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        陳家溝煤礦微震監(jiān)測系統(tǒng)建立及定位校準

        2015-12-28 08:35:45李學軍宋治紅
        中國煤炭工業(yè) 2015年3期
        關鍵詞:陳家溝炮點放炮

        文/李學軍 宋治紅

        陳家溝煤礦微震監(jiān)測系統(tǒng)建立及定位校準

        文/李學軍 宋治紅

        微震監(jiān)測系統(tǒng)作為一種區(qū)域性監(jiān)測方法,其原理是利用拾震儀站接收的直達P波起始點的時間差,在特定的波速場條件下進行二維或三維定位,以判定破壞點,并根據(jù)所監(jiān)測的微震信號特征來確定巖體破裂的發(fā)生時間、空間位置及強度等,根據(jù)微震活動的變化、震源方位和活動趨勢可以評價礦壓危險性。在微震監(jiān)測系統(tǒng)安裝初始,一般需要在系統(tǒng)監(jiān)測區(qū)域內通過人為放炮制造震動,通過已知的震源坐標、放炮時間和系統(tǒng)監(jiān)測到的震源信息來確定震動在煤巖體中的傳播速率,校正監(jiān)測系統(tǒng)定位的準確性。甘肅華亭煤電股份有限公司陳家溝煤礦通過在某采區(qū)安裝KJ699微震監(jiān)測系統(tǒng),利用多次放炮來監(jiān)測定位,對自然震動與炮震波形進行對比,對該系統(tǒng)定位進行校準分析。本文對上述微震監(jiān)測系統(tǒng)的建立及定位校準事宜進行詳盡闡述。

        一、煤巖地質概況

        陳家溝煤礦所采煤層直接頂為泥巖、煤巖互層,老頂為砂巖,直接底為砂質泥巖,老底為中粒粗砂巖。礦井地質構造、水文情況簡單,正常涌水量不超過80m3/h。礦井絕對瓦斯涌出量2.523m3/min,相對涌出量0.744m3/t。煤塵具有爆炸危險,爆炸指數(shù)43.64%以上。煤層自然發(fā)火期3至6個月,自燃等級Ⅰ級。礦井現(xiàn)進行采掘活動的工作面煤層埋深543.1m至560m。根據(jù)綜合分析判定,煤層覆巖中有三層關鍵層,亞關鍵層1為細粒砂巖,距離煤層頂板7.4m;亞關鍵層2為砂質泥巖,離煤層頂板高度110.3m;主關鍵層粉砂巖,高度為196m。隨著開采范圍的增大,關鍵層斷裂形成臨時穩(wěn)定結構,關鍵層結構失穩(wěn)。大面積覆巖在重力作用下整體移動,組合關鍵層呈似懸臂結構斷裂,釋放能量。關鍵層未斷裂或未失穩(wěn)之前,主關鍵層之下形成較大的離層空間,關鍵層失穩(wěn)后,在上覆松散層加載作用下,產(chǎn)生巨大的動載能量,可能誘發(fā)地應力發(fā)生礦壓災害。

        表1 炮點實驗定位誤差對比

        二、微震監(jiān)測系統(tǒng)建立

        微震監(jiān)測系統(tǒng)主要由地面和井下設備兩部分組成,地面設備有數(shù)據(jù)采集服務器、終端分析計算機等,井下部分主要由微震監(jiān)測分站、GZC4.5A礦用拾震器組成(圖1)。微震系統(tǒng)包含采集、分析兩個軟件。礦井某采區(qū)工作面走向長度約2400m,正在掘進的工作面與相鄰工作面采空區(qū)之間留有寬度6m的小煤柱,以拾震器對所要監(jiān)測區(qū)域形成交錯包絡為最佳布局設計,相鄰2臺拾震器間隔200m~300m,均勻分布(圖2),對掘進工作面形成半包圍監(jiān)測,初期共安裝12臺傳感器。

        三、定位校準

        1.波速給定

        通過一期放炮實驗,系統(tǒng)計算給定陳家溝煤礦特定煤巖地質條件下的波速值為4159m/s,以此作為后面的定位波速值。

        2.定位計算

        在兩條掘進巷道共布置了12個炮點,系統(tǒng)接收到可以定位的共有10個炮震事件,其中1號炮震通過6~7、11~13號傳感器接收到的震動信號有效波形數(shù)據(jù)如圖3。

        震源實際位置與系統(tǒng)定位誤差(ΔX,ΔY,ΔZ)如表1所示。

        3.效果分析

        大部分炮點定位結果跟實際位置誤差小于50m,1個炮點在垂直方向Z軸誤差超過50m,誤差136.8m。對這個炮點分析,炮點所在位置距掘進頭最近的傳感器距離在500m,遠遠超出預期布局網(wǎng)絡。對于不能定位的2個炮點,通過查看波形分析得知,傳感器接收到震動波形數(shù)量可以滿足定位要求,但由于遠離布局網(wǎng)絡,距離最近的傳感器分別是500m和400m,使得定位偏差偏大。

        從定位計算的結果看,由于各個監(jiān)測實驗炮點與傳感器的位置關系、裝藥放炮質量、定位時選擇的通道及其數(shù)量、分析人員操作差異等原因,導致定位計算結果存在差異。傳感器分布在炮點(震源)周圍時,定位結果較為理想,且距離越接近越準確,并可由系統(tǒng)一次定位成功,誤差較?。?~30m之間);在炮眼深度、裝藥量相同的條件下,系統(tǒng)接收到的波形和定位計算的能量有差異,經(jīng)分析認為與裝藥、放炮的質量有關,同時震動能量有衰減損失;在已知炮點坐標的情況下,根據(jù)反復定位的結果,選擇炮點周邊的傳感器通道數(shù)據(jù)進行定位計算,得出的誤差較小。同時,不同人員進行定位操作得出的結果不一樣,且同一人移動卡尺標識波形起跳點進行定位時,結果也有差別。今后在定位計算中,需要不斷摸索練習,總結經(jīng)驗,減小定位誤差。

        4.波形特征分析

        炮震與自然礦震波形特征存在差別(圖4)。炮震屬于高頻震動,衰減快,波形短;自然礦震屬低頻震動,波形長,衰減較慢,傳播的距離相應也長。

        5.臺網(wǎng)布局完善

        根據(jù)上述定位分析結果,增加1臺傳感器,調整了個別傳感器安設位置,第三次安排6個炮點進行驗證。結果表明,位于布局網(wǎng)絡內的震源定位精準度得到了提高。

        四、結語

        1.人為放炮制造震動事件可以對微震監(jiān)測臺網(wǎng)布局和定位計算進行優(yōu)化和校準。

        2.合理進行微震監(jiān)測布局設計,接收到的理想波形數(shù)據(jù)在5條以上,可以提高震動事件的定位準確性。

        3.通過震動波形特征分析可區(qū)分自然事件與炮震。

        (作者單位:甘肅華亭煤電股份有限公司陳家溝煤礦)

        (責任編輯:龐永厚)

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