微震监测技术在矿山防越界开采中的应用

刘 梁

江西省地质矿产勘查开发局九0二地质大队 江西 新余338000

1 项目概况

某煤矿周边地方煤矿众多,当发生越界开采时,会造成资源破坏、开采困难,带来重大安全隐患,同时造成重大经济损失,因此进行防越界开采监测势在必行。

2 微震监测原理

煤矿越界开采微震监测是指将微震技术用于探测由于越界开采活动引起的地震波动效应事件,即将高灵敏度的微震传感器布设于研究区域处四周,全面、实时、三维监测,连续记录因岩体变化而产生的微震活动。通过对弹性波信息进行采集处理,获取事件发生的位置、大小、能量、地震矩、震源机制等信息,对越界开采活动进行分析、评价,指导煤矿生产安全。

3 微震监测系统

3.1 微震监测系统 微震监测系统的硬件部件由微震传感器、微震数据采集仪、设备供电系统、数据传输系统部分组成。微震传感器负责采集高质量波形信号,微震数据采集仪将高质量的波形信号通过A/D转换为数据信号,供电系统保证整个系统的用电,系统的数据由数据传输系统负责传输。

3.2 微震监测软件系统 微震监测软件系统PCS平台可将微震监测信号在窗口进行实时监测显示,并能自动转化存储于地面数据采集服务器,且可以实现事件智能化处理,以及后期的人工精细处理。其主要由以下四部分构成:

(1)项目管理:项目工区、地质模型管理等;

(2)实时监控软件:微震实时波形显示、硬件设备工作状态显示等;

(3)人机交互处理软件:事件智能化处理、人工精细处理、分析等;

(4)三维可视化软件:监测区事件三维显示、分析等。

4 项目实施

4.1 现场勘查 本次防越界开采为某矿地面东南侧与同煤集团煤业交界处的小窑破坏区(矿界3号拐点,重点监测小煤窑越层越界的破坏情况。

4.2 台阵布设

4.2.1 布设原则 合理的监测台网可以提高震源定位精度,且尽可能多的获取有用信息,减少干扰。在确保微震传感器耦合效果的前提下,其监测台布设原则如下:

(1)监测台网应在空间上在待监测重点区域形成包络状,避免形成一条直线或者一个平面,并且有足够、适当的密度;

(2)监测台网覆盖在突出重点、兼顾局部的原则下尽量远离大型机械和电气干扰。

4.2.2 台阵布设 现场地表共布设10个微震监测垂直孔,每孔安置一个灵敏度为200 v/m/s的三分量传感器,分别位于采集仪附近。

4.3 坐标测量 传感器位置是影响微震事件定位结果的重要因素,因此,为保证应有的微震事件定位精度,传感器坐标位置的准确获取十分重要。坐标测量需有专业人员操作获取,必须达到相应的精度要求。坐标系统需与矿图以及其它矿山提供的资料保持一致。

5 越界开采活动微震分析

5.1 背景噪声分析 为了有效记录这些微弱的岩体应力变化波动信号,采取各种办法降低环境噪声,有效判断区分岩体波动信号和施工干扰信号是数据采集与处理中最核心的工作。选择时间点为现场人工活动相对较少的时刻,边坡台站环境噪声水平为E-06。据以往微震施工经验可知,对于生产扰动引起的应力变化产生的微震信号来说,本次监测环境噪声属于一个相对较低的噪声水平,对系统有效记录微弱的岩石破裂微震信号影响很小,满足项目监测需求。

5.2 典型信号分析

5.2.1 微震信号 施工活动扰动围岩,打破其应力平衡,扰动应力突破岩体自身的刚度、强度,岩体稳定性被破坏,完整岩体在外力作用下开始发生变形、微破裂。微震事件的时频特征表现为不同的微震频带差异较大。能量小的频率相对较高,主频可达到几百赫兹。能量大的频率较低,频带范围通常在几赫兹到十几赫兹之间。通过对某煤矿越界开采产生的煤体微破裂信号进行时频分析,该微震事件频率非常丰富,主频约30hz,能量释放过程由低到峰值再到减小,符合煤岩体微破裂特征。

5.2.2 爆破信号 爆破信号为此次某煤矿防越界开采监测的重点波形,当爆破发生与本矿区范围内,而本矿区又未进行爆破作业,应当注意是否存在爆破盗采的可能。此次某煤矿监测到的爆破信号能量较高,波形较长,频率较低,然后通过软件进行三维定位、处理,可查看爆破位置判断是否存在盗采。

5.3 微震活动性分析 微震活动性是指微震事件在时间-空间上的变化规律,在一定程度上反映了越界开采活动的规律。通过对微震事件进行统计分析,可以找出某煤矿越界开采活动的规律。

图5 -11监测区域事件定位俯视图(一)

图5 -11监测区域事件定位俯视图(二)

图5 -12 监测区域事件定位北视图

5.3.1 越界开采活动规律研究 为查明某煤矿越界开采活动规律,对2020年5月23日～2020年6月10日期间微震监测系统采集的数据分别按天以及按小时进行统计分析。

1、按天统计研究越界开采活动规律

以系统正常运行期间1天时间为步长,统计每天累积事件数与累积能量变化,监测期间现场生产活动一直在持续发生。

2、按小时统计研究越界开采活动规律

通过统计一段时间内以小时为单位的微震事件频次与能量的分布特征,可有效掌握矿山监测区域内一天中越界开采活动活跃时间段及越界开采规律。防越界开采微震监测期间,每日的00:00～07:00是采矿活动最频繁的时期。

5.3.2 越界开采活动范围分析(1)通过监测区域内事件空间展布结果,监测区域内出现大量的生产活动信号以及煤岩体微破裂信号,且信号主要分布在隆博煤业矿区内。(2)隆博矿区内的生产活动信号及诱发产生的微破裂信号大量聚集在矿区边界,有往西发展的趋势,且部分监测到的事件已出现在某煤矿矿区东边区域。(3)隆博矿区内的生产活动对矿区边界西边的某煤矿影响范围距离其边界约有100 m。

6 结论

(1)本次某煤矿地表微震监测系统能够有效监测区域东边的煤矿生产活动信号及诱发产生的煤岩体微破裂信号。

(2)2020年5月23日～2020年6月10日期间微震监测系统采集的数据表征监测期间现场生产活动一直在持续发生

(3)根据事件定位结果,目前开采区域已经影响边界100 m 范围,应加强监测及管理。