1、微震技術簡介

微震監測技術(microseismic monitoring technique,簡稱MS)是近年來從地震勘查行業演化和發展起來的一項跨學科、跨行業的新技術。微震監測技術用于監測巖體在變形和破壞過程中,裂紋產生、擴展、摩擦時內部積聚的能量以應力波形式釋放,產生的微震事件。

微震監測系統的原理與常規地震監測系統基本一樣,只是它具有更強的敏感性和更高精準性,可監測的震動的震級更小、精度更高。微震震源及監測靈敏度見表1-1,微震里氏震級范圍圖見圖1.1。

表 1-1  巖體微震震源及監測靈敏度表

                    


最小震級

1.0

0.5

0.0

-0.5

-1.0

-1.5

-2.0

震源尺寸(m)

65-100

35-64

20-35

12-20

6-12

4-6

2-4

定位精度(m)

100

75

40

20

15

10

5


1.1  微震里氏震級范圍圖


 

突水,亦是一種動力型致災性強的礦山災害,礦山水害的發生必須具備水源、水量和導水通道3個條件,對水源和水量起決定作用的含水層,其補給和排泄條件具有區域性和面狀分布的特點,往往是易于查明和預測分析的,但導水通道(裂隙、斷層、陷落柱)具有極強的局部性和隱蔽性,具體表現在:

(1)原生導水通道的不可預知性;

(2)受采動影響新生導水通道的不可預知性;

(3)已探明的斷層、陷落柱等地質構造活化與否的不可預知性。

因此導水通道的形成監測成為預防突水災害形成的關鍵,而微震監測作為一種巖體微破裂三維空間監測技術,是描述導水通道孕育、發展到最終失穩過程的有效技術手段。

高精度微震監測技術進行煤礦突水危險監測時采用全局尋優定位技術,充分考慮內、外場震源定位的不同影響因素,結合速度結構、檢波器一致性等校正技術,實現微震震源的高穩定、高精度定位、優化布置微震監測臺網,對大斷層、陷落柱等隱伏構造進行實時監測,通過對定位結果的三維展示和分析,得到地質構造的活化規律、底板破裂深度、頂板破裂高度、合理煤柱尺寸等實測參數,實現對突水危險性的預測預報。

 

2  煤層底板突水監測預警

某礦19106工作面是9號煤的首采工作面,19106工作面下存在奧灰承壓水,根據水文地質勘探資料可知井工一礦巖溶水位介于水位約為+1060~1080m,19106工作面所處巖溶水位約為1060m,而該工作面最低點標高為+988m,屬于帶壓開采,最大帶壓高度為72m,帶壓開采范圍為整個工作面的76%。奧陶系灰巖頂界等值線與灰巖等水位線如圖2.1所示。

圖 2.1  奧陶系灰巖頂界等值線與灰巖等水位線圖

回采期間,安裝了高精度微震監測系統,對目標工作面的圍巖破裂情況進行實時監測。圖3.2為2012年12月至2013年10月期間,微震系統獲取的微地震事件沿走向剖面展開,可得到隨工作面開采頂、底板破裂分布特征。

圖 2.2  工作面微地震揭示的采場三維破裂場分布特征圖

由圖2.2可知,底板破裂深度以2013年7月20日為分界線,此時,工作面推進至1730m,此分界線以西,底板破裂深度最大達90m,集中破裂深度約為25m~30m;自此分界線以東,底板最大破裂事件數量顯著增多,尤其在工作面與向斜軸之間的區域,底板最大破裂深度約90m,集中破裂深度略大于30m,且發生在工作面后方。

 

圖 2.3  微地震事件走向剖面分布特征(2013.04.01~2013.05.22)

圖 2.4  微地震事件平面分布特征(2013.04.01~2013.05.22)

微地震監測技術的發展為動態測定底板破裂深度、動態確定穩定隔水層厚度、動態確定突水系數提供了技術保障?;?9106工作面微地震監測結果,項目組首次提出“動突水系數”的概念,并應用于底板突水預測預警。

“動突水系數”是基于微地震監測動態測定的底板破裂深度,實時計算底板穩定隔水層厚度,進而得到的突水系數。采用以下公式表示:

                        (3-1)


式中:Ts為突水系數;

P為含水層靜壓水頭壓力;

M破壞前底板隔水層厚度;

Cp為微震監測的底板已破裂導通的厚度。

19106工作面底板破裂深度與動突水系數關系見圖2.5。

圖2.5  底板破裂深度與動突水系數對比圖

 

3  磷礦頂板強含水層破裂與突水監測預警研究

工程概況:礦體已開采至425中段,下部未采礦體主要分布在128~425m標高間。當地侵蝕基準面標高為750m,礦井最低排泄面標高為425m。東區礦坑排水量8000~9000m3/d。西區因礦體頂板直接分布第四系中更新統含粘性土礫石含水層,厚度較大,透水性較強,預測礦坑涌水量較大,水文地質工程地質條件較復雜。但由于該采礦方法具有較大的開采擾動,存在頂板破裂和突水淹井的危險。所以安裝了高精度微震監測系統,對圍巖破裂情況進行實時監測。礦體垂直剖面圖如圖3.1所示,微震系統布置與預警圖見圖3.2、圖3.3及圖3.4。

圖 3.1  礦體垂直剖面圖

圖 3.2  微震系統總體線路布置圖

圖 3.3  微震系統布置示意圖

圖 3.4  礬山圖磷礦頂板強含水層破裂與突水實時監測預警圖(2012.03~201205

高精度微地震監測系統對當前采礦方法下礦區大面積開采后頂板和礦柱的三維破裂場、導水通道的形成發展過程進行實時監測、動態預報、提前預警。

通過實時監測該礦西區當前所用采礦方法對頂板含水層的擾動影響較小,整個監測區域內巖石破裂能量均較小,且零散分布于生產采場上方巖層,沒有形成導水裂隙帶,不會導致頂板潰水事故的發生。礦山在有效監測的前提下,適當優化采礦方法參數,實現礦石的安全回采和高效回收,提高礦山經濟效益。


4 微震監測技術在煤礦防治水中的應用與研究

正在開采的182106工作面底板40米處為高溫、高壓含水層,開采過程中存在如下突水隱患:

(1)存在X3陷落柱活化導水可能,該陷落柱開采前注入了6萬t水泥進行注漿封堵;

(2)存在F2大斷層活化導水可能,該斷層平行工作面走向,與上順槽之間的煤柱寬度為30m左右;

(3)開采前的音透監測表明,在距離開切眼400m處,有寬度50-60m的音透異常范圍,貫穿工作面傾向,在掘進下順槽時,該部位曾經出水,即開采過程中,該區域巖層破裂后可能引起突水;

(4)可能存在的隱伏斷層或其他構造導致的突水。

為此在182106工作面安裝了高精度微震監測系統,對圍巖破裂情況進行實時監測。微震系統布置與預警圖見圖4.1及圖4.2。

圖 4.1  微震監測系統布置示意圖

圖 4.2  檢波器布置平面圖

圖 4.3  微震監測的巖層破裂平面投影圖

震監測的巖層破裂平面投影圖如圖5.3所示。通過監測獲得了工作面120米長度條件下的頂板、底板破裂的結果以及開采對斷層、陷落柱的活化影響距離、影響程度等參數,為預警突水提供了依據。

通過分階段的突水預報,保障了工作面的安全開采,特別是監測到了X3陷落柱受到了開采的影響,因此,提出了加固該陷落柱和調整開采方案的建議,為工作面保障工作面安全提供了決策依據。


5  金礦海下開采的微地震研究

該金礦作為海下開采的黃金礦山,其開采難度較大,技術要求與安全要求高,沒有安全措施作保障,就會有可能導致海床隔水層破壞,任何細微的海水滲漏,都將導致海水滲透,造成井毀人亡的重大安全事故。特別是海床下礦體的快速、高強度回采及井下頻繁爆破,都會引起海床的不均勻變形與沉降,從而導致上覆巖層與頂板的變形相對集中,在開采區域內出現較大沉降與變形,有可能引起巖層的移動,形成導水通道。為此該礦安裝了BMS微震監測系統預警突水,監測系統檢波器布置在-135、-165、-200和-400水平,共17個測點;低頻4.5Hz檢波器有1#、8#、11#、15#、16#檢波器,其余為中頻60Hz檢波器。微震監測布置簡圖如圖5.1所示。

 


圖 5.1  三山島金礦微地震監測系統布置簡圖

圖中方框為BMS井下監測分站 三角為測點

BMS微震監測系統監測到的有效信息全部為放炮數據,沒有巖層破裂信息。圖5.2為2008年12月12日~2009年01月06日各勘探線微震事件剖面分布。

圖 5.2  各勘探線微震事件剖面分布圖

該礦為急傾斜厚大礦體,斷層節理裂隙發育,極易導水;破裂速度和范圍遠大于煤礦等沉積巖地層的沉降,集中體現世界海底金礦開采的共性難題。

6 測點布置案例及定位、臺網誤差分析

     

         圖 6.1  測點布置平面圖圖                                           圖6.2  某礦微震事件定位結果展示圖

圖6.3  某礦微震臺網誤差分析

7  應用領域

 微震作為一種較新的地球物理監測技術,現已廣泛應用于各工程領域,近年來在全國科研人員、現場工程技術人員的共同努力下已取得了重大發展。從微震應用的場景來分,包括煤礦微震、金屬礦微震、實驗室微震(聲發射)、巖土微震,不同的場合又有不同有深層次的應用,具體可分類如下表7-1。


7-1  微震監測系統的應用范圍分類表

系統名稱定義布置方式監測頻率能量分布定位精度用途
地音監測
以監測高頻低能量的圍巖微破裂信號為主
區內集中
幾十至2000Hz
小于102J

——

判斷煤巖體受力狀態和破壞進程,評價巖體的穩定性,得到推采速度與能量釋放的關系
高精度微震監測
以監測中高頻巖層破裂信號為主
區內集中
1-150Hz
大于102J
8-10m
可以用于沖擊地壓、煤與瓦斯突出、突水預警也可以指導區段煤柱留設合理停采線位置確定、支架選型等
全礦井微震監測
主要用于測低頻大能量巖層斷裂運動
區間分布
1-40Hz
大于0.5里氏震級
40-50m
用于判定全礦巖層活動范圍及活躍程度,指導采區煤柱留設 地質構造活化,大巷及上下山煤柱穩定性等
一體化震動監測
能量 頻率 監測范圍全覆蓋的全能型震動監測

區內集中-

區間分布

1-2000Hz
全覆蓋
8-50m
具備地音 高精度微震全礦微震監測系統的全部功能

          

    附:微震監測系統介紹                       


2017年11月10日

KJ551系統功能之自動定位技術

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微震監測系統在礦井防治水的應用

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