CN111751873A - 一种金属矿山采空区微震波传播规律模拟试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种金属矿山采空区微震波传播规律模拟试验装置及方法，涉及采矿相关技术领域，该装置包括三维模型、刚性支架、可控震源、三分量微震传感器、微震信号采集仪和微震数据分析计算机；三维模型包括底部结构，底部结构顶部开设有矩形凹槽，矩形凹槽内用于放置可替换模块，底部结构上安装有矩形块状的顶部结构；三维模型固定放置于刚性支架内；可控震源分布于三维模型顶部，可控震源用来向三维模型传送微震波信号；三分量微震传感器分布于三维模型上；微震信号采集仪通过光纤与三分量微震传感器连接；微震数据分析计算机与微震信号采集仪连接。采用上述装置的试验方法，能够方便的模拟金属矿山采空区不同状态对微震波传播影响。
Description
技术领域
本发明涉及采矿相关技术领域，特别是涉及一种金属矿山采空区微震波传播规律模拟试验装置及方法。
背景技术
矿山开采后，采场周围岩体中应力场重新分布导致整个采场空间结构范围内岩体的变形及破坏，这是引起矿井突水、岩爆等矿山灾害发生的根本原因。微地震监测(又称微震监测)技术可以监测矿山三维空间结构内的岩体的破裂，进而分析岩体失稳规律，取得了较好的应用效果。
由于金属矿山工程地质环境的复杂性，岩体破裂微震信号经工程地质介质传播至监测点传感器过程中通常受到采空区、充填体、断层构造等因素的影响，导致原始微震信号发生变化，尤其采空区不同状态(尺寸差异、贮水体积、充填体强度)导致微震波传播速度和传播特征在各个传播介质存在较大差异，用各向同性的单一介质模型进行简化会形成较大的定位误差。因此需要对金属采空区不同状态下微震波传播的规律进行研究，从而提高微地震技术在金属矿山的定位精度。
但由于金属矿山地质岩层环境的特殊性和复杂性，以及现场实测周期较长、耗费大等因素影响，导致对采空区不同状态下微震波传播的规律进行系统的研究与分析原位监测难以全面开展。
因此，相似材料模拟试验成为模拟采空区不同状态，分析微震波传播规律的重要科学手段。基于相似模拟试验理论，将复杂的地质岩层环境通过模型上的相似再现，来研究真实对象中发生的现象和过程的规律性，可以得出相关的技术指标和参数，为实际工程的生产实践和应用提供科学依据。
传统的相似材料模拟装置一般是一次制作成型，仅能模拟同一种地质岩层环境，但是金属矿山地质环境复杂，仅采空区就有废石充填、尾砂膏体充填、爆破垮落、封闭处理等多种不同状态。因此现有金属矿山采空区不同状态的相似模拟试验装置难以满足现阶段复杂地质条件模拟的需要。
针对上述问题，如何改进现有的相似模拟试验装置，使其能够方便的模拟金属矿山不同采空区对微震波传播影响，成为亟待解决的关键问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种金属矿山采空区微震波传播规律模拟试验装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，使其能够方便的模拟金属矿山采空区不同状态对微震波传播影响。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种金属矿山采空区微震波传播规律模拟试验装置，包括三维模型、刚性支架、可控震源、三分量微震传感器、微震信号采集仪和微震数据分析计算机；所述三维模型包括底部结构，所述底部结构顶部开设有矩形凹槽，所述矩形凹槽内用于放置可替换模块，所述底部结构上安装有矩形块状的顶部结构；所述三维模型固定放置于所述刚性支架内；所述可控震源分布于所述三维模型顶部，所述可控震源用来向所述三维模型传送微震波信号；所述三分量微震传感器分布于所述三维模型上；所述微震信号采集仪通过光纤与所述三分量微震传感器连接；所述微震数据分析计算机与所述微震信号采集仪连接。
本发明还提供一种采用上述的矿山采空区微震波传播规律模拟试验装置的模拟试验方法，包括如下步骤：
步骤一；按照金属矿山围岩条件制作三维模型的底部结构、顶部结构，其中底部结构内按照可替换模块的尺寸预留安装空间；
步骤二；按照采空区不同状态制作可替换模块，通过相似模拟材料的不同，模拟采空区积水、尾矿充填等状态，通过对可替换模块钻孔模拟采空区废石充填和垮落等状态，通过在可替换模块内预留空区模拟不同的采空区尺寸；
步骤三；在三维模型上安装三分量微震传感器，在安装时使用混凝土将传感器固定在三维模型上，使传感器与三维模型充分耦合；
步骤四；将微震传感器和微震信号采集仪、微震数据分析计算机连接；
步骤五；将需要模拟的采空区状态对应的可替换模块放入底部结构预留的安装空间内，然后安装顶部结构；
步骤六；使用可控震源向三维模型传送连续振动的微震波；
步骤七；使用微震信号采集系统提取、储存微震波信号并进行分析。
可选的，所述三分量微震传感器频率范围1～1500Hz，灵敏度200V/m/s。
可选的，所述微震信号采集仪设有12通道，软件可调控采样频率为1～8000Hz；所述微震信号采集仪内设置有同步时钟。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明能够对微震波穿过采空区进行相似模拟试验，可替换模块能够模拟不同状态采空区，通过测量研究采空区不同状态下微震波的波场特征，揭示金属矿山采空区不同状态下微震波传播规律，有利于提高微地震系统在金属矿山的定位精度，为金属矿山灾害的预测、预报及控制提供保证。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明矿山采空区微震波传播规律模拟试验装置结构示意图；
图2为本发明三维模型结构示意图；
图3为模拟采空区不同尺寸空区状态的可替换模块示意图；
图4为模拟采空区积水空区状态的可替换模块示意图；
图5为模拟采空区尾砂充填空区状态的可替换模块示意图；
图6为模拟采空区废石充填空区状态的可替换模块示意图；
图7为模拟采空区垮落空区状态的可替换模块示意图；
附图标记说明：1为三维模型、101为底部结构、102为顶部结构、103为可替换模块、2为刚性支架、3为可控震源、4为三分量微震传感器、5为微震信号采集仪、6为微震数据分析计算机。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种金属矿山采空区微震波传播规律模拟试验装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，使其能够方便的模拟金属矿山不同采空区对微震波传播影响。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供一种金属矿山采空区微震波传播规律模拟试验装置，如图1-图7所示，该装置包括三维模型1、刚性支架2、可控震源3、三分量微震传感器4、微震信号采集仪5和微震数据分析计算机6；三维模型1包括底部结构101、顶部结构102和可替换模块103，通过预制不同的可替换模块103，可以模拟不同尺寸、不同储水量、不同充填体的采空区；刚性支架2包括框架、横梁，用来支撑和固定三维模型1；可控震源3用来向三维模型1传送微震波信号；三分量微震传感器4安装在三维模型1上，用来拾取试验过程中的微震信号，三分量微震传感器4频率范围1～1500Hz，灵敏度200V/m/s；微震信号采集仪5通过光纤与三分量微震传感器4连接，对微震信号进行转换处理，微震信号采集仪12通道，软件可调控采样频率为1～8000Hz，优选采样频率4000Hz，内置同步时钟；微震数据分析计算机6与微震信号采集仪5连接，用来完成微震信号的提取、存储和分析。
本发明还提供一种对金属矿山采空区不同状态对微震波传播规律影响的物理相似模拟试验的方法，该方法包括如下步骤：
步骤一，按照金属矿山围岩条件制作三维模型的底部结构、顶部结构，其中底部结构内按照可替换模块的尺寸预留安装空间；
步骤二，按照采空区不同状态制作可替换模块，如图3-图7所示，通过相似模拟材料的不同，模拟采空区积水和尾砂充填区等状态，通过对可替换模块103钻孔模拟废石充填空区和垮落空区等状态，通过在可替换模块103内预留空区模拟不同的尺寸空区状态；
步骤三，在三维模型1上安装三分量微震传感器4，在安装时使用混凝土将传感器固定在三维模型1上，使传感器与三维模型1充分耦合；
步骤四，将三分量微震传感器4和微震信号采集仪5、微震数据分析计算机6连接；
步骤五，将需要模拟的采空区状态对应的可替换模块103放入底部结构101预留的安装空间内，然后安装顶部结构102；
步骤六，使用可控震源3向三维模型1传送连续振动的微震波；
步骤七，使用微震信号采集仪5和微震数据分析计算机6提取、储存微震波信号并进行分析。
本发明通过上述装置及方法对微震波穿过采空区进行相似模拟试验，通过测量研究采空区不同状态下微震波的波场特征，揭示金属矿山采空区不同状态下微震波传播规律，有利于提高微地震系统在金属矿山的定位精度，为金属矿山灾害的预测、预报及控制提供保证。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (4)
1.一种金属矿山采空区微震波传播规律模拟试验装置，其特征在于：包括三维模型、刚性支架、可控震源、三分量微震传感器、微震信号采集仪和微震数据分析计算机；所述三维模型包括底部结构，所述底部结构顶部开设有矩形凹槽，所述矩形凹槽内用于放置可替换模块，所述底部结构上安装有矩形块状的顶部结构；所述三维模型固定放置于所述刚性支架内；所述可控震源分布于所述三维模型顶部，所述可控震源用来向所述三维模型传送微震波信号；所述三分量微震传感器分布于所述三维模型上；所述微震信号采集仪通过光纤与所述三分量微震传感器连接；所述微震数据分析计算机与所述微震信号采集仪连接。
2.一种采用权利要求1所述的金属矿山采空区微震波传播规律模拟试验装置的模拟试验方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一；按照金属矿山围岩条件制作三维模型的底部结构、顶部结构，其中底部结构内按照可替换模块的尺寸预留安装空间；
步骤二；按照采空区不同状态制作可替换模块，通过相似模拟材料的不同，模拟采空区积水、尾矿充填等状态，通过对可替换模块钻孔模拟采空区废石充填和垮落等状态，通过在可替换模块内预留空区模拟不同的采空区尺寸；
步骤三；在三维模型上安装三分量微震传感器，在安装时使用混凝土将传感器固定在三维模型上，使传感器与三维模型充分耦合；
步骤四；将微震传感器和微震信号采集仪、微震数据分析计算机连接；
步骤五；将需要模拟的采空区状态对应的可替换模块放入底部结构预留的安装空间内，然后安装顶部结构；
步骤六；使用可控震源向三维模型传送连续振动的微震波；
步骤七；使用微震信号采集系统提取、储存微震波信号并进行分析。
3.根据权利要求2所述的金属矿山采空区微震波传播规律模拟试验方法，其特征在于：所述三分量微震传感器频率范围1～1500Hz，灵敏度200V/m/s。
4.根据权利要求2所述的金属矿山采空区微震波传播规律模拟试验方法，其特征在于：所述微震信号采集仪设有12通道，软件可调控采样频率为1～8000Hz；所述微震信号采集仪内设置有同步时钟。
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| 王帅等: "矿震和采空区影响下围岩动力响应模型试验", 《爆炸与冲击》, 31 January 2019 (2019-01-31), pages 2 - 6 * |
| 童亨茂等: "张巨河复杂断块区构造变形物理模拟", 《石油大学学报(自然科学版)》 * |
| 童亨茂等: "张巨河复杂断块区构造变形物理模拟", 《石油大学学报(自然科学版)》, no. 03, 5 June 1997 (1997-06-05), pages 12 - 17 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114137604A (zh) * | 2021-11-30 | 2022-03-04 | 矿冶科技集团有限公司 | 岩体破裂失稳原位微震测试方法及系统 |
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