CN103575438A - 煤矿超前支承压力分布特征监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种煤矿超前支承压力分布特征监测方法，在煤矿选取一个正常开采的工作面作为监测区域；布置微震监测分站，测量三维空间坐标，在监测区域内不同位置选择三个爆破点，进行人工定点爆破；并根据接收到的爆破信号，计算P波波速；对经过处理后的波段进行快速傅氏变换到频率域；确定震源参数的经验公式，通过在频率域内进行积分，得到地动速度和地动位移的功率谱积分S_V和S_D；计算微震波拐角频率f_c和零频极限Ω₀，微震辐射能量和地震矩，及视应力；采用固定工作面的方法计算微震事件的相对坐标，统计视应力，获得工作面前方超前支承压力的分布曲线。本发明简单适用，可靠性高，扩大了微震监测系统的应用范围。

Description

煤矿超前支承压力分布特征监测方法

技术领域

本发明涉及到一种煤矿采场超前支承压力分布特征的监测方法，主要用于走向长壁开采工作面前方煤体应力分布特征的监测，用于指导巷道支护以及与超前支承压力相关的动力灾害的防治。

背景技术

微震监测法是在冲击矿压等动力灾害监测预报方面的前沿技术，通过记录采矿活动引起震动的震动图谱，确定和分析震动的能量与方向，对震中进行定位以评价和预测矿山动力现象。目前，波兰SOS微震监测系统、波兰ARAMIS M/E微震监测系统、加拿大ESG微震监测系统以及南非ISS地震监测系统在国外矿上开采中应用广泛。伴随着矿井开采深度的增加，煤岩动力灾害对矿井安全生产影响日益深重，微震监测技术在国内矿山中的应用更为广泛。

微震监测系统主要由中心计算机、中心数据收集器、远程数据采集器、拾震传感器、打印机、GPS时间服务器、软件等部分组成。中心计算机通过数据线与数据收集器相连，计算机上安装控制分析软件，软件运行在WINDOWS环境下，接收来自远程数据采集器的原始数据、在计算机屏幕上显示原始数据的波形，计算机储存、回放每一个震动事件，便于人工和自动。

波兰ARAMIS M/E微震监测系统集成数字通信系统（DTSS），实现了矿山震动定位及震动能量计算。拾震器（或微震探头）获得震动事件并将其处理为数字信号，然后由数字通信系统传送至地面。系统可以监测震动能量大于100J、震动频率0~150Hz及动态范围低于100dB的震动事件。根据监测范围的不同，系统可选用不同频率范围的传感器。数字通信系统采用远距离通信电缆实现三向震动速率变化（X，Y，Z）信号的传输。系统通过24位σ-δ转换器提供震动信号的转换和记录，基于记录服务器完成连续、实时的震动监测。标准版系统软件每个通道提供一路监测信号；可选的每通道3路信号监测需采用非标准版的软件，能够实现三向监测的微震活动。目前，该系统在我国许多煤矿应用，效果良好。ARAMIS M/E微震监测系统包括地面部分和井下部分。其中地面部分：（1）安装在系统数据分析服务器上的ARAMIS WIN软件（微震事件定位、震动能量计算）和MAP_CREATOR软件（定位结果显示）组成的数据处理部分；（2）安装有ARAMIS_REJ软件（DTSS传输系统监测软件）的系统数据记录服务器；（3）数字通信子系统（DTSS），该部分包括：SP/DTSS地面中心站，其由OCGA数字信号接收器、配备GPS时钟的ST/DTSS传输控制器、TRS-2安全变压器及SR15-150-4/11 I供电装置。（2）井下部分：SN/DTSS井下分站（通过通信电缆与地面部分联接），其包括SPI-70拾震器及NSGA发射器；另外，NSGA发射器还可与GVu（顶板微震探头）、GVd（底板微震探头）、GH（水平微震探头）以及自带SPI-70拾震器的CS/DTSS连接。

通过大量研究表明，煤岩体破裂发生在应力差大的区域，因此，只要监测到煤岩破裂区域，即可找到高应力区域。每一次煤岩体破裂都会产生一次微震事件和声波，而震动能量和频次等又反映了煤岩体受力破坏程度，微震事件能量越高，震动越频繁，则煤岩体应力集中程度越大，破坏越严重。因此，微震监测系统获得的岩层破裂信息直接反映了岩体的应力水平，这为采场应力监测提供了一条新思路。

在弹性力学的框架下，由微震资料得到绝对应力的大小，原则上是不可能的，但是在一些合理的假设的前提下，由微震资料可以得到关于应力大小的某种有物理意义的估计，其中一个常用的估计就是视应力，这一概念被广泛应用到地震研究中，将视应力与引起地震滑动的平均应力水平之间通过地震波辐射效率联系在一起，对一个区域中引起地震滑动的平均应力水平进行区域平均，从而作为该区域的绝对应力水平的一个间接估计。因此，视应力常被用来研究震源区的应力水平，即视应力越高，震源区的应力水平就越高；反之，震源区的应力水平就越低。视应力估计同样适用于矿山开采诱发的地震，而且后者观测范围小，拾震器或者距震源距离短，或者就在震源区内，据此所形成研究基础，远比天然地震的情况要好，因此，根据采矿诱发的地震数据进行视应力估计，其结果也会比天然地震可靠得多。

煤矿超前支承压力分布特征的监测是煤矿矿压监测的重要组成部分，通过监测获得的超前支承压力分布特征对煤矿采场的合理支护、巷道开挖与支护方式的选择以及与超前支承压力相关的动力灾害事故的防治，均具有非常重要的理论意义和工程应用价值。

目前对超前支承压力测量的方法主要采用钻孔应力计对巷道煤体内某一点的相对应力进行监测。这种方法只反映了煤体内某一点的超前支承压力随时间的变化关系，不能反映整个工作面超前支承压力的分布规律，而且，钻孔应力计安装过程中油压枕位态的控制非常困难，不仅劳动强度大、费用高，而且可靠性较差。

因此，提供一种简单实用、低成本可靠性高的煤矿超前支承压力分布特征监测方法就成为该技术领域急需解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种简单实用、低成本可靠性高的煤矿超前支承压力分布特征监测方法，使用该方法能够获得整个工作面超前支承压力的分布规律，而不仅仅是巷道煤体内的某一点，而且该方法不受地质条件和开采条件的限制。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种煤矿超前支承压力分布特征监测方法，其包括如下具体步骤：

Ⅰ在煤矿选取一个正常开采的工作面作为监测区域；

Ⅱ在该工作面周边布置至少5个微震监测分站，每个监测分站安装一个拾震器，所述微震监测分站通过电缆与远程数据采集装置相连接，所述远程数据采集装置通过数据线与中心计算机相连接；

Ⅲ测量各微震监测分站所在位置的三维空间坐标（X，Y，Z），X代表监测分站的经度，Y代表监测分站的维度，Z代表监测分站的海拔高度，将测得三维坐标输入微震监测系统；

Ⅳ在监测区域内不同位置选择三个爆破点，测出其三维空间坐标，然后，在所述三个爆破点进行人工定点爆破；并根据接收到的爆破信号，计算P波波速，将所得波速值输入微震监测系统；

Ⅴ采用微震监测系统对接收的微震事件进行波形处理，首先分别对各拾震器记录波形挑选出整个P波和S波的数据段，按震级大小和远近不同选取时窗，窗长以P波或S波开始到衰减至大于2倍噪声为准，然后采用带通滤波除去低频成分，对经过处理后的波段进行快速傅氏变换到频率域；采用Brune圆盘模型，确定震源参数的经验公式，通过在频率域内进行积分，即得到地动速度和地动位移的功率谱积分S_V和S_D；计算微震波拐角频率f_c和零频极限Ω₀，计算微震辐射能量和地震矩，及计算视应力；

Ⅵ采用固定工作面的方法计算微震事件的相对坐标，计算出第i天的微震事件的相对坐标；

Ⅶ统计工作面前方的视应力

将工作面前方按10m距离划分为若干区间，即（0,10m），（10,20m），（20，30m）……，统计每个区段范围内的视应力值，并将其累加起来，便可得到工作面前方视应力分布结果，从而获得工作面前方超前支承压力的分布曲线。

步骤Ⅳ中，采用以下公式计算P波波速：

$V_P=\frac{1}{n-1}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left|\frac{d_{i+1}-d_i}{t_{i+1}-t_i}\right|$

其中d_i为第i（i=1,...,n）个拾震器到爆破点的距离，t_i为第i个拾震器P波初动时刻；每次爆破均能获得一个波速值，取3个测定值的平均值作为最终结果，将测得波速值输入微震监测系统。

步骤Ⅴ中，采用Brune圆盘模型，震源参数的经验公式为：

$D\left(f\right)=\frac{{\mathrm{\Ω}}_0}{1+{(f/f_0)}^2}$

V(f)=D(f)2πf

式中，D(f)和V(f)分别为地动位移和速度的频谱，

通过在频率域内进行积分，即得到地动速度和地动位移的功率谱积分S_V和S_D；

$S_D=2\∫D{\left(f\right)}^2\mathrm{df}=\frac{1}{4}{\mathrm{\Ω}}_0^2\left(2\mathrm{\π}{f}_c\right)$

$S_V=2\∫V{\left(f\right)}^2\mathrm{df}=\frac{1}{4}{\mathrm{\Ω}}_0^2{\left(2\mathrm{\π}{f}_c\right)}^3$

计算微震波拐角频率f_c和零频极限Ω₀：

$f_0=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{S_V/S_D}$

${\mathrm{\Ω}}_0^2=4S_D^{3/2}{S}_V^{-1/2}$

计算微震辐射能量和地震矩：

E_S=4πρβS_V

$M_0=4{\mathrm{\π\ρ\β}}^3{\mathrm{\Ω}}_0/\sqrt{2/5}$

式中，ρ为介质密度，β为P波波速，可通过定点放炮测得，

计算视应力：

δ_app=μE_S/M₀

μ是震源区介质的剪切模量，由上式就可以计算出每个震源点处的视应力值。

步骤Ⅵ中，采用固定工作面的方法计算微震事件的相对坐标的公式为：

X＝x-L_icosαcosβ；Y＝y-L_icosαsinβ；Z＝z-L_itanβ

式中，（x，y，z）为微震事件的绝对坐标，可由微震监测系统直接获得，L_i为从第1天开始至第i天工作面的推进距离，α工作面推进角度，β为工作面推进方向在水平面上的投影与x轴的夹角，因此计算出第i天的微震事件的相对坐标。

一种优选技术方案，其特征在于：所述微震监测分站尽可能的接近监测区域。

一种优选技术方案，其特征在于：所述微震监测分站安装在无风化、无破碎夹层、完整大面积出露的基岩上。

一种优选技术方案，其特征在于：所述微震监测分站安装在水泥平台上。

微震监测系统在许多煤矿都有使用，但如何将微震系统用于采场应力的监测，需要克服一系列的技术难题，本发明找到了一种微震监测系统用于煤矿采场超前应力公布的监测方法，简单适用，成本低，可靠性高。进一步扩大了微震监测系统的应用范围。

通过视应力可以获得描述超前支承压力分布特征的所有参数。相对于传统的监测手段，这种方法能够获得整个工作面超前支承压力的分布规律，而不仅仅是巷道煤体内的某一点，而且该方法不受地质条件和开采条件的限制。采用视应力分析超前支承压力的分布规律不仅拓宽了微震监测系统的应用范围，也为煤矿超前支承压力监测提供了一种间接估计的方法。

附图说明

图1为工作面前方超前支承压力的分布曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

本发明的煤矿超前支承压力分布特征监测方法，其具体步骤如下：

Ⅰ在河南大有能源股份有限公司千秋煤矿选取一个正常开采的工作面作为监测区域；

Ⅱ在该工作面周边布置波兰“ARAMIS M/E微震监测”系统，ARAMIS M/E由波兰EMAG公司生产，是煤岩动力灾害微震监测法的专用设备。波兰EMAG公司作为世界上开发研究微震监测专用设备最早的公司之一，在上世纪70年代研发了第一代微震监测系统SYLOK，ARAMIS M/E是其第5代产品。

在该工作面周边布置至少5个微震监测分站，每个监测分站安装一个拾震器，微震监测分站通过电缆与远程数据采集装置相连接，远程数据采集装置通过数据线与中心计算机相连接。

所述监测分站除应尽可能的接近监测区域外，还应选择在无风化、无破碎夹层、完整大面积出露的基岩上，岩性要致密坚硬，如不能满足以上条件，则需要安装地点构筑水泥平台，将微震监测分站安装在水泥平台上。

Ⅲ测量各微震监测分站所在位置的三维空间坐标（X，Y，Z），X代表监测分站的经度，Y代表监测分站的维度，Z代表监测分站的海拔高度，将测得三维坐标输入微震监测系统；

Ⅳ在监测区域内不同位置选择三个爆破点，测出其三维空间坐标，然后，在三个爆破点进行人工定点爆破，爆破采用矿用乳化炸药，药卷规格Φ50×250mm，爆破孔深10m，孔径75mm，封孔长度3-4m，装药量大于5kg。根据接收到的爆破信号，采用以下公式计算P波波速：

$V_P=\frac{1}{n-1}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left|\frac{d_{i+1}-d_i}{t_{i+1}-t_i}\right|$

其中d_i为第i（i=1,...,n）个拾震器到爆破点的距离，t_i为第i个拾震器P波初动时刻。每次爆破均能获得一个波速值，取3个测定值的平均值作为最终结果，将测得波速值输入微震监测系统；

Ⅴ采用微震监测系统对接收的微震事件进行波形处理，首先分别对各拾震器记录波形挑选出整个P波和S波的数据段，按震级大小和远近不同选取时窗，窗长以P波或S波开始到衰减至大于2倍噪声为准，然后采用带通滤波除去低频成分，对经过处理后的波段进行快速傅氏变换到频率域；

采用Brune圆盘模型，确定震源参数的经验公式为：

$D\left(f\right)=\frac{{\mathrm{\Ω}}_0}{1+{(f/f_0)}^2}$

V(f)=D(f)2πf

式中，D(f)和V(f)分别为地动位移和速度的频谱；

通过在频率域内进行积分，即得到地动速度和地动位移的功率谱积分S_V和S_D；

$S_D=2\∫D{\left(f\right)}^2\mathrm{df}=\frac{1}{4}{\mathrm{\Ω}}_0^2\left(2\mathrm{\π}{f}_c\right)$

$S_V=2\∫V{\left(f\right)}^2\mathrm{df}=\frac{1}{4}{\mathrm{\Ω}}_0^2{\left(2\mathrm{\π}{f}_c\right)}^3$

计算微震波拐角频率fc和零频极限Ω₀：

$f_0=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{S_V/S_D}$

${\mathrm{\Ω}}_0^2=4S_D^{3/2}{S}_V^{-1/2}$

计算微震辐射能量和地震矩：

E_S=4πρβS_V

$M_0=4{\mathrm{\π\ρ\β}}^3{\mathrm{\Ω}}_0/\sqrt{2/5}$

式中，ρ为介质密度，一般可取2.7g/cm³，β为P波波速，可通过定点放炮测得；

计算视应力：

δ_app=μE_S/M₀

μ是震源区介质的剪切模量，可取3.5×10¹¹dyn/cm²；由上式就可以计算出每个震源点处的视应力值。

Ⅵ采用固定工作面的方法计算微震事件的相对坐标，其公式为：

X＝x-L_icosαcosβ；Y＝y-L_icosαsinβ；Z＝z-L_itanβ

式中，（x，y，z）为微震事件的绝对坐标，可由微震系统直接获得，L_i为从第1天开始至第i天工作面的推进距离，α工作面推进角度，β为工作面推进方向在水平面上的投影与x轴的夹角，这样就可计算第i天的微震事件的相对坐标了。

Ⅶ统计工作面前方的视应力

将工作面前方按10m距离划分为若干区间，即（0,10m），（10,20m），（20，30m）……，统计每个区段范围内的视应力值，并将其累加起来，便可得到工作面前方视应力分布结果，如下图1所示为工作面前方超前支承压力的分布曲线。

这样就获得了工作面前方超前支承压力的分布曲线。通过该分布曲线可以形象地看出工作面前方不同距离的视应力。

本发明的煤矿超前支承压力分布特征监测方法是将微震监测系统用于煤矿超前支承压力分布特征监测，简单适用，成本低，可靠性高。相对于传统的监测手段，这种方法能够获得整个工作面超前支承压力的分布规律，而不仅仅是巷道煤体内的某一点，而且该方法不受地质条件和开采条件的限制。采用视应力分析超前支承压力的分布规律不仅拓宽了微震监测系统的应用范围，也为煤矿超前支承压力监测提供了一种间接估计的方法。

Claims (7)

1.一种煤矿超前支承压力分布特征监测方法，包括如下步骤：

（1）在煤矿选取一个正常开采的工作面作为监测区域；

（2）在该工作面周边布置至少5个微震监测分站，每个监测分站安装一个拾震器，所述微震监测分站通过电缆与远程数据采集装置相连接，所述远程数据采集装置通过数据线与中心计算机相连接；

（3）测量各微震监测分站所在位置的三维空间坐标，将测得三维坐标输入微震监测系统；

（4）在监测区域内不同位置选择三个爆破点，测出其三维空间坐标，然后，在所述三个爆破点进行人工定点爆破；并根据接收到的爆破信号，计算P波波速，将所得波速值输入微震监测系统；

（5）采用微震监测系统对接收的微震事件进行波形处理，首先分别对各拾震器记录波形挑选出整个P波和S波的数据段，按震级大小和远近不同选取时窗，窗长以P波或S波开始到衰减至大于2倍噪声为准，然后采用带通滤波除去低频成分，对经过处理后的波段进行快速傅氏变换到频率域；采用Brune圆盘模型，确定震源参数的经验公式，通过在频率域内进行积分，即得到地动速度和地动位移的功率谱积分S_V和S_D；计算微震波拐角频率f_c和零频极限Ω₀，计算微震辐射能量和地震矩，及计算视应力；

（6）采用固定工作面的方法计算微震事件的相对坐标，计算出第i天的微震事件的相对坐标；

（7）统计工作面前方的视应力：将工作面前方按10m距离划分为若干区间，统计每个区段范围内的视应力值，并将其累加起来，便可得到工作面前方视应力分布结果，从而获得工作面前方超前支承压力的分布曲线。

2.根据权利要求1所述的煤矿超前支承压力分布特征监测方法，其特征在于：采用以下公式计算P波波速：

$V_P=\frac{1}{n-1}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left|\frac{d_{i+1}-d_i}{t_{i+1}-t_i}\right|$

其中d_i为第i个拾震器到爆破点的距离，i＝1,...,n，t_i为第i个拾震器P波初动时刻；每次爆破均能获得一个波速值，取3个测定值的平均值作为最终结果，将测得波速值输入微震监测系统。

3.根据权利要求1所述的煤矿超前支承压力分布特征监测方法，其特征在于：采用Brune圆盘模型，震源参数的经验公式为：

$D\left(f\right)=\frac{{\mathrm{\Ω}}_0}{1+{(f/f_0)}^2}$

V(f)=D(f)2πf

式中，D(f)和V(f)分别为地动位移和速度的频谱，

通过在频率域内进行积分，即得到地动速度和地动位移的功率谱积分S_V和S_D；

$S_D=2\∫D{\left(f\right)}^2\mathrm{df}=\frac{1}{4}{\mathrm{\Ω}}_0^2\left(2\mathrm{\π}{f}_c\right)$

$S_V=2\∫V{\left(f\right)}^2\mathrm{df}=\frac{1}{4}{\mathrm{\Ω}}_0^2{\left(2\mathrm{\π}{f}_c\right)}^3$

计算微震波拐角频率f_c和零频极限Ω₀：

$f_0=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{S_V/S_D}$

${\mathrm{\Ω}}_0^2=4S_D^{3/2}{S}_V^{-1/2}$

计算微震辐射能量和地震矩：

E_S=4πρβS_V

$M_0=4{\mathrm{\π\ρ\β}}^3{\mathrm{\Ω}}_0/\sqrt{2/5}$

式中，ρ为介质密度，β为P波波速，可通过定点放炮测得，

计算视应力：

δ_app=μE_S/M₀

μ是震源区介质的剪切模量，由上式就可以计算出每个震源点处的视应力值。

4.根据权利要求1所述的煤矿超前支承压力分布特征监测方法，其特征在于：采用固定工作面的方法计算微震事件的相对坐标的公式为：

X＝x-L_icosαcosβ；Y＝y-L_icosαsinβ；Z＝z-L_itanβ

式中，x，y，z为微震事件的绝对坐标，可由微震监测系统直接获得，L_i为从第1天开始至第i天工作面的推进距离，α工作面推进角度，β为工作面推进方向在水平面上的投影与x轴的夹角，因此计算出第i天的微震事件的相对坐标。

5.根据权利要求1所述的煤矿超前支承压力分布特征监测方法，其特征在于：所述微震监测分站尽可能的接近监测区域。

6.根据权利要求5所述的煤矿超前支承压力分布特征监测方法，其特征在于：所述微震监测分站安装在无风化、无破碎夹层、完整大面积出露的基岩上。

7.根据权利要求6所述的煤矿超前支承压力分布特征监测方法，其特征在于：所述微震监测分站安装在水泥平台上。

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