1、微震技术简介

微震监测技术(microseismic monitoring technique,简称MS)是近年来从地震勘查行业演化和发展起来的一项跨学科、跨行业的新技术。微震监测技术用于监测岩体在变形和破坏过程中,裂纹产生、扩展、摩擦时内部积聚的能量以应力波形式释放,产生的微震事件。

微震监测系统的原理与常规地震监测系统基本一样,只是它具有更强的敏感性和更高精准性,可监测的震动的震级更小、精度更高。微震震源及监测灵敏度见表1-1,微震里氏震级范围图见图1.1。

表 1-1  岩体微震震源及监测灵敏度表

                    


最小震级

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  微震里氏震级范围图


 

突水,亦是一种动力型致灾性强的矿山灾害,矿山水害的发生必须具备水源、水量和导水通道3个条件,对水源和水量起决定作用的含水层,其补给和排泄条件具有区域性和面状分布的特点,往往是易于查明和预测分析的,但导水通道(裂隙、断层、陷落柱)具有极强的局部性和隐蔽性,具体表现在:

(1)原生导水通道的不可预知性;

(2)受采动影响新生导水通道的不可预知性;

(3)已探明的断层、陷落柱等地质构造活化与否的不可预知性。

因此导水通道的形成监测成为预防突水灾害形成的关键,而微震监测作为一种岩体微破裂三维空间监测技术,是描述导水通道孕育、发展到最终失稳过程的有效技术手段。

高精度微震监测技术进行煤矿突水危险监测时采用全局寻优定位技术,充分考虑内、外场震源定位的不同影响因素,结合速度结构、检波器一致性等校正技术,实现微震震源的高稳定、高精度定位、优化布置微震监测台网,对大断层、陷落柱等隐伏构造进行实时监测,通过对定位结果的三维展示和分析,得到地质构造的活化规律、底板破裂深度、顶板破裂高度、合理煤柱尺寸等实测参数,实现对突水危险性的预测预报。

 

2  煤层底板突水监测预警

某矿19106工作面是9号煤的首采工作面,19106工作面下存在奥灰承压水,根据水文地质勘探资料可知井工一矿岩溶水位介于水位约为+1060~1080m,19106工作面所处岩溶水位约为1060m,而该工作面最低点标高为+988m,属于带压开采,最大带压高度为72m,带压开采范围为整个工作面的76%。奥陶系灰岩顶界等值线与灰岩等水位线如图2.1所示。

图 2.1  奥陶系灰岩顶界等值线与灰岩等水位线图

回采期间,安装了高精度微震监测系统,对目标工作面的围岩破裂情况进行实时监测。图3.2为2012年12月至2013年10月期间,微震系统获取的微地震事件沿走向剖面展开,可得到随工作面开采顶、底板破裂分布特征。

图 2.2  工作面微地震揭示的采场三维破裂场分布特征图

由图2.2可知,底板破裂深度以2013年7月20日为分界线,此时,工作面推进至1730m,此分界线以西,底板破裂深度最大达90m,集中破裂深度约为25m~30m;自此分界线以东,底板最大破裂事件数量显著增多,尤其在工作面与向斜轴之间的区域,底板最大破裂深度约90m,集中破裂深度略大于30m,且发生在工作面后方。

 

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

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

微地震监测技术的发展为动态测定底板破裂深度、动态确定稳定隔水层厚度、动态确定突水系数提供了技术保障。基于19106工作面微地震监测结果,项目组首次提出“动突水系数”的概念,并应用于底板突水预测预警。

“动突水系数”是基于微地震监测动态测定的底板破裂深度,实时计算底板稳定隔水层厚度,进而得到的突水系数。采用以下公式表示:

                        (3-1)


式中:Ts为突水系数;

P为含水层静压水头压力;

M破坏前底板隔水层厚度;

Cp为微震监测的底板已破裂导通的厚度。

19106工作面底板破裂深度与动突水系数关系见图2.5

图2.5  底板破裂深度与动突水系数对比图

 

3  磷矿顶板强含水层破裂与突水监测预警研究

工程概况:矿体已开采至425中段,下部未采矿体主要分布在128~425m标高间。当地侵蚀基准面标高为750m,矿井最低排泄面标高为425m。东区矿坑排水量8000~9000m3/d。西区因矿体顶板直接分布第四系中更新统含粘性土砾石含水层,厚度较大,透水性较强,预测矿坑涌水量较大,水文地质工程地质条件较复杂。但由于该采矿方法具有较大的开采扰动,存在顶板破裂和突水淹井的危险。所以安装了高精度微震监测系统,对围岩破裂情况进行实时监测。矿体垂直剖面图如图3.1所示,微震系统布置与预警图见图3.2、图3.3及图3.4。

图 3.1  矿体垂直剖面图

图 3.2  微震系统总体线路布置图

图 3.3  微震系统布置示意图

图 3.4  矾山图磷矿顶板强含水层破裂与突水实时监测预警图(2012.03~201205

高精度微地震监测系统对当前采矿方法下矿区大面积开采后顶板和矿柱的三维破裂场、导水通道的形成发展过程进行实时监测、动态预报、提前预警。

通过实时监测该矿西区当前所用采矿方法对顶板含水层的扰动影响较小,整个监测区域内岩石破裂能量均较小,且零散分布于生产采场上方岩层,没有形成导水裂隙带,不会导致顶板溃水事故的发生。矿山在有效监测的前提下,适当优化采矿方法参数,实现矿石的安全回采和高效回收,提高矿山经济效益。


4 微震监测技术在煤矿防治水中的应用与研究

正在开采的182106工作面底板40米处为高温、高压含水层,开采过程中存在如下突水隐患:

(1)存在X3陷落柱活化导水可能,该陷落柱开采前注入了6万t水泥进行注浆封堵;

(2)存在F2大断层活化导水可能,该断层平行工作面走向,与上顺槽之间的煤柱宽度为30m左右;

(3)开采前的音透监测表明,在距离开切眼400m处,有宽度50-60m的音透异常范围,贯穿工作面倾向,在掘进下顺槽时,该部位曾经出水,即开采过程中,该区域岩层破裂后可能引起突水;

(4)可能存在的隐伏断层或其他构造导致的突水。

为此在182106工作面安装了高精度微震监测系统,对围岩破裂情况进行实时监测。微震系统布置与预警图见图4.1及图4.2。

图 4.1  微震监测系统布置示意图

图 4.2  检波器布置平面图

图 4.3  微震监测的岩层破裂平面投影图

震监测的岩层破裂平面投影图如图5.3所示。通过监测获得了工作面120米长度条件下的顶板、底板破裂的结果以及开采对断层、陷落柱的活化影响距离、影响程度等参数,为预警突水提供了依据。

通过分阶段的突水预报,保障了工作面的安全开采,特别是监测到了X3陷落柱受到了开采的影响,因此,提出了加固该陷落柱和调整开采方案的建议,为工作面保障工作面安全提供了决策依据。


5  金矿海下开采的微地震研究

该金矿作为海下开采的黄金矿山,其开采难度较大,技术要求与安全要求高,没有安全措施作保障,就会有可能导致海床隔水层破坏,任何细微的海水渗漏,都将导致海水渗透,造成井毁人亡的重大安全事故。特别是海床下矿体的快速、高强度回采及井下频繁爆破,都会引起海床的不均匀变形与沉降,从而导致上覆岩层与顶板的变形相对集中,在开采区域内出现较大沉降与变形,有可能引起岩层的移动,形成导水通道。为此该矿安装了BMS微震监测系统预警突水,监测系统检波器布置在-135、-165、-200和-400水平,共17个测点;低频4.5Hz检波器有1#、8#、11#、15#、16#检波器,其余为中频60Hz检波器。微震监测布置简图如图5.1所示。

 


图 5.1  三山岛金矿微地震监测系统布置简图

图中方框为BMS井下监测分站 三角为测点

BMS微震监测系统监测到的有效信息全部为放炮数据,没有岩层破裂信息。图5.2为2008年12月12日~2009年01月06日各勘探线微震事件剖面分布。

图 5.2  各勘探线微震事件剖面分布图

该矿为急倾斜厚大矿体,断层节理裂隙发育,极易导水;破裂速度和范围远大于煤矿等沉积岩地层的沉降,集中体现世界海底金矿开采的共性难题。

6 测点布置案例及定位、台网误差分析

     

         图 6.1  测点布置平面图图                                           图6.2  某矿微震事件定位结果展示图

图6.3  某矿微震台网误差分析

7  应用领域

 微震作为一种较新的地球物理监测技术,现已广泛应用于各工程领域,近年来在全国科研人员、现场工程技术人员的共同努力下已取得了重大发展。从微震应用的场景来分,包括煤矿微震、金属矿微震、实验室微震(声发射)、岩土微震,不同的场合又有不同有深层次的应用,具体可分类如下表7-1。


7-1  微震监测系统的应用范围分类表

系统名称定义布置方式监测频率能量分布定位精度用途
地音监测
以监测高频低能量的围岩微破裂信号为主
区内集中
几十至2000Hz
小于102J

——

判断煤岩体受力状态和破坏进程,评价岩体的稳定性,得到推采速度与能量释放的关系
高精度微震监测
以监测中高频岩层破裂信号为主
区内集中
1-150Hz
大于102J
8-10m
可以用于冲击地压、煤与瓦斯突出、突水预警也可以指导区段煤柱留设合理停采线位置确定、支架选型等
全矿井微震监测
主要用于测低频大能量岩层断裂运动
区间分布
1-40Hz
大于0.5里氏震级
40-50m
用于判定全矿岩层活动范围及活跃程度,指导采区煤柱留设 地质构造活化,大巷及上下山煤柱稳定性等
一体化震动监测
能量 频率 监测范围全覆盖的全能型震动监测

区内集中-

区间分布

1-2000Hz
全覆盖
8-50m
具备地音 高精度微震全矿微震监测系统的全部功能

          

    附:微震监测系统介绍                       


2017年11月10日

KJ551系统功能之自动定位技术

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