CN112213767A - 一种用于顶板超前预裂爆破效果的评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于顶板超前预裂爆破效果的评价方法，先确定波速反演区域，在实施顶板超前预裂爆破措施前，矿井微震监测系统实时接收产生的多次自发矿震，采用已知的波速反演方法对自发矿震产生的震动波进行被动CT反演，获得顶板岩体在爆破前的波速分布；接着在设定位置实施顶板超前预裂爆破，完成后重复爆破前的波速反演过程，获得顶板岩体在爆破后的波速分布；根据爆破前后被动CT反演结果，对顶板不同区域在爆破前后的波速进行对比分析，计算获得爆破区域的波速变化系数，对各个区域进行梯度分类，获得每个梯度范围内的区域面积；最后结合区域面积和波速变化系数，通过公式综合评价爆破致裂程度和致裂范围，保证致裂效果评价的精确性。

Description

一种用于顶板超前预裂爆破效果的评价方法
技术领域
本发明涉及一种用于顶板超前预裂爆破效果的评价方法，属于煤矿开采和煤矿安全技术领域。
背景技术
近年来，随着开采深度和开采强度的增大，煤矿冲击矿压问题越来越严重，其中坚硬顶板型冲击矿压主要是由于采空区上方的坚硬岩层无法垮落而形成大范围悬顶。一般情况下，为促进顶板能及时垮落，可采用超前预裂爆破破坏顶板岩层的完整性和连续性，使顶板能够及时垮落，降低冲击矿压发生的可能性。现有顶板预裂爆破效果的评价过程主要通过钻孔窥视仪观察爆破区域岩层裂隙内部发育情况，进而进行评价；但是钻孔窥视需要钻设大量的探测钻孔，从而导致施工工程量和成本较大且探测精度较低。另外，目前大部分的钻孔窥视钻孔长度一般在50m范围内，因此不适用于深孔预裂爆破(钻孔长度大于50m)致裂效果的探测。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种用于顶板超前预裂爆破效果的评价方法，通过自发矿震进行波速反演评价顶板超前预裂爆破效果，不仅无需额外钻设探测钻孔，降低施工成本及施工量，而且能有效对深孔预裂爆破的致裂效果进行探测，保证致裂效果评价的精确性。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于顶板超前预裂爆破效果的评价方法，具体步骤为：
(1)根据实施顶板超前预裂爆破的设定位置，以预裂爆破孔为中心、边长为100m的立方体范围确定为波速反演区域；
(2)在工作面两侧巷道围绕反演区域交错均匀布置数量不少于8个拾震器，同一巷道内相邻布置的拾震器水平间距在150～200m范围内，进而组成矿井微震监测系统；这种布置方式使得拾震器尽可能的有利于对反演区域形成立体全方位的监测；
(3)在实施顶板超前预裂爆破措施前，矿井微震监测系统实时接收工作面回采过程产生的多次自发矿震，每次自发矿震均会产生震动波，然后对接收到的震动波进行筛选及被动CT反演可行性条件判别，直至获取符合要求的自发矿震作为震源，最后采用已知的波速反演方法对符合要求的自发矿震产生的震动波进行被动CT反演，获得顶板岩体在爆破前的波速分布；
(4)在设定位置实施顶板超前预裂爆破，完成后矿井微震监测系统实时接收工作面回采过程产生的多次自发矿震，每次自发矿震均会产生震动波，然后对接收到的震动波进行筛选及被动CT反演可行性条件判别，直至获取符合要求的自发矿震作为震源，最后采用已知的波速反演方法对符合要求的自发矿震产生的震动波进行被动CT反演，获得顶板岩体在爆破后的波速分布；
(5)根据爆破前后被动CT反演结果，对顶板不同区域在爆破前后的波速进行对比分析，计算获得爆破区域的波速变化系数A，评估爆破预裂的致裂程度；
Figure BDA0002677656100000021
式中：A为波速变化系数；V1为爆破前的波速值；V2为爆破后的波速值；
(6)根据顶板岩体不同区域波速变化系数A，以A＝5％为梯度值进行梯度分类，即A＝0～5％为第一波速变化梯度；A＝5％～10％为第二波速变化梯度；依次类推，完成所有区域的梯度分类，根据分类结果获得每个梯度范围内的区域面积S；
(7)计算爆破预裂效果评价指标W:
Figure BDA0002677656100000022
其中：i＝1～n表示不同波速变化梯度，
Figure BDA0002677656100000023
表示当前梯度下的平均波速变化系数，Si表示当前梯度下的区域面积；SA表示所有波速变化梯度下的区域总面积；
最终计算获得W值，根据W值综合评价爆破致裂程度和致裂范围；并且W值越大，表明爆破预裂措施的致裂效果越好。
进一步，所述对接收到的震动波进行筛选及被动CT反演可行性条件判别，具体步骤为：
①自发矿震的初筛选
在工作面回采过程中会产生多次自发矿震，多个拾震器实时接收数据，提取自发矿震产生震动波的波形信号特征，筛选出波形信号接收通道数量N大于6的自发矿震，基于波形频谱信息计算筛选出的各个自发矿震产生震动波的波形信噪比(S/N)，筛选出波形信噪比(S/N)大于14dB的自发矿震；
②自发矿震的再筛选
根据矿井微震监测系统中拾震器的空间位置，对步骤①初筛选出的自发矿震进行震源空间定位，进而绘制各自发矿震及其接收拾震器的传播路径；其中传播路径穿过波速反演区域的自发矿震确定为能用于震动波被动CT反演的有效矿震；
③震动波被动CT反演可行性条件判别
将所有的有效矿震与各个拾震器之间的传播路径形成射线网，射线网的疏密程度决定震动波被动CT反演的结果准确性与效率，设定可行性条件为：筛选后的有效矿震数量要大于100个；波速反演区域内进行网格化划分后，单位网格内的射线数量要大于60条，若满足上述两个条件，则确定当前有效矿震能够达到波速反演的条件。
与现有技术相比，本发明先根据顶板超前预裂爆破的设定位置，确定波速反演区域，通过矿井微震监测系统在实施顶板超前预裂爆破措施前，实时接收工作面回采过程产生的多次自发矿震，然后对接收到的震动波进行筛选及被动CT反演可行性条件判别，直至获取符合要求的自发矿震作为震源，最后采用已知的波速反演方法对符合要求的自发矿震产生的震动波进行被动CT反演，获得顶板岩体在爆破前的波速分布；接着在设定位置实施顶板超前预裂爆破，完成后重复爆破前的波速反演过程，获得顶板岩体在爆破后的波速分布；根据爆破前后被动CT反演结果，对顶板不同区域在爆破前后的波速进行对比分析，计算获得爆破区域的波速变化系数，然后设定梯度值，对各个区域进行梯度分类，获得每个梯度范围内的区域面积；最后结合区域面积和波速变化系数，通过公式计算得出爆破预裂效果评价指标W；根据W值综合评价爆破致裂程度和致裂范围；并且W值越大，表明爆破预裂措施的致裂效果越好。因此本发明能利用自发矿震进行波速反演评价顶板超前预裂爆破效果，不仅无需额外钻设探测钻孔，降低施工成本及施工量，而且能有效对深孔预裂爆破的致裂效果进行探测，保证致裂效果评价的精确性，为后续的开采工作提供理论指导。
附图说明
图1是本发明中波速反演区域位置选择示意图；
图2是本发明中自发矿震产生震动波的波形信息图；
图3是本发明中震动波的矿震频谱特征图；
图4是本发明中自发矿震传播路径以及有效反演区域示意图；
图5是本发明中爆破前后震动波被动CT反演结果对比分析示意图。
具体实施方式
下面将对本发明作进一步说明。
如图1至图5所示，本发明的具体步骤为：
(1)根据实施顶板超前预裂爆破的设定位置，以预裂爆破孔为中心、边长为100m的立方体范围确定为波速反演区域；
(2)在工作面两侧巷道围绕反演区域交错均匀布置数量不少于8个拾震器，同一巷道内相邻布置的拾震器水平间距在150～200m范围内，进而组成矿井微震监测系统；这种布置方式使得拾震器尽可能的有利于对反演区域形成立体全方位的监测；
(3)在实施顶板超前预裂爆破措施前，矿井微震监测系统实时接收工作面回采过程产生的多次自发矿震，每次自发矿震均会产生震动波，然后对接收到的震动波进行筛选及被动CT反演可行性条件判别，直至获取符合要求的自发矿震作为震源，最后采用已知的波速反演方法对符合要求的自发矿震产生的震动波进行被动CT反演，获得顶板岩体在爆破前的波速分布；所述对接收到的震动波进行筛选及被动CT反演可行性条件判别，具体步骤为：
①自发矿震的初筛选
在工作面回采过程中会产生多次自发矿震，多个拾震器实时接收数据，提取自发矿震产生震动波的波形信号特征，筛选出波形信号接收通道数量N大于6的自发矿震，基于波形频谱信息计算筛选出的各个自发矿震产生震动波的波形信噪比(S/N)，筛选出波形信噪比(S/N)大于14dB的自发矿震；
②自发矿震的再筛选
根据矿井微震监测系统中拾震器的空间位置，对步骤①初筛选出的自发矿震进行震源空间定位，进而绘制各自发矿震及其接收拾震器的传播路径；其中传播路径穿过波速反演区域的自发矿震确定为能用于震动波被动CT反演的有效矿震；
③震动波被动CT反演可行性条件判别
将所有的有效矿震与各个拾震器之间的传播路径形成射线网，射线网的疏密程度决定震动波被动CT反演的结果准确性与效率，设定可行性条件为：筛选后的有效矿震数量要大于100个；波速反演区域内进行网格化划分后，单位网格内的射线数量要大于60条，若满足上述两个条件，则确定当前有效矿震能够达到波速反演的条件。
表1：震动波筛选及被动CT反演可行性条件判别：
Figure BDA0002677656100000051
(4)在设定位置实施顶板超前预裂爆破，完成后矿井微震监测系统实时接收工作面回采过程产生的多次自发矿震，每次自发矿震均会产生震动波，然后对接收到的震动波进行筛选及被动CT反演可行性条件判别，直至获取符合要求的自发矿震作为震源，最后采用已知的波速反演方法对符合要求的自发矿震产生的震动波进行被动CT反演，获得顶板岩体在爆破后的波速分布；
(5)根据爆破前后被动CT反演结果，对顶板不同区域在爆破前后的波速进行对比分析，计算获得爆破区域的波速变化系数A，评估爆破预裂的致裂程度；
Figure BDA0002677656100000052
式中：A为波速变化系数；V1为爆破前的波速值；V2为爆破后的波速值；
(6)根据顶板岩体不同区域波速变化系数A，以A＝5％为梯度值进行梯度分类，即A＝0～5％为第一波速变化梯度；A＝5％～10％为第二波速变化梯度；依次类推，完成所有区域的梯度分类，根据分类结果获得每个梯度范围内的区域面积S；
(7)计算爆破预裂效果评价指标W:
Figure BDA0002677656100000053
其中：i＝1～n表示不同波速变化梯度，
Figure BDA0002677656100000061
表示当前梯度下的平均波速变化系数，Si表示当前梯度下的区域面积；SA表示所有波速变化梯度下的区域总面积；
最终计算获得W值，根据W值综合评价爆破致裂程度和致裂范围；并且W值越大，表明爆破预裂措施的致裂效果越好。

Claims (2)

1.一种用于顶板超前预裂爆破效果的评价方法，其特征在于，具体步骤为：
(1)根据实施顶板超前预裂爆破的设定位置，以预裂爆破孔为中心、边长为100m的立方体范围确定为波速反演区域；
(2)在工作面两侧巷道围绕反演区域交错均匀布置数量不少于8个拾震器，同一巷道内相邻布置的拾震器水平间距在150～200m范围内，进而组成矿井微震监测系统；
(3)在实施顶板超前预裂爆破措施前，矿井微震监测系统实时接收工作面回采过程产生的多次自发矿震，每次自发矿震均会产生震动波，然后对接收到的震动波进行筛选及被动CT反演可行性条件判别，直至获取符合要求的自发矿震作为震源，最后采用已知的波速反演方法对符合要求的自发矿震产生的震动波进行被动CT反演，获得顶板岩体在爆破前的波速分布；
(4)在设定位置实施顶板超前预裂爆破，完成后矿井微震监测系统实时接收工作面回采过程产生的多次自发矿震，每次自发矿震均会产生震动波，然后对接收到的震动波进行筛选及被动CT反演可行性条件判别，直至获取符合要求的自发矿震作为震源，最后采用已知的波速反演方法对符合要求的自发矿震产生的震动波进行被动CT反演，获得顶板岩体在爆破后的波速分布；
(5)根据爆破前后被动CT反演结果，对顶板不同区域在爆破前后的波速进行对比分析，计算获得爆破区域的波速变化系数A，评估爆破预裂的致裂程度；
Figure FDA0002677656090000011
式中：A为波速变化系数；V1为爆破前的波速值；V2为爆破后的波速值；
(6)根据顶板岩体不同区域波速变化系数A，以A＝5％为梯度值进行梯度分类，即A＝0～5％为第一波速变化梯度；A＝5％～10％为第二波速变化梯度；依次类推，完成所有区域的梯度分类，根据分类结果获得每个梯度范围内的区域面积S；
(7)计算爆破预裂效果评价指标W:
Figure FDA0002677656090000021
其中：i＝1～n表示不同波速变化梯度，
Figure FDA0002677656090000022
表示当前梯度下的平均波速变化系数，Si表示当前梯度下的区域面积，SA表示所有波速变化梯度下的区域总面积；
最终计算获得W值，根据W值综合评价爆破致裂程度和致裂范围；并且W值越大，表明爆破预裂措施的致裂效果越好。
2.根据权利要求1所述的一种用于顶板超前预裂爆破效果的评价方法，其特征在于，所述对接收到的震动波进行筛选及被动CT反演可行性条件判别，具体步骤为：
①自发矿震的初筛选
在工作面回采过程中会产生多次自发矿震，多个拾震器实时接收数据，提取自发矿震产生震动波的波形信号特征，筛选出波形信号接收通道数量N大于6的自发矿震，基于波形频谱信息计算筛选出的各个自发矿震产生震动波的波形信噪比，筛选出波形信噪比大于14dB的自发矿震；
②自发矿震的再筛选
根据矿井微震监测系统中拾震器的空间位置，对步骤①初筛选出的自发矿震进行震源空间定位，进而绘制各自发矿震及其接收拾震器的传播路径；其中传播路径穿过波速反演区域的自发矿震确定为能用于震动波被动CT反演的有效矿震；
③震动波被动CT反演可行性条件判别
将所有的有效矿震与各个拾震器之间的传播路径形成射线网，射线网的疏密程度决定震动波被动CT反演的结果准确性与效率，设定可行性条件为：筛选后的有效矿震数量要大于100个；波速反演区域内进行网格化划分后，单位网格内的射线数量要大于60条，若满足上述两个条件，则确定当前有效矿震能够达到波速反演的条件。
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