基于微震监测数据的三维剖切方法及其在瓦斯抽采钻孔空间布置中的应用

杨宏伟,王海东, 王俊红, 高 宏, 钱志良, 韩 兵

(1. 华北科技学院 矿山安全学院,北京 东燕郊 065201；2. 晋能控股煤业集团成庄矿，山西 晋城 048000；3. 中煤科工集团沈阳院有限公司,辽宁 沈阳 110012)

0 引言

目前，微震监测技术在预测煤与瓦斯突出、预测冲击地压、小煤柱的留设、导水裂隙带的发育程度、煤岩体三维破裂监测、露天矿边坡滑移等煤矿方面得到了广泛应用[1-2]。但是，面对海量的微震数据，如何对数据进行处理和解释是科研人员和煤矿工作人员当前的最大挑战。微震设备能够监测到岩体破裂的三维数据以及灾害发生的前兆信息，需要业内专家去分析。但是煤矿现场缺乏这方面的专业技术人才，导致微震监测难以发挥出应有的作用，因此，如何显示海量数据，使之更加能让煤矿现场工作人员一目了然，是当前急需解决的问题，在这方面一些国内外专家学者进行了一些工作。姜福兴等[3-7]利用自研的微震设备把微震监测技术在煤矿当中进行了广泛的应用，揭示了覆岩空间裂隙场的演化过程，在微震数据的平面展示、剖面展示、按区域范围展示、按时间范围显示、按能量范围展示、岩层范围等方面做了深入的研究。杨宏伟等[8]利用visual studio 平台对AutoCAD进行二次开发，对微震数据进行了三维展示。孟祥军[9]利用微震对覆岩“三带”进行监测，并将监测结果应用到瓦斯抽采钻孔的优化当中。秦贵成[10]等利用微震监测技术对钻孔钻进扰动范围进行了深入的研究。

本文利用自行开发的程序对某回采工作面覆岩空间微震监测数据进行三维立体剖切，显示在不同的开采时间和不同的开采位置的三维破裂场的演化特征，并根据微震监测数据时空间特征，对瓦斯抽采高低位长短钻孔空间位置进行了优化，提高了抽采效果。

1 微震监测数据定位及显示方法

根据文献1-5所采用的定位方法，对任意一个检波器，都有如下关系式:

(1)

式中，xi，yi，zi，ti为微震检波器的空间坐标(m)和微震信号初始到时点(ms)，x，y，z，t为微震震源的空间坐标和微震发生的时间。取其中的四个方程组成一个方程组即可求出震源的空间位置及其发生时间。

图1 微震定位示意图

图1中A、B、C、D为检波器，E为微震震源，t为破裂发生的时间，t1、t2、t3、t4分别为微震波经过岩层到达各检波器的时间，V为微震波在岩石中的传播速度。取微震震源与检波器的走时关系中的四个组成一个方程组如下：

(2)

将方程组变形为可用牛顿迭代法求解的形式为：

(3)

由方程组可以看出，录入检波器的空间坐标和微震波的时间，就可以解出微震源的空间坐标和发生的时间。其中，坐标值可以预先测到，微震波的到时记录在软件当中。由牛顿迭代程序求得。有效数据为4个时，解一个震源坐标,有效数据为5个时，先对到时按从小到大排序，然后任意组合，解5个震源坐标；有效数据多于5个时，按到时从小到大排序(多于10个时，取前10个)，按4-4组合生成方程组。将数据导入到软件当中，可得到岩体破裂的微震定位结果。

目前，微震数据的定位与展示软件较多，有从国外直接引进过来的，有的是根据国外设备汉化或者自行研制的，这些软件多数操作复杂，需要专业人士来分析。本文开发的定位与展示软件是在AutoCAD基础上开发的，操作简单，具有较强的应用性。

2 微震监测数据的剖切展示

根据编制软件的剖切功能可以对微震信息任意解读，研究煤岩体的切片，来解读煤岩体的破裂特征和破裂时段，在某一点上进行X、Y、Z轴的三维立体剖切，分割后的模型，同样展示微震分布特征，应用Visual studio构建三个函数private bool IsThePointMid(string Direction,Point3d Startp, Point3d Endp, Point3d Cutp) /删除实体。prPosRes = ed.GetPoint("拾取剖面位置： ");private void CutFuntion()/剖切量的大小。利用软件程序对某工作面微震监测数据进行了处理，某回采工作面微震剖切范围如图2所示。

图2 微震剖切范围

根据软件对工作面范围立面进行剖切，微震点的大小和颜色可以表示微震的能级。

利用软件设置的三维剖切函数对工作面范围进行微震数据的剖切，寻找微震数据密集区域，作为抽采范围的分界，可以确定高低位钻孔的布置范围，基于微震数据的高低位钻孔布置范围如图3所示。

图3 基于微震数据的高低位钻孔布置范围

3 基于微震监测数据的钻场高低位长短钻孔设计

应用开发软件调取AutoCAD的绘图函数进行三维建模，根据确定的顶底板岩层信息，建立三维立体的矿体模型。

根据微震的破裂范围以及某回采工作面上覆岩层的空间形态确定的瓦斯抽采范围，并根据开发的软件与CAD的数据转换功能，在CAD当中自动进行高位钻孔的设计。CAD建模如图4所示。

图4 基于CAD建模

图5 某工作面现场布置钻孔示意图

应用微震数据显示的破裂高度和密集程度进行布孔，选择钻场的起始点和微震破裂密集处的终孔位置，以及考虑钻孔经过位置的煤岩体破裂程度，可以优化具体的钻孔参数，根据优化出的钻孔参数进行布孔，可以避免经验公式的误差，应用微震数据设计和优化高低位抽放钻孔，从理论和实际解决了困扰矿山工作人员的高位钻孔定位不合理、抽采不达标的问题。

基于微震数据和三维矿体模型的“高低位长短钻孔”的优化原理应用“区域定位法”进行瓦斯抽采立体空间的钻孔设计，区域定位法就是首先确定微震密集(煤岩层破裂)区域，在矿图上画出破裂范围。

参照上一工作面的微震监测数据，利用设计应用软件对某回采工作面2号钻场高低位钻孔进行了优化设计，某工作面现场布置钻孔如图5所示。通过软件录入参数，优化得出了2号钻场高低位长短钻孔的参数，2号钻场高低位钻孔的优化参数示意图如图6所示。

图6 2号钻场高低位长短钻孔的优化参数示意图

通过微震数据对钻场高低位长短钻孔进行优化设计，根据某回采工作面2号钻场瓦斯抽采浓度数据进行统计，瓦斯抽采浓度较之前提高10%～30%。利用微震数据分析技术对高低位长短钻孔进行优化，对后续相似条件工作面高低位钻孔设计具有现实指导意义。

4 结论

(1) 利用开发的程序加载AutoCAD读取微震监测数据，对某回采工作面微震数据进行了三维剖切，可以展示采掘时间、采掘进展、等时空间煤岩裂隙的分布特征，为煤矿相似条件的工作面钻孔空间布置提供依据。

(2) 利用基于微震监测数据的“区域定位法”对某回采工作面2号钻场进行了高低位长短钻孔的优化设计，克服了经验公式的误差性、人工计算的繁琐性，也为微震数据的直接应用提供了一个便捷的方法。

(3) 通过对某回采工作面2号钻场的优化，瓦斯抽采浓度较之前提高10%～30%，成果应用到后续钻场高低位长短钻孔空间布置，可以做到精准抽采，为工作面回采保驾护航。