CN113360592B - 基于微震监测的n00工法煤层顶板突水危险性预警方法 - Google Patents
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Abstract
本发明基于微震监测的N00工法煤层顶板突水危险性预警方法，包括步骤：步骤一：收集开展“N00工法”矿井的地质、水文地质资料，确定出开采煤层顶板主要含水层；步骤二：统计开展“N00工法”矿井钻孔数据确定煤层顶板至主要含水层间距；步骤三：基于微震技术确定“N00工法”煤层开采导水裂隙带发育高度；步骤四：综合确定“N00工法”矿井煤层开采导水裂隙带发育高度；步骤五：评价煤层顶板主要含水层富水性；步骤六：将步骤二与步骤四的数据相减获得煤层顶板至主要含水层间距与导水裂隙带发育高度差值，利用Surfer软件编绘差值等值线图、含水层富水性分区图，借助GIS信息融合功能，叠加以上两种图件，得到顶板突水危险性分区图。
Description
技术领域
本发明属于煤矿防治水领域，具体涉及一种基于微震监测的N00工法煤层顶板突水危险性预警方法。
背景技术
随着煤矿开采技术的深入研究，煤矿开采理论与工艺日趋成熟，无煤柱开采、“110”工法、“N00”工法等新的开采工艺相继出现，改变了传统煤炭开采工艺，无需提前掘进和留设煤柱，利用围岩进行支护，结构稳定、节约支护成本，改善应力环境，施工工艺简单，施工速度快，对于提高我国煤炭产业核心竞争力，保障国家能源安全，具有深远的战略意义和现实意义。
“N00”工法下煤层顶板覆岩导水裂隙发育规律如何？顶板含水层富水性程度如何？顶板突水危险性程度如何？与传统煤炭开采工艺是否相同？以上都是新的开采工艺面临的实际问题。
目前，传统煤炭开采工艺煤层顶板覆岩导水裂隙发育研究手段有现场实测、物理模拟、数值模拟、理论分析等；煤层顶板含水层富水性评价主要有地球物理勘探技术、钻孔单位涌水量、多源信息融合叠加法等；煤层顶板突水危险性评价主要综合导水裂隙带与富水含水层间距、煤层顶板含水层富水程度两个因素进行评价。以上方法在应用中存在如下问题：
(1)导水裂隙带发育高度的现场实测普遍采用钻孔冲洗液漏失量观测法、岩心破碎程度、钻孔电视等手段综合研究，该种方法是最直接、准确的测定导水裂隙带发育高度的方法，是煤层回采结束上覆岩层稳定后的静态导水裂隙发育高度，缺少煤层开采前、开采过程中导水裂隙带发育高度测定，难以实现煤层开采顶板导水裂隙带实施动态监测；物理模拟、数值模拟、理论分析等手段在研究导水裂隙带发育高度过程中经过简化、概化，降低了导水裂隙带发育高度研究结果的可靠性。
(2)地球物理勘探技术评价煤层顶板含水层富水性的弊端是富水异常区解释具有多解性，评价结果可靠性差；钻孔单位涌水量评价煤层顶板含水层富水性是最准确、直接的方法，但此为“点”状数据，不能反映整体区域富水性变化，若增加施工钻孔数量，资金投入较大；多源信息融合叠加法评价含水层富水性的主控因素多，且各因素之间可能有相互抵消的作用，评价结果可靠性较差，富水性等级与《煤矿防治水细则》中规定的较难统一。
(3)由于导水裂隙带发育高度难以实现实时动态观测、含水层富水性评价结果可靠性难以保障，导致煤层顶板突水危险性预测结果可靠性差，难以达到实时、动态预警。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种基于微震监测的“N00”工法煤层顶板突水危险性预警方法。
本发明采用如下技术方案来实现的：
基于微震监测的N00工法煤层顶板突水危险性预警方法，包括以下步骤：
步骤一：收集开展“N00工法”矿井的地质、水文地质资料，确定出开采煤层顶板主要含水层；
步骤二：统计开展“N00工法”矿井钻孔数据确定煤层顶板至主要含水层间距；
步骤三：基于微震技术确定“N00工法”煤层开采导水裂隙带发育高度；
步骤四：综合确定“N00工法”矿井煤层开采导水裂隙带发育高度；
步骤五：评价煤层顶板主要含水层富水性；
步骤六：将步骤二与步骤四的数据相减获得煤层顶板至主要含水层间距与导水裂隙带发育高度差值，利用Surfer软件编绘差值等值线图、含水层富水性分区图，借助GIS信息融合功能，叠加以上两种图件，得到顶板突水危险性分区图。
本发明进一步的改进在于，还包括以下步骤：
步骤七：采用软件开发工具将步骤二～步骤六等信息进行开发，形成顶板实时动态微震、突水危险性等信息的反馈，发出实时动态顶板突水危险性区域预警信号，针对性地指导矿井防治水工作。
本发明进一步的改进在于，步骤一中，煤层顶板含水层抽水试验结果显示钻孔单位涌水量数值最大、补给条件好、补给水源充沛的孔隙、裂隙、厚层砂砾石含水层确定为主要含水层，也即受采掘破坏或影响的含水层。
本发明进一步的改进在于，步骤二中，通过收集矿井施工的所有钻孔柱状图，统计钻孔柱状图中主要含水层底与煤层顶板之间的距离。
本发明进一步的改进在于，步骤三中，包括以下几个方面：
1)设计并建立煤层顶板微震监测系统
在分析“N00”工法工作面的地质、水文地质条件的基础上，开展岩体基本力学参数标定，包括不同结构面长度条件下三轴加卸载试验、不同结构面角度条件下三轴加卸载试验，获取岩石强度和变形特性、破坏形式、声发射特征等，为微震监测系统的安装方案、监测方案的设计提供基本参数，为微震监测系统的安装做前期准备；
微震监测系统由硬件与软件两个部分组成；依据微震监测原理，在“N00”工法工作面布设微震传感器，内容包括传感器的数量、空间位置，布置微震传感器与主机之间的数据传输线缆、主机与分析中心的数据传输线缆，通过网络技术将现场数据向分析中心进行实时远距离传送，实现工作面微震活动连续监测，获取微震活动性时空分布数字化记录，实现分析预报系统的初步运转，完成微震监测系统的建立；
2)微震监测系统运行调试
首先对监测网络的通讯线路进行检测，检验帕拉丁盒子、授时器以及光电收发器的通信指示灯是否正常，网络传输量和延时是否达到系统运行要求，各熔接点的损耗是否均小于0.02dB，整体通路测试各路光纤中的各芯损耗是否均小于20dB，然后开展敲击实验，检验传感器是否正常运行，检验传感器编号及坐标是否与现实中传感器的编号和坐标对应；
3)微震波形数据库建立与滤波处理
井下的噪声多种多样，各种噪声的特点各不相同，对井下各种噪声都逐一进行全波形分析，然后利用这些基本特征与有效AE信号的特征对比，从而把有效的AE信号从复杂的噪声中分析出来，为微震活动信息的分析做好准备，为此，在井下对工作面作业全过程的工序进行记录，并与监测主机采集的信号进行一一对应，对每一种噪声源产生的噪声进行反复回放分析、总结和归类，建立适合于井下噪声信号和AE声发射的数据库；
4)微震监测结果及分析。
本发明进一步的改进在于，步骤四中，在微震监测技术判定的导水裂隙带发育高度的基础上，采用理论计算、现场探测、数值模拟与物理模拟手段验证、校正微震监测技术判定的导水裂隙带发育最终高度，得到最终的实时动态导水裂隙带发育高度。
本发明进一步的改进在于，步骤五中，首先根据地质、水文地质条件优选影响主要含水层富水性的主控因素建立富水性评价体系，主控因素包括岩性及其岩性组合、岩相、渗透性和冲洗液消耗量，然后采用灰色关联分析法对含水层富水性影响因素进行排序，确定各影响因素的权重，选择排序靠前的5～6个因素开展富水性评价，采用逐步-Fisher判别分析法和随机判别分析法对含水层富水性进行评价，利用已有钻孔单位涌水量，确定与钻孔单位涌水量预测结果接近的作为最终富水性评价预测结果。
与现有技术相比，本发明至少具有如下有益的技术效果：
(1)实现了“N00”工法煤层开采导水裂隙带发育高度实时监测；
目前，导水裂隙带发育高度的确定主要是现场实测、物理模拟、数值模拟、理论分析等，得到的是煤层推采结束上覆岩层稳定后的静态导水裂隙发育高度，且“N00”工法工作面导水裂隙带的研究尚不成熟，无法解决煤层开采整个过程中的顶板覆岩破坏情况，从而无法实时、动态指导矿井防治水工作。本发明采用微震监测系统，一方面能够实时、动态监测煤层开采的覆岩破坏情况，可以及时地指导矿井防治水工作，另一方面能够为“N00”工法条件下导水裂隙带的研究提供新思路。
(2)提高了煤层开采顶板含水层富水性预测结果可靠性；
顶板含水层富水主要是通过地球物理勘探技术、抽水试验的钻孔单位涌水量及多源信息融合叠加的手段评价，均有其弊端，地球物理勘探技术具有多解性，钻孔单位涌水量是“点”状数据，很难反映区域富水性变化，多源信息融合叠加法评价指标多，指标之间相互抵消，且富水性等级与《煤矿防治水细则》中规定的较难统一。
本发明采用逐步-Fisher判别分析法与随机判别分析法能够科学利用已有地学信息，优选影响含水层富水性的主控因素，对照含水层富水型评价最直接、最准确的指标—钻孔单位涌水量，开展含水层富水性评价，结果可靠，富水性等级与《煤矿防治水细则》统一，便于指导矿方开展防治水工作。
(3)能够进行煤层开采顶板突水危险性实时、动态预警，为矿井防治水工作提供技术支持。
现阶段，煤层开采的顶板突水危险性评价基本采用静态的导水裂隙带发育高度开展，即煤层开采后覆岩稳定状态下的导水裂隙带发育高度，尚未融入煤层开采全过程中覆岩破坏情况，不能实时、动态评价、预警突水危险性。本发明采用微震监测技术实时、动态监测煤层开采顶板覆岩破坏情况，能够实时、动态反映煤层开采全过程的顶板突水危险性，达到水害预警的目的。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为通讯线路布置图；
图3为煤层顶板微震传感器测点布置；
图4为微震传感器巷道布置图；
图5为不同时间微震事件数量沿垂直方向分布图；
图6为不同次数来压情况下微震事件能量沿垂直方向分布图。
图中：1—“N00”工法工作面皮带巷；2—第一微震传感器；3—“N00”工法工作面推进方向；4—微震传感器间距；5—第二微震传感器；6—“N00”工法工作面切顶留巷段。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示，基于微震监测的N00工法煤层顶板突水危险性预警方法，包括以下步骤：
步骤一：收集开展“N00工法”矿井的地质、水文地质资料，确定出开采煤层顶板主要含水层。煤层顶板含水层抽水试验结果显示钻孔单位涌水量数值最大、补给条件好、补给水源充沛的孔隙、裂隙、厚层砂砾石含水层确定为主要含水层，也即受采掘破坏或影响的含水层。
步骤二：统计开展“N00工法”矿井钻孔数据确定煤层顶板至主要含水层间距。收集矿井施工的所有钻孔柱状图，统计钻孔柱状图中主要含水层底与煤层顶板之间的距离。
步骤三：基于微震技术确定“N00工法”煤层开采导水裂隙带发育高度。主要包括以下几个方面：
1)设计并建立煤层顶板微震监测系统
(1)微震监测原理：微震是指外力作用下，岩体等材料中的一个或多个局域源以顺态弹性波的形式迅速释放其能量的过程，微震起源于材料中的裂纹(断层)、岩层中界面的破坏、基体或夹杂物的断裂。微震监测技术是采用微震监测仪器来采集、记录和分析三维空间中岩体的微震信号，通过对微地震波的采集和分析，判断岩体破裂的位置、震级、能量释放和岩体中由微震而伴生的非线性应变的开展，该技术是在地震监测技术的基础上发展起来的，它在原理上与地震监测、声发射监测技术相同，是基于岩体受力破坏过程中破裂的声、能原理。
(2)微震监测系统的构成：由硬件和软件两大部分组成，硬件包括传感器、Paladin井下数字信号采集系统、地面主机处理系统、收发器、电缆线、光缆、接线盒；软件包括Paladin标准版监测系统配备HNAS软件(信号实时采集与记录)、SeisVis软件(事件的三维可视化)、WaveVis软件(波形处理及事件重新定位)、ProLib软件(震源参数计算)、Spectr波谱分析软件、DBEidtor软件(数据过滤及报告生成)、Achiever软件(数据存档)、MMS-View软件(远程网络传输与三维可视化)等组成的整套监测系统。
(3)微震传感器的布置：根据微震监测原理，结合井下实际“N00”工法工作面的布置确定微震传感器的布置方式及其空间分布形式。
微震监测测点的布置：根据井下实地考察，确定传感器测点位置，如图3所示，微震传感器的间距4的布置一般为10～30m，在留巷段6布置数量适宜的传感器5，在空间上形成一个较均衡的分布状态；在皮带巷1也布置相同间距、相同数量的传感器2。沿空留巷段一侧将传感器分别沿垂直方向上分三层布置，参照相关工作面资料，确保传感器全都布置在悬臂梁相对稳定的岩层内，并在工作面推采期间可以稳定工作，对产生的微震事件实现有效监测。微震传感器巷道布置如图4所示，传感器布置角度a范围为65°～70°、b范围为70°～75°，c范围为75°～80°，切顶线与钻孔之间的水平距离为1～3m。
微震传感器的安装：第一步，利用安装工具将传感器送至钻孔的底部，与底部的岩壁贴牢；第二步，向钻孔中缓慢注入适量的水泥砂浆，使泥浆能够盖住传感器，等至泥浆凝固；第三步，继续注入水泥浆进行封孔，封孔时注意不能把连接传感器的电缆线损坏，在封孔之后进行传感器测试。
微震监测系统的线路布置：整个监测系统的线路由两部分组成，电力线路和通讯线路。电力线路主要负责给设备供电，根据井下实际情况设立数量适宜的分站。通讯线路主要负责传感器采集的信号输送至数据处理服务器和数据存储传输服务器，对数据进行处理、存储和转运至需要数据的地方。
2)微震监测系统运行调试
(1)通讯线路检测：在线路铺设完成后对监测网络的通讯线路进行检测，可分为3步：第一步，检验帕拉丁盒子、授时器以及光电收发器的通信指示灯是否正常；第二步，进行时延检测；第三步，进行光衰检测，各熔接点的损耗均小于0.02dB，整体通路测试各路光纤中的各芯损耗均小于20dB。
(2)敲击实验：敲击测试是在系统线路布设完成和通讯线路符合通讯要求的前提下进行的其目的有两个：第一，检验传感器是否正常运行；第二，检验系统中的传感器编号及坐标是否与现实中传感器的编号和坐标对应。敲击测试的方法如下：连续敲击传感器安装位置附近的钢质锚杆5～8次，每次敲击间隔1～2s，敲击进行后，观查服务器上对应编号的传感器是否出现波形。如果出现，则该传感器工作正常，对应关系正常，反正则为不正常。敲击测试结果显示传感器工作正常，传感器位置与系统预设位置的对应性准确。系统中的传感器编号及坐标与现实中传感器的编号和坐标一一对应。
3)微震波形数据库建立与滤波处理
井下的噪声多种多样，各种噪声的特点各不相同，对井下各种噪声都逐一进行全波形分析，然后利用这些基本特征与有效AE信号的特征对比，从而把有效的AE信号从复杂的噪声中分析出来，为微震活动信息的分析做好准备，为此，在井下对工作面作业全过程的工序进行记录，并与监测主机采集的信号进行一一对应，对每一种噪声源产生的噪声进行反复回放分析、总结和归类，建立适合于井下噪声信号和AE声发射的数据库；
由于干扰信号存在多样性的特点，用软件门槛值进行滤波过于单一化，有时会把有用的监测信号给滤掉，这样会给分析微震信号的工作带来了很大的难度。通过长期探索及现场调查，主要从以下几个方面来滤除干扰信号：①硬件滤波，硬件滤波首先将信号通过带通有源带通滤波器巴特沃斯(Butterworth)，然后经过双积分A/D转换来消除有用信号上的干扰信号，这样就把大部分低频与超高频信号滤除，保留微震信号，主要用于从输入信号中提取需要的一段频率范围内的信号，而对其他频段的信号起到衰减作用；②软件滤波，采用单纯的硬件电路滤波，处理不好很容易滤去有用信号，辅以软件滤波是智能传感器独有的，对包括频率很低(如0.01Hz)各种干扰信号进行滤波，一个数字滤波程序能为多个输入通道共用。常用的方法有平均值滤波、中值滤波、限幅滤波、惯性滤波。在本系统中，把幅度大于采样周期和真实信号的正常变化率确定相邻两次采样的最大可能差值作为噪声处理；③信号传输线的布置，井下巷道中布置有大量的动力电缆等，因为动力电缆传输的是交变电流，具有高电压的特点，会在其周围一定区域内产生大量强的感应磁场，而信号电缆传输的是弱电流，极易受到这些强感应磁场的干扰，甚至“淹没”监测的微震信号。为了其减少对信号线的影响，在布置信号电缆的过程中，将把信号电缆与大功率电器设备和动力电缆尽量远离，最好将信号传输电缆布置在巷道另一侧。当敷设线缆过程中遇到动力电缆，应尽量使之与动力电缆垂直穿过。这样，有效降低了信号在传输过程中的磁影响，效果较为理想。由于井下采用的电压多为交流电，且频率为50Hz，与微震信号的频率相差甚远，所以即使微震信号在传输过程中，混入了一定频率的外部电流产生的信号，如果被微震监测系统所监测到，应用电流滤波器可以将其滤除；④工频干扰，工频干扰主要来源于井下的各种电器设备等产生的电气噪声干扰，主要包括三类：一类是如风机、铲运机等大型动力机械运行的电磁干扰、动力电缆、线路相互干扰等；另一类是微震监测系统本身产生的电气噪声；第三类为电缆与传感器或主机接头处接触不紧而产生的干扰。电气噪声特点是：一部分噪声各种频率成分都有，振幅变化不大，主要是由电子元器件自身产生的；一部分噪声的频率基本固定，是由设备运行产生的感应，另一种是电器设备启动时产生的尖脉冲信号，幅度可能很大，但持续时间极短。接头接触不紧产生的噪声一般幅度很大，波形连续限幅且变化极大，波形失真，该类噪声在认真操作的前提下出现的概率非常小。⑤射频干扰，射频干扰主要有以下几种类型：一是矿车运行时与井下架空线剧烈摩擦产生的电弧火花；二是大型设备的电子开关在动作过程中因接触不良而产生的电弧干扰；三是井下焊接设备工作时以及进行金属切割时产生的瞬间高电弧；该类噪声干扰在工作时表现极为强烈，频率范围从300KHz～30GHz之间，属于高频干扰；机械作业噪声，主要是井下工作面各类机械设备在作业过程中产生的噪声，如铲运机作业、中深孔钻机作业、风钻作业、钻机作业、风镐作业、电机车作业等。其基本特点是规律性较强。在机械作业时，集中产生大量信号，并具有明显的周期性，这是由机械运转频率所固有的。对于铲运机、大直径钻机等在短期内波形呈现出连续的特点，即使偶尔不连续，持续时间都较长，对于中深孔钻机、风镐、风钻等设备，噪声信号呈现出明显的等间距特点。机械作业噪声的振幅一般变化较小；⑥人员活动，主要是工作面附近人为活动过程中产生的作业噪声，如：人工落矿、敲帮问顶、安装锚杆、出渣、放炮、整修巷道、连接管道、敲打钻杆、从矿车上搬卸重型材料等过程中产生的噪声。人为活动噪声是最难滤除的一种噪声，因为它产生的方式多样化，呈现出的规律性一般不强，频率变化范围较宽，振幅变化也较大，特点一般不十分明显，有些噪声与有效微震信号十分相似，但是与机械噪声等相比，其信号数量相对较少；⑦随机噪声，主要是传感器附近的岩壁片帮、垮落以及安装探杆的钻孔内、孔口岩壁垮落时碰击到探杆或传感器引起的噪声。随机噪声的特点是，有些幅度大；有些幅度小，频率有高频，也有低频成分，波形形状很像有效微震信号，但信号的出现比较集中。
4)微震监测结果及分析
提取微震监测数据，实时统计垂向上微震事件数量与微震能量分布情况(图5、图6)，确定出微震事件数量与微震能量集中区域，判定导水裂隙带发育高度集中范围。
步骤四：综合确定“N00工法”矿井煤层开采导水裂隙带发育高度。在微震监测技术判定的导水裂隙带发育高度的基础上，采用理论计算、现场探测、数值模拟与物理模拟等手段验证、校正微震监测技术判定的导水裂隙带发育最终高度，得到最终的实时动态导水裂隙带发育高度。
步骤五：评价煤层顶板主要含水层富水性。首先根据地质、水文地质条件优选影响主要含水层富水性的主控因素建立富水性评价体系，主控因素主要包括岩性及其岩性组合、岩相、渗透性、冲洗液消耗量等几个方面，然后采用灰色关联分析法对含水层富水性影响因素进行排序，确定各影响因素的权重，选择排序靠前的5～6个因素开展富水性评价，采用逐步-Fisher判别分析法和随机判别分析法对含水层富水性进行评价，利用已有钻孔单位涌水量，确定与钻孔单位涌水量预测结果接近的作为最终富水性评价预测结果。
岩性及其岩性组合包括：砂地比(砂地比，即砂岩厚度与地层总厚之比)、粗砂岩厚度、中砂岩厚度、细砂岩厚度、粉砂岩厚度、砂岩厚度、砂岩层数、泥岩与砂质泥岩厚度之和、泥岩与砂质泥岩层数之和等。
岩相：根据沉积相划分标志岩石颜色、岩石结构特征、沉积构造、古生物、测井相等，划分矿井主要含水层岩相，对比水文孔单位涌水量数据研究岩相与含水层富水性的关系，为非水文孔岩相赋值。
步骤六：将步骤二与步骤四的数据相减获得煤层顶板至主要含水层间距与导水裂隙带发育高度差值，利用Surfer软件编绘差值等值线图、含水层富水性分区图，借助GIS信息融合功能，叠加以上两种图件，得到顶板突水危险性分区图。
步骤七：采用软件开发工具将步骤二～步骤六等信息进行开发，形成顶板实时动态微震、突水危险性等信息的反馈，发出实时动态顶板突水危险性区域预警信号，针对性地指导矿井防治水工作。
应用实例：
某矿井采用“N00工法”工艺回采12301工作面煤炭资源，主采煤层为2号煤层，采高4m，煤层埋深280m左右，工作面走向长1350m，倾向长260m，煤层顶板含水层从上到下依次有第四系萨拉乌苏组含水层、白垩系洛河组含水层、侏罗系直罗组含水层、侏罗系延安组含水层。工作面回采前，采用以下步骤对该工作面进行突水危险性预警，保障了矿井安全、高效开采。
步骤一：收集该矿井地质、水文地质资料，确定出煤层开采顶板主要含水层为直罗组含水层。直罗组含水层抽水试验结果显示钻孔单位涌水量数值最大，为0.023～1.325L/(s·m)，渗透系数0.06～0.94441(m/d)，富水性弱～强，补给条件较好，因此确定该含水层为受影响的含水层。
步骤二：统计12301工作面所有钻孔柱状图中2号煤层顶板至直罗组含水层间距，共统计35个钻孔中2号煤层顶板至直罗组含水层间距95～143m。
步骤三：根据具体实施方式步骤三确定出基于微震技术煤层开采导水裂隙带发育高度为80～85m。
微震监测点的布置：根据井下实地考察，确定传感器测点位置，如图3所示，微震传感器的间距4的布置为30m，在留巷段6布置8个传感器5，在空间上形成一个较均衡的分布状态；在皮带巷1也布置相同间距、相同数量的传感器2。沿空留巷段一侧将传感器分别沿垂直方向上分三层布置，参照相关工作面资料，确保传感器全都布置在悬臂梁相对稳定的岩层内，并在工作面推采期间可以稳定工作，对产生的微震事件实现有效监测。微震传感器巷道布置如图4所示，传感器布置角度a范围为70°、b范围为75°，c范围为80°，切顶线与钻孔之间的水平距离为1.5m。
步骤四：采用理论计算、现场探测、数值模拟与物理模拟等手段研究的导水裂隙带发育高度最大值为83m，与步骤三中微震监测技术判定的导水裂隙带发育高度接近，说明微震监测技术判定的导水裂隙带发育高度结果可靠。实时动态导水裂隙带发育高度采用微震监测技术判定的结果。
步骤五：评价煤层顶板主要含水层富水性。首先根据沉积相划分标志岩石颜色、岩石结构特征、沉积构造、古生物、测井相等，划分矿井主要含水层岩相，该矿沉积相有辫状河、曲流河，沉积微相有河道、河漫滩、泛滥平原，对比水文孔单位涌水量数据，认为辫状河河道、辫状河河漫滩、曲流河河道、泛滥平原的钻孔单位涌水量依次减小，富水性依次减弱，因此，岩相赋值依次分别为1、2、3、4，从沉积相划分平面图中读取沉积相为非水文孔赋值，然后采用灰色关联分析法对含水层富水性影响因素岩性及其岩性组合、岩相、渗透性、冲洗液消耗量等进行排序，结果为粗砂岩厚度>砂地比>岩相>冲洗液消耗量>渗透性>中砂岩厚度>细砂岩厚度>粉砂岩厚度>砂岩厚度>砂岩层数>泥岩与砂质泥岩厚度之和>泥岩与砂质泥岩层数之和，选取排序位于前5个因素建立含水层富水性评价体系。采用逐步-Fisher判别分析法和随机判别分析法分别对含水层富水性进行评价，利用已有钻孔单位涌水量，选择与钻孔单位涌水量预测结果接近的逐步-Fisher判别分析法作为本次含水层富水性评价最优方法，完成直罗组含水层富水性评价。
步骤六：将步骤二与步骤四的数据相减获得煤层顶板至主要含水层间距与导水裂隙带发育高度差值，利用Surfer软件编绘差值等值线图、含水层富水性分区图，借助GIS信息融合功能，叠加以上两种图件，得到顶板突水危险性分区图。
步骤七：采用软件开发工具将步骤二～步骤六等信息进行开发，形成顶板实时动态微震、突水危险性等信息的反馈，发出实时动态顶板突水危险性区域预警信号，保障了矿井安全、高效开采。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (5)
1.基于微震监测的N00工法煤层顶板突水危险性预警方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：收集开展“N00工法”矿井的地质、水文地质资料，确定出开采煤层顶板主要含水层；
步骤二：统计开展“N00工法”矿井钻孔数据确定煤层顶板至主要含水层间距；
步骤三：基于微震技术确定“N00工法”煤层开采导水裂隙带发育高度；包括以下几个方面：
1)设计并建立煤层顶板微震监测系统
在分析“N00”工法工作面的地质、水文地质条件的基础上，开展岩体基本力学参数标定，包括不同结构面长度条件下三轴加卸载试验、不同结构面角度条件下三轴加卸载试验，获取岩石强度和变形特性、破坏形式、声发射特征等，为微震监测系统的安装方案、监测方案的设计提供基本参数，为微震监测系统的安装做前期准备；
微震监测系统由硬件与软件两个部分组成；依据微震监测原理，在“N00”工法工作面布设微震传感器，内容包括传感器的数量、空间位置，布置微震传感器与主机之间的数据传输线缆、主机与分析中心的数据传输线缆，通过网络技术将现场数据向分析中心进行实时远距离传送，实现工作面微震活动连续监测，获取微震活动性时空分布数字化记录，实现分析预报系统的初步运转，完成微震监测系统的建立；
2)微震监测系统运行调试
首先对监测网络的通讯线路进行检测，检验帕拉丁盒子、授时器以及光电收发器的通信指示灯是否正常，网络传输量和延时是否达到系统运行要求，各熔接点的损耗是否均小于0.02dB，整体通路测试各路光纤中的各芯损耗是否均小于20dB，然后开展敲击实验，检验传感器是否正常运行，检验传感器编号及坐标是否与现实中传感器的编号和坐标对应；
3)微震波形数据库建立与滤波处理
井下的噪声多种多样，各种噪声的特点各不相同，对井下各种噪声都逐一进行全波形分析，然后利用这些基本特征与有效AE信号的特征对比，从而把有效的AE信号从复杂的噪声中分析出来，为微震活动信息的分析做好准备，为此，在井下对工作面作业全过程的工序进行记录，并与监测主机采集的信号进行一一对应，对每一种噪声源产生的噪声进行反复回放分析、总结和归类，建立适合于井下噪声信号和AE声发射的数据库；
4)微震监测结果及分析；
步骤四：综合确定“N00工法”矿井煤层开采导水裂隙带发育高度；在微震监测技术判定的导水裂隙带发育高度的基础上，采用理论计算、现场探测、数值模拟与物理模拟手段验证、校正微震监测技术判定的导水裂隙带发育最终高度，得到最终的实时动态导水裂隙带发育高度；
步骤五：评价煤层顶板主要含水层富水性；
步骤六：将步骤二与步骤四的数据相减获得煤层顶板至主要含水层间距与导水裂隙带发育高度差值，利用Surfer软件编绘差值等值线图、含水层富水性分区图，借助GIS信息融合功能，叠加以上两种图件，得到顶板突水危险性分区图。
2.根据权利要求1所述的基于微震监测的N00工法煤层顶板突水危险性预警方法，其特征在于，还包括以下步骤：
步骤七：采用软件开发工具将步骤二～步骤六等信息进行开发，形成顶板实时动态微震、突水危险性等信息的反馈，发出实时动态顶板突水危险性区域预警信号，针对性地指导矿井防治水工作。
3.根据权利要求2所述的基于微震监测的N00工法煤层顶板突水危险性预警方法，其特征在于，步骤一中，煤层顶板含水层抽水试验结果显示钻孔单位涌水量数值最大、补给条件好、补给水源充沛的孔隙、裂隙、厚层砂砾石含水层确定为主要含水层，也即受采掘破坏或影响的含水层。
4.根据权利要求3所述的基于微震监测的N00工法煤层顶板突水危险性预警方法，其特征在于，步骤二中，通过收集矿井施工的所有钻孔柱状图，统计钻孔柱状图中主要含水层底与煤层顶板之间的距离。
5.根据权利要求1所述的基于微震监测的N00工法煤层顶板突水危险性预警方法，其特征在于，步骤五中，首先根据地质、水文地质条件优选影响主要含水层富水性的主控因素建立富水性评价体系，主控因素包括岩性及其岩性组合、岩相、渗透性和冲洗液消耗量，然后采用灰色关联分析法对含水层富水性影响因素进行排序，确定各影响因素的权重，选择排序靠前的5～6个因素开展富水性评价，采用逐步-Fisher判别分析法和随机判别分析法对含水层富水性进行评价，利用已有钻孔单位涌水量，确定与钻孔单位涌水量预测结果接近的作为最终富水性评价预测结果。
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Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101660411A (zh) * | 2009-05-08 | 2010-03-03 | 中国矿业大学(北京) | 一种煤层顶板涌(突)水条件的定量评价方法 |
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| WO2016090883A1 (zh) * | 2014-12-12 | 2016-06-16 | 中国矿业大学 | 一种基于多源信息融合的采场顶板离层水害超前预报方法 |
| WO2016095462A1 (zh) * | 2014-12-15 | 2016-06-23 | 中国矿业大学 | 一种深矿井煤层开采底板突水危险性评价Ts-q法 |
| CN109767136A (zh) * | 2019-01-17 | 2019-05-17 | 内蒙古上海庙矿业有限责任公司 | 煤层顶板含水层涌突水危险性评价与预测四双工作法 |
| CN111581834A (zh) * | 2020-05-13 | 2020-08-25 | 中煤能源研究院有限责任公司 | 一种基于多源信息融合的煤层顶板溃水溃沙危险性评价方法 |
Non-Patent Citations (1)
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