确率达到76%。     

荒沟抽水蓄能电站地下厂房开挖过程微震及电磁辐射活动特征研究

为了研究黑龙江荒沟抽水蓄能电站地下厂房在深层开挖过程中诱发岩爆的前兆特征,综合采用微震与电磁辐射法对围岩微破裂进行了识别。通过分析监测范围内微震及电磁辐射活动的时空分布规律、诱发微破裂的前兆信息及监测结果的相关性,结果表明:(1)微震事件在空间上具有分区丛聚特征,个别聚集部位与早期岩爆位置高度吻合;不同时段内微震事件频次与外界施工扰动强度呈正相关;能量指数迅速下降及累积视体积大幅度增加,预示岩爆或大型围岩破裂事件的发生。(2)在地下厂房断层裂隙带内,电磁辐射强度的突变预示着岩爆或大型围岩破裂事件即将发生,电磁辐射脉冲数的峰值分布与局部应力场调整方向一致,且调整时间约为8 d。(3)两种监测方法分别揭示的围岩破裂空间分布基本一致,电磁辐射法所预示的前兆时间略早,而且监测结果反映的震源区局部应力场调整趋势相关性良好,即脉冲数峰值分布与震源区视应力迁移完全一致。工程实践证明,应用联合监测方法能有效识别地下工程围岩破裂等前兆信息,监测结果为深入开展岩爆监测预警提供了基础,对工程安全施工具有重要意义。     

煤柱型冲击地压微震信号分布特征及前兆信息判别

 利用微震监测系统,采集平煤十一矿3次煤柱型冲击地压发生前后的微震信号,分析3次冲击地压期间微震信号的时序特征,并利用FFT方法、分形几何原理研究微震信号的频谱特征和分布变化规律。得到如下结论：(1) 煤柱形冲击地压发生前均有一段明显的微震活跃期,表明围岩系统正与外界交换能量,围岩结构处于非稳态的调整期,冲击地压为当次调整期中能量最大的震动,冲击地压发生后,微震活动程度明显下降,出现震后平静期。(2) 冲击地压的主震信号20 Hz以下低频成分占比例较多,波形图中尾波明显且持续时间长,震动能量级别较大。(3) 冲击地压前震主要频谱成分集中在40～100 Hz,前震发生时间距离主震越近,低频成分越多。(4) 微震事件分维值在大的震动(矿震或冲击地压)发生前会持续下降,在大震临近时会降到某个临界值以下。上述规律对确定预测冲击地压的预警指标以及对提高冲击危险程度判别的准确性具有重要意义。     

基于采动顶、底板岩层损伤的冲击地压预测

为探索微震法预测冲击地压的原理和应用技术,在装备高精度微地震监测设备的煤矿,开展采掘过程连续的岩体破裂现场监测,使用自主研发的采动岩体破裂规律分析和冲击地压预测软件MapRAS进行预测研究和工程应用。发现采动过程岩体微破裂在顶板和底板的深度扩散是产生冲击地压的大概率事件;提出采动顶、底板深度损伤是冲击地压成核重要因素的观点。建立应用微震数据辨识顶、底板采动破裂损伤深度的函数关系式和算法。分析显示顶板和底板深度损伤存在联动,与顶板关键层的周期破断及其后效相对应,反映出顶板、底板的加–卸载过程,在华亭煤田多显现为巷道底板破断型冲击地压。经工程应用检验,预测效能较高,应用效果良好。     

采场顶板破断型震源机制及其分析

 作为一种区域、实时、动态监测手段,微震监测技术用于预测预报冲击矿压等地质灾害乃至防灾减灾完全可行,而不同震源震动机制的研究是微震法预测预报冲击矿压的前提和基础。采场顶板是影响煤矿冲击矿压发生的重要因素,在分析采场坚硬顶板断裂过程的基础上,建立坚硬顶板断裂震动的等效点源模型,并根据该模型用震动波理论分析坚硬顶板断裂的震动位移方程,揭示了坚硬顶板断裂的震源机制,并通过三河尖矿微震监测的坚硬顶板断裂信号验证分析结果的正确性。研究表明,采场顶板由于受源外介质的拉力作用,断裂时震源会产生波前向外传播的压缩波,震源处岩体破坏主要为张性拉伸破坏。研究结果可为顶板型冲击矿压的预测预报和防治提供理论依据。     

矿震监测定位系统的研究及应用

为确定矿震发生的时间、地点、震级，结合煤矿实际情况，研制一套国内首台具有自主知识产权的矿区千米尺度破坏性矿震监测定位系统。该系统采用在矿区地面布置4个子台，子台由三分向加速度传感器组成，拾取振动波信号。为保证4个子台矿震数据的时间精度，采用GPS网络授时作为时间基准，通过对振动波的频率、振幅等特征分析，对矿震波进行自动识别，排除放炮等振动信号。各子台矿震信号通过网络传输到中心测控机，中心测控机对各子台进行远程控制管理，监控各子台的工作状态。中心测控机对数据进行处理和分析，计算矿震发生时刻，通过振动波持续时间计算矿震震级，采用3种方法计算矿震发生位置。该系统可为矿井迅速准确组织救灾、减少损失提供依据。同时，通过对每天矿震发生的时间、次数、位置、震级进行统计分析，可对未来的矿震发生趋势进行预测。系统的运行情况表明，监测结果与实际矿震较吻合，定位结果小于规定的误差上限。     

矿震震动传播与响应规律

针对距离震源不同距离的采掘区域冲击地压显现响应程度不同的问题,采用ARAMIS M/E微震监测系统、PASAT-M便携式微震监测系统和冲击地压多参量过程监测系统开展了矿震发生与响应过程规律研究,并通过井下爆破激发震动试验研究了震动传播衰减规律。结果表明:(1)冲击地压多参量过程监测系统监测到矿震的单参量(煤体应力)、多参量(煤体应力、围岩位移及锚杆受力)的响应过程,实现了震动与响应信号捕捉与记录;(2)矿震单参量响应规律,响应时间短(368 ms),响应过程引起距震源75 m的煤体应力最大升高0.9 MPa,响应终值为煤体应力升高0.5 MPa,矿震的响应并非都是多参量同时响应;(3)矿震引起多参量响应规律,响应时间不同步,响应时间几百毫秒至几分钟不等,响应过程引起距震源150 m的煤体应力整体降低0.7~0.8 MPa、锚杆受力降低7~8 k N、顶煤位移增加4 mm,且捕捉到矿震发生10 h前的岩层位移信息,持续时间1000 ms,位移量最大24 mm,可作为矿震前兆信息;(4)矿井围岩介质中震动能量传播呈指数E=E0eηD关系衰减,距震源200 m范围能量衰减快;震动主频的衰减变化规律也呈指数f=f0eηD关系。距离震源200 m范围的采场、巷道对矿震响应比较显著,与矿震诱发冲击显现区域比较吻合。矿震发生至响应的传播衰减过程的定量关系研究,对进一步提高冲击地压监测预警与防治技术水平具有一定的现实意义。     

基于微震监测的锦屏二级水电站深埋隧洞岩爆孕育过程分析

为研究锦屏二级水电站深埋隧洞岩爆孕育及发展过程,利用构建的微震监测系统对^#3引水洞的TBM掘进过程进行全天候连续实时监测。通过获取大量微震监测数据,分别从微震事件的时空序列分布、事件活动率、微震能量、能量密度及视体积对隧洞岩爆前各参数变化特征进行分析,并从动态裂纹扩展角度揭示了岩爆孕育过程中微破裂的萌生、发展、扩展直至相互贯通的宏观破坏机制,初步探讨了微震活动演化规律与岩爆间的时空内在联系。监测与分析结果表明：多数岩爆都存在有可被微震监测定位的微破裂前兆,微震活动率、微震能量及累积视体积均有不同程度的上升趋势。部分岩爆的驱动源由本地岩爆能量与转移能量之和获得,即E_驱动=E_本地+E_转移,强岩爆可再次诱发邻近位置产生岩爆。研究结果,初步证明了利用微震监测系统对深埋隧洞岩爆进行实时监测的可行性。     

锦屏二级水电站引水隧洞岩爆特征及微震监测规律研究

 通过对锦屏二级水电站引水隧洞施工期间大量岩爆记录的深入研究,分析总结出岩爆沿里程分布规律、岩爆围岩破坏方式、隧洞横断面岩爆位置规律、岩爆次数与距掌子面的距离关系、岩爆次数与开挖后暴露时间关系、岩爆烈度与其围岩破坏范围关系等岩爆特征规律。通过对这些规律及岩爆分布与地质构造之间关系的研究,总结地质构造和岩爆的相互作用规律。将微震监测技术用于引水隧洞工程施工,进行深埋隧洞的岩爆监测预警,实现对微震活动的全天候连续监测分析,并根据现场对岩爆的微震监测结果,对微震的时空演化与岩爆之间的关系进行初步探讨。研究结果表明：深埋岩体隧洞中,岩爆的时间、空间、强度等分布存在较明显的规律性,并且与地质结构、施工工法、施工扰动等影响因素之间有着必然的联系,其中地质结构对岩爆的发生起控制作用;岩爆发生之前普遍存在一个孕育过程,并伴随着大量微破裂的产生和微震能量的释放(微震前兆),微震活动对岩爆事件普遍具有时间优先性和空间一致性,可利用其指导安全施工。本文的工程实践验证了微震监测技术用于深埋岩体隧洞岩爆监测预警的可行性,并具有较高准确率,从而为隧洞的岩爆预测和安全施工提供新的研究思路。     

深部高应力集中区域矿震活动规律研究

 研究深部矿区,特别是高应力集中区域的矿震活动规律对于冲击矿压等动力灾害“时间–空间–强度”的监测具有重要的意义。利用三河尖煤矿微震监测系统,分析研究9202高冲击危险工作面开采全过程的矿震活动规律,研究结果表明：(1) 矿震活动与区域最大垂直应力梯度具有较强的相关性。区域最大垂直应力梯度越高,矿震信号越强,频谱则明显向低频段移动。(2) 不同类型的矿震信号具有相应的波形及频谱特征。如卸压爆破信号呈现宽频谱、多峰值型的高频特征,而冲击矿压前兆信号则呈现出低频、低振幅,主震信号具有相对较高的频率和振幅。(3) 矿震强度与电磁辐射幅值以及钻屑量具有很好的对应关系,对于监测冲击危险区域具有较强的一致性。最后,提出降低区域应力集中控制矿震强度的弱化技术,并进行现场实践,取得了预期的效果。