CN111337575A - 一种可变震源形式+能量的震动穿层传播研究试验平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变震源形式+能量的震动穿层传播研究试验平台，包括震源部分、地层介质部分以及监测分析部分；震源部分包括点震源、线震源以及面震源，地层介质部分用于模拟点震源、线震源以及面震源实现点、线以及面接触，监测分析部分用于监测点、线以及面接触产生的震动数据并用于进行强矿震对地面的震动损害预测和分析。本发明的“可变震源形式+能量的震动穿层传播研究试验平台”可以模拟和监测不同震源形式及其能量衰减规律。平台主要由“地层传播介质模拟装置”、“震源形式和能量变换装置”及“其辅助控制系统和震动监测采集设备”等3部分组成，三部分系统即相互独立又能够组成系统，在系统制备、组装和维护等方面均有优势。

Description

一种可变震源形式+能量的震动穿层传播研究试验平台

技术领域

本发明涉及巨厚硬岩矿井开采地面损害评估预测技术领域，尤其涉及一种可变震源形式+能量的震动穿层传播研究试验平台。

背景技术

随着浅埋煤炭资源不断枯竭和开采强度及深度逐渐增加，矿震等矿井动力灾害频发，仍是煤炭开采领域面临的主要问题之一，受到了国内外政府部门、生产单位和科研人员持续关注。

截止2019年底，我国报道的矿震或冲击地压矿井数量接近190座。矿震发生与采场上覆厚硬关键层运动状态关系密切，厚硬关键层断裂及其覆岩空间结构失稳均会引起不同强度的矿震。我国山东、河南、安徽和内蒙古等地区均有巨厚硬岩(或称为巨厚岩层)分布，巨厚硬岩具有厚度大(单层厚度几十米甚至上百米)、强度高、整体性好和距离煤层远等特点，采场上覆巨厚硬岩瞬间失稳所形成的矿震称之为“巨厚硬岩断裂型矿震”，巨厚硬岩断裂型矿震通常具有“断裂尺度大”(震源不能简单视为“点震源”或“球型震源”)、“释放能量高”(通常震源能级超过10⁵J)和“震动传播距离远”等特点，此类矿震的震动影响范围能够达到上千米甚至更远，因此，巨厚硬岩矿井存在2类典型动力灾害形式：井下冲击地压和地面震动损害。

我国多个地(矿)区发生和报道了矿震新闻或事故，随着巨厚硬岩矿井开采规模和强度的不断增加，一方面，开采形成巨厚硬岩悬顶结构的时间更短、范围更大，另一方面，开采扰动造成老采空区边界煤岩体失稳，可能引起老空区巨厚硬岩断裂失稳，预计未来一段时间内我国强矿震发生的频次和程度必将呈爆发式增长态势，强矿震除了可能诱发井下冲击地压等灾害之外，还对地面建(构)筑物安全构成潜在威胁，给矿区居民造成了心理“恐慌”，矿震已由采矿安全问题逐步演化成公共安全问题，成为影响矿井安全生产和制约矿区和谐发展的瓶颈问题，以兖矿东滩煤矿为例，六采区巨厚红层超过100m、距3煤约450m，6303工作面推采过程中，2019年1月2日、8日、19日、24日和29日连续发生了2.41、2.12、2.23、2.21、2.36级强矿震，造成矿区及周边区域地面“强烈震感”，引起了山东省政府、邹城市政府和当地居民的担忧和恐慌，矿井也因此被迫停产分析，虽没有造成地面严重损害，但类似的矿震地面震动损害预测问题迫切需要研究。

针对矿震引起地面(震动)损害预测方面，专门的研究方法和成果还不系统，特别是巨厚硬岩断裂引起地面震动损害的预测理论和方法。当前开采地面损害预测还是以地表沉降、岩层移动规律等理论和方法为基础，主要是上个世纪早期研究成果，注重开采覆岩缓慢性沉降与移动的特征，由地表沉降和岩层移动等造成“地面移动损害”具有“迟滞性”特点，未充分考虑巨厚硬岩瞬间断裂诱发的强矿震对地面“震动损坏”影响(强矿震对地面的震动损害具有“瞬时性”特点)，开采地面损害预测必须同时考虑上述两方面因素。

相关实验室已开展了“爆破模拟诱发矿震”等试验，即通过在地层介质中装药爆破和布置震动监测，模拟矿震的震动传播和分析震动损害效应，此类试验方案不适用于本项目研究或存在一定的不足：①具有一定的爆破安全性问题；②介于国家对爆破器材和火工产品的管制，采用爆破试验具有一定的难度；③模拟地层经爆破后发生介质损伤和性质改变，重复性试验效果差和无法完成对比分析；④该类试验方法适用于“点震源”分析，无法实现“线震源”和“面震源”震源模型。

基于此，现急需一种可变震源形式+能量的震动穿层传播研究试验平台，通过“地层传播介质模拟装置”、“震源形式和能量变换装置”及“其辅助控制系统和震动监测采集设备”，模拟和监测不同震源形式及其能量衰减规律。

上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。

发明内容

本发明的主要目的在于提供了一种可变震源形式+能量的震动穿层传播研究试验平台，通过“地层传播介质模拟装置”、“震源形式和能量变换装置”及“其辅助控制系统和震动监测采集设备”，模拟和监测不同震源形式及其能量衰减规律。

为实现上述目的，本发明提供了一种可变震源形式+能量的震动穿层传播研究试验平台，包括震源部分、地层介质部分以及监测分析部分；所述震源部分包括点震源、线震源以及面震源，所述地层介质部分用于模拟点震源、线震源以及面震源实现点、线以及面接触，所述监测分析部分用于监测点、线以及面接触产生的震动数据并用于进行强矿震对地面的震动损害预测和分析。

优选的，还包括震源控制部分，所述震源控制部分用于改变点震源、线震源以及面震源的位置，所述位置包括竖直高度以及距离地层介质部分的横向以及纵向距离。

优选的，所述震源控制部分具体包括震源能量变化支架、可移动纵向固定支架、升降钢丝绳以及轻型滑轮装置，所述可移动纵向固定支架滑动安装于所述地层介质部分的框架上用于实现改变横向距离，所述可移动纵向固定支架上设有若干固定孔，所述震源能量变化支架的底部通过某个固定孔竖直安装固定在所述可移动纵向固定支架上，所述震源能量变化支架沿高度方向上设有若干高度调节孔，在设定高度的所述高度调节孔内通过升降钢丝绳连接轻型滑轮装置，轻型滑轮装置下端连接点震源、线震源以及面震源。

优选的，还包括可移动电磁控制调节阀，所述可移动电磁控制调节阀用于控制升降钢丝绳实现微调节。

优选的，所述地层介质部分具体包括试验平台框架结构、相似模拟的介质墙体，所述相似模拟的介质墙体安装于试验平台框架结构内。

优选的，所述相似模拟的介质墙体为通过相似材料模拟试验配比的方法，按照实际地层的高度和试验平台的尺寸进行配比，并按照“倒序”顺序从下而上铺设形成。

优选的，所述监测分析部分包括高灵敏三维震动传感器、震动数据采集存储设备以及数据分析处理主机，所述高灵敏三维震动传感器安装于地层介质部分的震动监测安装点上用于收集震动数据，所述震动数据采集存储设备与高灵敏三维震动传感器相连用于存储采集数据，所述数据分析处理主机与震动数据采集存储设备相连接收震动数据，所述数据分析处理主机通过分析震动数据来进行强矿震对地面的震动损害预测和分析。

优选的，所述点震源、线震源以及面震源分别为球型落体、窄面平面型落体以及宽面长条型落体。

优选的，所述地层介质部分的表面光滑。

优选的，所述点震源模型公式为：

Ur为震动波传播一定距离后的能量；U为震源总能量；r为震动波传播空间距离；λ为与地层介质等有关的衰减常数，一般情况λ＞1；

所述线震源模型公式为：假定厚硬岩层破断裂长度(水平断裂尺度)为b，总能量U沿破断线均匀分布，无限分割的微小震源dU＝(U/b)dy在P点仍满足“点震源”衰减规律

全长b范围“线震源”在P点的震动衰减，为所有微小点震源dU＝(U/b)dy震动效应的叠加，即求解dUr从y＝-b/2到y＝b/2的定积分，总能量不变的等效“线震源”传播衰减理论表达为

X、Y为考察点在考察面上距离对应坐标的垂直距离；

所述面震源模型公式为：假定厚硬岩层破裂面尺度为S(破裂面近似为矩形，长度和高度为a、b)，总能量U沿破裂面均匀分布，无限分割的微小震源dU＝(U/S)dS在P点仍满足“点震源”衰减规律

全断面S范围“面震源”在P点的震动衰减，为所有微小点震源dU＝(U/S)dS震动效应的叠加，即求解dUr从x＝-a/2到x＝a/2、y＝-b/2到y＝b/2的定积分，总能量不变的等效“面震源”传播衰减理论表达式

Z为考察点在考察面上距离破裂面垂直距离。

本发明的“可变震源形式+能量的震动穿层传播研究试验平台”可以模拟和监测不同震源形式及其能量衰减规律。平台主要由“地层传播介质模拟装置”、“震源形式和能量变换装置”及“其辅助控制系统和震动监测采集设备”等3部分组成，三部分系统即相互独立又能够组成系统，在系统制备、组装和维护等方面均有优势。

附图说明

图1是实施例中的可变震源形式+能量的震动穿层传播研究试验平台的功能结构示意图；

图2为图1中的震源控制部分的侧视图；

图3为实施例中的点震源模型示意图；

图4为实施例中的线震源模型示意图；

图5为实施例中的面震源模型示意图。

图中，1为点震源，2为线震源，3为面震源，4为震源能量变化支架，5为可移动纵向固定支架，6为可移动电磁控制调节阀，7为升降钢丝绳，8为轻型滑轮装置，9为高度调节孔，10为试验平台框架结构，11为相似模拟的介质墙体，12为震动监测安装点，13为高灵敏三维震动传感器，14为震动数据采集存储设备，15为数据分析处理主机。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

巨厚硬岩断裂型矿震震源模型与巨厚硬岩断裂尺度、断裂位置到考察点的相对距离等有关，以“点震源”模型为例，描述巨厚硬岩断裂型矿震地面“移动-震动”损害(边界)的模型，巨厚硬岩矿井开采地面损害预测，除了考虑岩层移动或地面沉降引起的“移动损害”之外，还需要分析巨厚硬岩断裂(强矿震)引起的地面“震动损害”。

为此，以下实施例在于探索巨厚硬岩断裂型矿震地面震动损害物理实验模型，为我国巨厚硬岩矿井开采地面损害评估预测提供基础试验平台，填补相关空白。

实施例1

参见图1-2：本实施例提供了一种可变震源形式+能量的震动穿层传播研究试验平台，包括震源部分、地层介质部分以及监测分析部分；所述震源部分包括点震源1、线震源2以及面震源3，所述地层介质部分用于模拟点震源1、线震源2以及面震源3实现点、线以及面接触，所述监测分析部分用于监测点、线以及面接触产生的震动数据并用于进行强矿震对地面的震动损害预测和分析。

本实施例的试验平台可以模拟相同震源形式、不同震源能量，不同震源形式、相同震源能量等条件下的多组对比试验。

进一步的，还包括震源控制部分，所述震源控制部分用于改变点震源1、线震源2以及面震源3的位置，所述位置包括竖直高度以及距离地层介质部分的横向以及纵向距离。

本实施例通过震源控制部分来调节震源的位置关系，当震源的高度越高，能量越大，高度越低，能量越小。另外，控制震源的横向、纵向距离也可以调节监测距离的远近，从而更加利于监控震动数据。

在一具体的实例中，所述震源控制部分具体包括震源能量变化支架4、可移动纵向固定支架5、升降钢丝绳7以及轻型滑轮装置8，所述可移动纵向固定支架5滑动安装于所述地层介质部分的框架上用于实现改变横向距离，所述可移动纵向固定支架5上设有若干固定孔，所述震源能量变化支架4的底部通过某个固定孔竖直安装固定在所述可移动纵向固定支架5上，所述震源能量变化支架4沿高度方向上设有若干高度调节孔9，在设定高度的所述高度调节孔9内通过升降钢丝绳7连接轻型滑轮装置，轻型滑轮装置8下端连接点震源1、线震源2以及面震源3。

本实施例通过可移动纵向固定支架5上的固定孔来调节纵向距离，通过可移动纵向固定支架5在滑动安装于所述地层介质部分的框架上用于实现改变横向距离，另外，通过高度调节孔9可以实现震源的高度粗调节，通过升降钢丝绳7以及轻型滑轮装置8可以实现震源高度的微调节。

进一步的，还包括可移动电磁控制调节阀6，所述可移动电磁控制调节阀6用于控制升降钢丝绳7实现微调节。

本实施例通过可移动电磁控制调节阀能够自动实现震源高度的微调节，从而排除人为因素造成的实验结果误差，提高试验数据的准确度与可信度。

进一步的，所述地层介质部分具体包括试验平台框架结构10、相似模拟的介质墙体11，所述相似模拟的介质墙体11安装于试验平台框架结构10内。

优选的，所述相似模拟的介质墙体11为通过相似材料模拟试验配比的方法，按照实际地层的高度和试验平台的尺寸进行配比，并按照“倒序”顺序从下而上铺设形成。

本实施例通过相似材料配比实现厚硬岩层至地表岩层介质的模拟。

优选的，所述监测分析部分包括高灵敏三维震动传感器13、震动数据采集存储设备14以及数据分析处理主机15，所述高灵敏三维震动传感器13安装于地层介质部分的震动监测安装点12上用于收集震动数据，所述震动数据采集存储设备14与高灵敏三维震动传感器13相连用于存储采集数据，所述数据分析处理主机15与震动数据采集存储设备14相连接收震动数据，所述数据分析处理主机15通过分析震动数据来进行强矿震对地面的震动损害预测和分析。

本实施例采用高精度三维震动传感器监测震动损害指标等参数，试验和模拟研究震动穿层传播的能量衰减规律，对比“点震源”、“线震源”和“面震源”三类震源形式在相同传播介质和距离、不同震源能量情况下，震动损害指标之间的差异性，并在大量实验数据统计分析基础上，建立不同矿震震源与震动损害指标和影响距离的联系，为地面震动损害预测模型和表达提供依据。

需要说明的是，本实施例可采用质点速度、频率和加速度等震动强度因子，定性分析震动损害大小。另外，本实施例的震动监测安装点可以为若干个，每个震动监测安装点均安装一个高灵敏三维震动传感器用于监测采集震动数据。

优选的，所述点震源1、线震源2以及面震源3分别为球型落体、窄面平面型落体以及宽面长条型落体。

本实施例通过三种不同落体模拟三类震源形式：球型落体能够与模拟地层实现“点”接触，实现“点震源”模拟；窄面平面型落体能够与模拟地层实现“线”接触，实现“线震源”模拟；宽面长条型落体能够与模拟地层实现“面”接触，实现“面震源”模拟；不同落体设计需要满足同能量(便于对不同震源形式和能量对比试验和分析)和接触面光滑等要求，即球型落体、窄面平面型落体以及宽面长条型落体可以设置重量相同、落地高度相同或者重量不同、落地高度不同而总重力势能相同。

进一步的，所述地层介质部分的表面光滑，防止震源下落撞击产生额外的摩擦损耗一部分能量，提高测试的准确度。

参见图3-5：具体的，所述点震源模型公式为：

Ur为震动波传播一定距离后的能量；U为震源总能量；r为震动波传播空间距离；λ为与地层介质等有关的衰减常数，一般情况λ＞1；

所述线震源模型公式为：假定厚硬岩层破断裂长度(水平断裂尺度)为b，总能量U沿破断线均匀分布，无限分割的微小震源dU＝(U/b)dy在P点仍满足“点震源”衰减规律

全长b范围“线震源”在P点的震动衰减，为所有微小点震源dU＝(U/b)dy震动效应的叠加，即求解dUr从y＝-b/2到y＝b/2的定积分，总能量不变的等效“线震源”传播衰减理论表达为

X、Y为考察点在考察面上距离对应坐标的垂直距离；

所述面震源模型公式为：假定厚硬岩层破裂面尺度为S(破裂面近似为矩形，长度和高度为a、b)，总能量U沿破裂面均匀分布，无限分割的微小震源dU＝(U/S)dS在P点仍满足“点震源”衰减规律

全断面S范围“面震源”在P点的震动衰减，为所有微小点震源dU＝(U/S)dS震动效应的叠加，即求解dUr从x＝-a/2到x＝a/2、y＝-b/2到y＝b/2的定积分，总能量不变的等效“面震源”传播衰减理论表达式

Z为考察点在考察面上距离破裂面垂直距离。

本实施例在理论研究和数值模拟的基础上，通过试验平台的数据进行厚硬岩层瞬间岩断裂的力学模型，以此作为“点震源”、“线震源”和“面震源”的矿震震源模型及其能量传播理论研究提供基础。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如只读存储器/随机存取存储器、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端设备(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种可变震源形式+能量的震动穿层传播研究试验平台，其特征在于，包括震源部分、地层介质部分以及监测分析部分；所述震源部分包括点震源、线震源以及面震源，所述地层介质部分用于模拟点震源、线震源以及面震源实现点、线以及面接触，所述监测分析部分用于监测点、线以及面接触产生的震动数据并用于进行强矿震对地面的震动损害预测和分析。

2.如权利要求1所述的可变震源形式+能量的震动穿层传播研究试验平台，其特征在于，还包括震源控制部分，所述震源控制部分用于改变点震源、线震源以及面震源的位置，所述位置包括竖直高度以及距离地层介质部分的横向以及纵向距离。

3.如权利要求2所述的可变震源形式+能量的震动穿层传播研究试验平台，其特征在于，所述震源控制部分具体包括震源能量变化支架、可移动纵向固定支架、升降钢丝绳以及轻型滑轮装置，所述可移动纵向固定支架滑动安装于所述地层介质部分的框架上用于实现改变横向距离，所述可移动纵向固定支架上设有若干固定孔，所述震源能量变化支架的底部通过某个固定孔竖直安装固定在所述可移动纵向固定支架上，所述震源能量变化支架沿高度方向上设有若干高度调节孔，在设定高度的所述高度调节孔内通过升降钢丝绳连接轻型滑轮装置，轻型滑轮装置下端连接点震源、线震源以及面震源。

4.如权利要求3所述的可变震源形式+能量的震动穿层传播研究试验平台，其特征在于，还包括可移动电磁控制调节阀，所述可移动电磁控制调节阀用于控制升降钢丝绳实现微调节。

5.如权利要求1所述的可变震源形式+能量的震动穿层传播研究试验平台，其特征在于，所述地层介质部分具体包括试验平台框架结构、相似模拟的介质墙体，所述相似模拟的介质墙体安装于试验平台框架结构内。

6.如权利要求5所述的可变震源形式+能量的震动穿层传播研究试验平台，其特征在于，所述相似模拟的介质墙体为通过相似材料模拟试验配比的方法，按照实际地层的高度和试验平台的尺寸进行配比，并按照“倒序”顺序从下而上铺设形成。

7.如权利要求1所述的可变震源形式+能量的震动穿层传播研究试验平台，其特征在于，所述监测分析部分包括高灵敏三维震动传感器、震动数据采集存储设备以及数据分析处理主机，所述高灵敏三维震动传感器安装于地层介质部分的震动监测安装点上用于收集震动数据，所述震动数据采集存储设备与高灵敏三维震动传感器相连用于存储采集数据，所述数据分析处理主机与震动数据采集存储设备相连接收震动数据，所述数据分析处理主机通过分析震动数据来进行强矿震对地面的震动损害预测和分析。

8.如权利要求1所述的可变震源形式+能量的震动穿层传播研究试验平台，其特征在于，所述点震源、线震源以及面震源分别为球型落体、窄面平面型落体以及宽面长条型落体。

9.如权利要求1所述的可变震源形式+能量的震动穿层传播研究试验平台，其特征在于，所述地层介质部分的表面光滑。

10.如权利要求1所述的可变震源形式+能量的震动穿层传播研究试验平台，其特征在于，所述点震源模型公式为：

Ur为震动波传播一定距离后的能量；U为震源总能量；r为震动波传播空间距离；λ为与地层介质等有关的衰减常数，一般情况λ＞1；

所述线震源模型公式为：假定厚硬岩层破断裂长度(水平断裂尺度)为b，总能量U沿破断线均匀分布，无限分割的微小震源dU＝(U/b)dy在P点仍满足“点震源”衰减规律

全长b范围“线震源”在P点的震动衰减，为所有微小点震源dU＝(U/b)dy震动效应的叠加，即求解dUr从y＝-b/2到y＝b/2的定积分，总能量不变的等效“线震源”传播衰减理论表达为

X、Y为考察点在考察面上距离对应坐标的垂直距离；

所述面震源模型公式为：假定厚硬岩层破裂面尺度为S(破裂面近似为矩形，长度和高度为a、b)，总能量U沿破裂面均匀分布，无限分割的微小震源dU＝(U/S)dS在P点仍满足“点震源”衰减规律

全断面S范围“面震源”在P点的震动衰减，为所有微小点震源dU＝(U/S)dS震动效应的叠加，即求解dUr从x＝-a/2到x＝a/2、y＝-b/2到y＝b/2的定积分，总能量不变的等效“面震源”传播衰减理论表达式

Z为考察点在考察面上距离破裂面垂直距离。

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