CN112630826A - 一种基于微震监测的工作面采动倾向影响范围的确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于微震监测的工作面采动倾向影响范围的确定方法，利用已有的微震监测系统，采集工作面连续回采范围内工作面及周围的自然矿震信号，确定震源位置及能量；进而确定采动诱发矿震分布范围；以间距a将范围内分成多个倾向分区；然后分别统计运输巷道侧和回风巷道侧各个倾向分区内矿震总能量及矿震总频次；并绘制各个倾向分区的矿震总能量分布曲线和矿震总频次分布曲线；对两条曲线进行归一化处理，最后在归一化的矿震总能量和总频次变化曲线上分别标记出工作面的倾向范围，并分别计算确定采动诱发矿震分布范围内符合条件的倾向分区中距运输巷道的最远倾向距离dym和dxn，最终得出工作面运输巷道侧和回风巷道侧的采动侧向影响范围。

Description

一种基于微震监测的工作面采动倾向影响范围的确定方法
技术领域
本发明涉及一种工作面采动倾向影响范围的确定方法，具体是一种基于微震监测的工作面采动倾向影响范围的确定方法。
背景技术
随着我国浅部煤炭资源的日益枯竭，矿井大多转入深部开采，在自重应力及构造应力等作用下，深部采场应力环境不断恶化，冲击地压等动力灾害频繁发生，严重威胁了矿井的安全生产及人员的生命安全。井下采煤工作面生产使周围煤岩体静载应力重新分布且覆岩破断会对其产生一定的动载扰动。工作面回采过程中其倾向采动影响范围的确定对工作面，尤其是深部具有冲击地压和煤与瓦斯突出危险的工作面采掘布局、冲击危险区域的判别及卸压解危措施的实施等至关重要。目前，采煤工作面采动倾向影响范围的确定方法主要有理论分析、数值计算和实验室模拟等。然而，上述理论分析、数值计算方法及实验室模拟等方法往往对现场条件进行了大量简化处理，与实际复杂赋存条件和力学性质差异较大，往往达不到理想效果。
目前，较多矿井尤其具有冲击地压等灾害危险矿井均安装了微震监测系统，能够实现矿井微震事件的有效监测，微震监测技术已是冲击地压等动力灾害研究的一个重要手段。工作面矿震、冲击地压及煤与瓦斯突出等显现均是煤岩体静载和工作面采动动载耦合作用的结果。因此，通过分析工作面回采过程中倾向方向上矿震分布情况可较为准确的得到工作面采动倾向影响范围。但是目前还没有利用微震监测系统进行采煤工作面采动倾向影响范围的确定方法。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于微震监测的工作面采动倾向影响范围的确定方法，无需额外增加监测设备，便能较为准确的得到工作面采动倾向影响范围，为矿井采掘设计、冲击危险区域识别及卸压解危措施的实施等提供重要数据支撑。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于微震监测的工作面采动倾向影响范围的确定方法，具体步骤为：
(1)利用矿井已有微震监测系统，采集工作面连续回采一定距离l2范围内工作面及其周围的自然矿震信号，并将各个自然矿震信号采用已知处理方法确定其矿震震源位置及其能量；
(2)根据步骤(1)得出的矿震震源位置，运输巷道和回风巷道之间的工作面倾向长度确定为采动诱发矿震分布范围L1；在运输巷道外侧沿倾向距离运输巷道最远的矿震震源位置，确定为采动诱发矿震分布范围L2，在回风巷道外侧沿倾向距离回风巷道最远的矿震震源位置，确定为采动诱发矿震分布范围L3；
(3)以工作面倾向长度的中点为基点，沿倾向将其运输巷道侧
Figure BDA0002816545220000021
范围和回风巷道侧
Figure BDA0002816545220000022
范围均各自以间距a进行等分，分别得到x和y个倾向分区并分别进行标号，计算方法为；
Figure BDA0002816545220000023
Figure BDA0002816545220000024
其中，x为运输巷道侧
Figure BDA0002816545220000025
范围内倾向分区的数量，个；y为回风巷道侧
Figure BDA0002816545220000026
范围内倾向分区的数量，个；
(4)分别计算各个倾向分区的中线距基点的倾向距离di，具体计算为：
运输巷道侧
Figure BDA0002816545220000027
回风巷道侧
Figure BDA0002816545220000028
其中，Dxi为运输巷道侧
Figure BDA0002816545220000029
范围内各个倾向分区中线距基点的倾向距离，m；Dyi为回风巷道侧
Figure BDA00028165452200000210
范围内各个倾向分区中线距基点的倾向距离，m；
(5)根据步骤(1)得出的矿震震源位置及其能量，并结合步骤(3)确定的各个倾向分区，分别统计运输巷道侧和回风巷道侧各个倾向分区内矿震总能量Exi及矿震总频次Qyi，然后以步骤(4)确定的各个倾向分区距基点的间距Dxi和Dyi为横坐标，以各个倾向分区内矿震总能量Exi及矿震总频次Qyi分别为纵坐标绘制两条分布曲线，分别为各个倾向分区的矿震总能量分布曲线和矿震总频次分布曲线；
(6)将步骤(5)绘制出的两条曲线数据除以各自纵坐标最大值进行归一化处理，分别得出矿震总能量归一化分布曲线和矿震总频次归一化分布曲线，具体公式为：
Figure BDA0002816545220000031
Figure BDA0002816545220000032
Figure BDA0002816545220000033
Figure BDA0002816545220000034
其中，Emax为各个倾向分区中的总能量最大值，J；Qmax为各个倾向分区中的总频次最大值，个；Exi为运输巷道侧
Figure BDA0002816545220000035
范围内各个倾向分区的总能量，J；Eyi为回风巷道侧
Figure BDA0002816545220000036
范围内各个倾向分区的总能量，J；Qxi为运输巷道侧
Figure BDA0002816545220000037
范围内各个倾向分区的总频次，个；Qyi为回风巷道侧
Figure BDA0002816545220000038
范围内各个倾向分区的总频次，个；R(Exi)为运输巷道侧
Figure BDA0002816545220000039
范围内各个倾向分区的总能量除以总能量最大值的相对值；R(Eyi)为回风巷道侧
Figure BDA00028165452200000310
范围内各个倾向分区的总能量除以总能量最大值的相对值；R(Qxi)为运输巷道侧
Figure BDA00028165452200000311
范围内各个倾向分区的总频次除以总频次最大值的相对值；R(Qyi)为回风巷道侧
Figure BDA00028165452200000312
范围内各个倾向分区的总频次除以总频次最大值的相对值；
(7)在归一化的矿震总能量和总频次变化曲线上分别标记出工作面的倾向范围，并分别确定R(Exi)/R(Eyi)≥0.1和R(Qxi)/R(Qyi)≥0.1的区域为受工作面采动影响区域，然后计算采动诱发矿震分布范围L2内R(Exi)/R(Eyi)≥0.1或R(Qxi)/R(Qyi)≥0.1的倾向分区中距运输巷道的最远倾向距离，该距离确定为工作面运输巷道侧的采动侧向影响范围dym，计算采动诱发矿震分布范围L3内R(Exi)/R(Eyi)≥0.1或R(Qxi)/R(Qyi)≥0.1的倾向分区中距回采巷道的最远倾向距离，该距离确定为工作面回采巷道侧的采动侧向影响范围dxn，计算方法为：
Figure BDA00028165452200000313
Figure BDA0002816545220000041
其中，dym和dxn分别为工作面运输巷道侧和回风巷道侧的采动侧向影响范围，m；m为采动诱发矿震分布范围L2内R(Exi)/R(Eyi)≥0.1或R(Qxi)/R(Qyi)≥0.1的倾向分区中距运输巷道的最远的分区标号；n为采动诱发矿震分布范围L3内R(Exi)/R(Eyi)≥0.1或R(Qxi)/R(Qyi)≥0.1的倾向分区中距回风巷道的最远的分区标号；L1为工作面的倾向长度，m；
最终根据获得dym和dxn值得出工作面运输巷道侧和回风巷道侧的采动侧向影响范围。
进一步，所述步骤(1)中工作面连续回采l2区域中距离工作面切眼的最近距离l1≥工作面倾向长度L1。限定这个距离是当走向距离超过工作面的倾向长度后，能保证工作面回采进入稳定阶段，从而也能降低对矿震信号采集的影响。
进一步，所述步骤(1)中工作面连续回采l2区域过程中工作面采高和回采速度均保持一致。通过这种设置，降低不同开采参数对采集矿震信号的影响。
进一步，所述步骤(1)采集的自然矿震信号为通过已知方法将干扰波剔除后的矿震信号。保证能采集到准确的矿震信号。
进一步，所述步骤(3)中的间距a为5m～10m。
与现有技术相比，本发明利用井下已有的微震监测系统，采集工作面连续回采一定距离l2范围内工作面及其周围的自然矿震信号，确定震源位置及能量；根据震源位置分布，确定采动诱发矿震分布范围L1、L2和L3；然后以工作面倾向长度的中点为基点形成两个范围，并以间距a将两个范围内分成x和y个倾向分区；同时确定各个倾向分区与基点的倾向距离；然后分别统计运输巷道侧和回风巷道侧各个倾向分区内矿震总能量Exi及矿震总频次Qyi；并以各个倾向分区距基点的间距Dxi和Dyi为横坐标，以各个倾向分区内矿震总能量Exi及矿震总频次Qyi分别为纵坐标绘制各个倾向分区的矿震总能量分布曲线和矿震总频次分布曲线；对两条曲线进行归一化处理，最后在归一化的矿震总能量和总频次变化曲线上分别标记出工作面的倾向范围，并分别计算确定采动诱发矿震分布范围L2和L3内R(Exi)/R(Eyi)≥0.1或R(Qxi)/R(Qyi)≥0.1倾向分区中距运输巷道的最远倾向距离dym和dxn，最终得出工作面运输巷道侧和回风巷道侧的采动侧向影响范围。本发明可操作性强，实现了对微震监测数据进一步挖掘和应用，无需额外增加监测设备即可确定工作面两侧的采动倾向影响范围，在指导采(盘)区及工作面采掘布局优化、冲击危险区域识别及卸压解危措施的实施方面具有重要意义。
附图说明
图1是本发明确定工作面采动倾向影响范围计算过程示意图；
图2是本发明实施例1中工作面回采过程中监测到的矿震分布图；
图3是本发明实施例1中工作面倾向矿震总能量和总频次变化曲线图；
图4是本发明实施例1中归一化的工作面倾向矿震总能量和总频次变化曲线图。
具体实施方式
下面将对本发明作进一步说明。
实施例1：本实施例针某矿三盘区首采302工作面，平均埋深超过900m，煤层具有强冲击倾向性，工作面经评价具有强冲击危险，工作面的倾向长度190m，设计采放高度9.0m。工作面前期已回采l1＝280m，在2020年9月-11月期间连续回采了370m，如图2所示,。该矿已安装高精度SOS微震监测系统，为了后续工作面采掘布局优化、冲击危险区域识别及卸压措施优化等，采用本发明确定三盘区首采302工作面采动倾向影响范围，具体步骤为：。
(1)利用矿井SOS微震监测系统采集了302工作面连续回采l2＝370m过程中工作面内及周围共3389个自然矿震信号，并利用矿震分析软件计算了各矿震震源平面位置及能量；
(2)根据步骤(1)得到的矿震分布，确定工作面采动诱发矿震在运输巷道侧分布范围L2＝160m和回风巷道侧分布范围L3＝190m；
(3)以工作面倾向长度的中点为基点，沿倾向将其运输巷道侧
Figure BDA0002816545220000051
范围和回风巷道侧
Figure BDA0002816545220000052
范围按间距5m进行等分，分别得到x＝51和y＝57个分区并分别进行标号；
(4)分别计算运输巷道侧和回风巷道侧各个倾向分区中线距基点的倾向距离Dxi＝2.5,7.5,12.5,…,252.5m，Dyi＝2.5,7.5,12.5,…,282.5m；
(5)根据步骤(1)得出的矿震震源位置及其能量，并结合步骤(3)确定的各个倾向分区，分别统计运输巷道侧和回风巷道侧各个倾向分区内矿震总能量Exi及矿震总频次Qyi，然后以步骤(4)确定的各个倾向分区距基点的间距Dxi和Dyi为横坐标，以各个倾向分区内矿震总能量Exi及矿震总频次Qyi分别为纵坐标绘制两条分布曲线，分别为各个倾向分区的矿震总能量分布曲线和矿震总频次分布曲线，如图3所示；
(6)将步骤(5)绘制出的两条曲线数据除以各自纵坐标最大值进行归一化处理，其中Emax＝792554J，Qmax＝85个，分别得出矿震总能量归一化分布曲线和矿震总频次归一化分布曲线，如图4所示；
(7)在归一化的矿震总能量和总频次变化曲线上分别标记出工作面的倾向范围，并分别确定R(Exi)/R(Eyi)≥0.1和R(Qxi)/R(Qyi)≥0.1的区域为受工作面采动影响区域，然后计算得到微震总能量的曲线dym＝80m和dxn＝140m，微震总频次的曲线dym＝95m和dxn＝105m，取各自最大值，确定工作面运输巷道侧和回风巷道侧的采动侧向影响范围分别为95m和140m。
以上所述实施例仅为清楚说明本发明所作的举例，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于微震监测的工作面采动倾向影响范围的确定方法，其特征在于，具体步骤为：
(1)利用矿井已有微震监测系统，采集工作面连续回采一定距离l2范围内工作面及其周围的自然矿震信号，并将各个自然矿震信号采用已知处理方法确定其矿震震源位置及其能量；
(2)根据步骤(1)得出的矿震震源位置，运输巷道和回风巷道之间的工作面倾向长度确定为采动诱发矿震分布范围L1；在运输巷道外侧沿倾向距离运输巷道最远的矿震震源位置，确定为采动诱发矿震分布范围L2，在回风巷道外侧沿倾向距离回风巷道最远的矿震震源位置，确定为采动诱发矿震分布范围L3；
(3)以工作面倾向长度的中点为基点，沿倾向将其运输巷道侧
Figure FDA0002816545210000011
范围和回风巷道侧
Figure FDA0002816545210000012
范围均各自以间距a进行等分，分别得到x和y个倾向分区并分别进行标号，计算方法为；
Figure FDA0002816545210000013
Figure FDA0002816545210000014
其中，x为运输巷道侧
Figure FDA0002816545210000015
范围内倾向分区的数量，个；y为回风巷道侧
Figure FDA0002816545210000016
范围内倾向分区的数量，个；
(4)分别计算各个倾向分区的中线距基点的倾向距离di，具体计算为：
运输巷道侧
Figure FDA0002816545210000017
回风巷道侧
Figure FDA0002816545210000018
其中，Dxi为运输巷道侧
Figure FDA0002816545210000019
范围内各个倾向分区中线距基点的倾向距离，m；Dyi为回风巷道侧
Figure FDA00028165452100000110
范围内各个倾向分区中线距基点的倾向距离，m；
(5)根据步骤(1)得出的矿震震源位置及其能量，并结合步骤(3)确定的各个倾向分区，分别统计运输巷道侧和回风巷道侧各个倾向分区内矿震总能量Exi及矿震总频次Qyi，然后以步骤(4)确定的各个倾向分区距基点的间距Dxi和Dyi为横坐标，以各个倾向分区内矿震总能量Exi及矿震总频次Qyi分别为纵坐标绘制两条分布曲线，分别为各个倾向分区的矿震总能量分布曲线和矿震总频次分布曲线；
(6)将步骤(5)绘制出的两条曲线数据除以各自纵坐标最大值进行归一化处理，分别得出矿震总能量归一化分布曲线和矿震总频次归一化分布曲线，具体公式为：
Figure FDA0002816545210000021
Figure FDA0002816545210000022
Figure FDA0002816545210000023
Figure FDA0002816545210000024
其中，Emax为各个倾向分区中的总能量最大值，J；Qmax为各个倾向分区中的总频次最大值，个；Exi为运输巷道侧
Figure FDA0002816545210000025
范围内各个倾向分区的总能量，J；Eyi为回风巷道侧
Figure FDA0002816545210000026
范围内各个倾向分区的总能量，J；Qxi为运输巷道侧
Figure FDA0002816545210000027
范围内各个倾向分区的总频次，个；Qyi为回风巷道侧
Figure FDA0002816545210000028
范围内各个倾向分区的总频次，个；R(Exi)为运输巷道侧
Figure FDA0002816545210000029
范围内各个倾向分区的总能量除以总能量最大值的相对值；R(Eyi)为回风巷道侧
Figure FDA00028165452100000210
范围内各个倾向分区的总能量除以总能量最大值的相对值；R(Qxi)为运输巷道侧
Figure FDA00028165452100000211
范围内各个倾向分区的总频次除以总频次最大值的相对值；R(Qyi)为回风巷道侧
Figure FDA00028165452100000212
范围内各个倾向分区的总频次除以总频次最大值的相对值；
(7)在归一化的矿震总能量和总频次变化曲线上分别标记出工作面的倾向范围，并分别确定R(Exi)/R(Eyi)≥0.1和R(Qxi)/R(Qyi)≥0.1的区域为受工作面采动影响区域，然后计算采动诱发矿震分布范围L2内R(Exi)/R(Eyi)≥0.1或R(Qxi)/R(Qyi)≥0.1的倾向分区中距运输巷道的最远倾向距离，该距离确定为工作面运输巷道侧的采动侧向影响范围dym，计算采动诱发矿震分布范围L3内R(Exi)/R(Eyi)≥0.1或R(Qxi)/R(Qyi)≥0.1的倾向分区中距回采巷道的最远倾向距离，该距离确定为工作面回采巷道侧的采动侧向影响范围dxn，计算方法为：
Figure FDA0002816545210000031
Figure FDA0002816545210000032
其中，dym和dxn分别为工作面运输巷道侧和回风巷道侧的采动侧向影响范围，m；m为采动诱发矿震分布范围L2内R(Exi)/R(Eyi)≥0.1或R(Qxi)/R(Qyi)≥0.1的倾向分区中距运输巷道的最远的分区标号；n为采动诱发矿震分布范围L3内R(Exi)/R(Eyi)≥0.1或R(Qxi)/R(Qyi)≥0.1的倾向分区中距回风巷道的最远的分区标号；L1为工作面的倾向长度，m；
最终根据获得dym和dxn值得出工作面运输巷道侧和回风巷道侧的采动侧向影响范围。
2.根据权利要求1所述的一种基于微震监测的工作面采动倾向影响范围的确定方法，其特征在于，所述步骤(1)中工作面连续回采l2区域中距离工作面切眼的最近距离l1≥工作面倾向长度L1。
3.根据权利要求1所述的一种基于微震监测的工作面采动倾向影响范围的确定方法，，其特征在于，所述步骤(1)中工作面连续回采l2区域过程中工作面采高和回采速度均保持一致。
4.根据权利要求1所述的一种基于微震监测的工作面采动倾向影响范围的确定方法，，其特征在于，所述步骤(1)采集的自然矿震信号为通过已知方法将干扰波剔除后的矿震信号。
5.根据权利要求1所述的一种基于微震监测的工作面采动倾向影响范围的确定方法，其特征在于，所述步骤(3)中的间距a为5m～10m。
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Title
郭晓强 等: "基于微震的采空区稳定性分级研究", 《矿冶工程》 *
韩泽鹏 等: "动静载影响下大倾角工作面巷道两帮应力分布规律研究", 《煤炭科学技术》 *

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CN112630826B (zh) 2022-01-21

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