楊宏偉,王海東, 王俊紅, 高 宏, 錢志良, 韓 兵

(1. 華北科技學院 礦山安全學院,北京 東燕郊 065201；2. 晉能控股煤業(yè)集團成莊礦，山西 晉城 048000；3. 中煤科工集團沈陽院有限公司,遼寧 沈陽 110012)

0 引言

目前，微震監(jiān)測技術在預測煤與瓦斯突出、預測沖擊地壓、小煤柱的留設、導水裂隙帶的發(fā)育程度、煤巖體三維破裂監(jiān)測、露天礦邊坡滑移等煤礦方面得到了廣泛應用[1-2]。但是，面對海量的微震數據，如何對數據進行處理和解釋是科研人員和煤礦工作人員當前的最大挑戰(zhàn)。微震設備能夠監(jiān)測到巖體破裂的三維數據以及災害發(fā)生的前兆信息，需要業(yè)內專家去分析。但是煤礦現場缺乏這方面的專業(yè)技術人才，導致微震監(jiān)測難以發(fā)揮出應有的作用，因此，如何顯示海量數據，使之更加能讓煤礦現場工作人員一目了然，是當前急需解決的問題，在這方面一些國內外專家學者進行了一些工作。姜福興等[3-7]利用自研的微震設備把微震監(jiān)測技術在煤礦當中進行了廣泛的應用，揭示了覆巖空間裂隙場的演化過程，在微震數據的平面展示、剖面展示、按區(qū)域范圍展示、按時間范圍顯示、按能量范圍展示、巖層范圍等方面做了深入的研究。楊宏偉等[8]利用visual studio 平臺對AutoCAD進行二次開發(fā)，對微震數據進行了三維展示。孟祥軍[9]利用微震對覆巖“三帶”進行監(jiān)測，并將監(jiān)測結果應用到瓦斯抽采鉆孔的優(yōu)化當中。秦貴成[10]等利用微震監(jiān)測技術對鉆孔鉆進擾動范圍進行了深入的研究。

本文利用自行開發(fā)的程序對某回采工作面覆巖空間微震監(jiān)測數據進行三維立體剖切，顯示在不同的開采時間和不同的開采位置的三維破裂場的演化特征，并根據微震監(jiān)測數據時空間特征，對瓦斯抽采高低位長短鉆孔空間位置進行了優(yōu)化，提高了抽采效果。

1 微震監(jiān)測數據定位及顯示方法

根據文獻1-5所采用的定位方法，對任意一個檢波器，都有如下關系式:

(1)

式中，xi，yi，zi，ti為微震檢波器的空間坐標(m)和微震信號初始到時點(ms)，x，y，z，t為微震震源的空間坐標和微震發(fā)生的時間。取其中的四個方程組成一個方程組即可求出震源的空間位置及其發(fā)生時間。

圖1 微震定位示意圖

圖1中A、B、C、D為檢波器，E為微震震源，t為破裂發(fā)生的時間，t1、t2、t3、t4分別為微震波經過巖層到達各檢波器的時間，V為微震波在巖石中的傳播速度。取微震震源與檢波器的走時關系中的四個組成一個方程組如下：

(2)

將方程組變形為可用牛頓迭代法求解的形式為：

(3)

由方程組可以看出，錄入檢波器的空間坐標和微震波的時間，就可以解出微震源的空間坐標和發(fā)生的時間。其中，坐標值可以預先測到，微震波的到時記錄在軟件當中。由牛頓迭代程序求得。有效數據為4個時，解一個震源坐標,有效數據為5個時，先對到時按從小到大排序，然后任意組合，解5個震源坐標；有效數據多于5個時，按到時從小到大排序(多于10個時，取前10個)，按4-4組合生成方程組。將數據導入到軟件當中，可得到巖體破裂的微震定位結果。

目前，微震數據的定位與展示軟件較多，有從國外直接引進過來的，有的是根據國外設備漢化或者自行研制的，這些軟件多數操作復雜，需要專業(yè)人士來分析。本文開發(fā)的定位與展示軟件是在AutoCAD基礎上開發(fā)的，操作簡單，具有較強的應用性。

2 微震監(jiān)測數據的剖切展示

根據編制軟件的剖切功能可以對微震信息任意解讀，研究煤巖體的切片，來解讀煤巖體的破裂特征和破裂時段，在某一點上進行X、Y、Z軸的三維立體剖切，分割后的模型，同樣展示微震分布特征，應用Visual studio構建三個函數private bool IsThePointMid(string Direction,Point3d Startp, Point3d Endp, Point3d Cutp) /刪除實體。prPosRes = ed.GetPoint("拾取剖面位置： ");private void CutFuntion()/剖切量的大小。利用軟件程序對某工作面微震監(jiān)測數據進行了處理，某回采工作面微震剖切范圍如圖2所示。

圖2 微震剖切范圍

根據軟件對工作面范圍立面進行剖切，微震點的大小和顏色可以表示微震的能級。

利用軟件設置的三維剖切函數對工作面范圍進行微震數據的剖切，尋找微震數據密集區(qū)域，作為抽采范圍的分界，可以確定高低位鉆孔的布置范圍，基于微震數據的高低位鉆孔布置范圍如圖3所示。

圖3 基于微震數據的高低位鉆孔布置范圍

3 基于微震監(jiān)測數據的鉆場高低位長短鉆孔設計

應用開發(fā)軟件調取AutoCAD的繪圖函數進行三維建模，根據確定的頂底板巖層信息，建立三維立體的礦體模型。

根據微震的破裂范圍以及某回采工作面上覆巖層的空間形態(tài)確定的瓦斯抽采范圍，并根據開發(fā)的軟件與CAD的數據轉換功能，在CAD當中自動進行高位鉆孔的設計。CAD建模如圖4所示。

圖4 基于CAD建模

圖5 某工作面現場布置鉆孔示意圖

應用微震數據顯示的破裂高度和密集程度進行布孔，選擇鉆場的起始點和微震破裂密集處的終孔位置，以及考慮鉆孔經過位置的煤巖體破裂程度，可以優(yōu)化具體的鉆孔參數，根據優(yōu)化出的鉆孔參數進行布孔，可以避免經驗公式的誤差，應用微震數據設計和優(yōu)化高低位抽放鉆孔，從理論和實際解決了困擾礦山工作人員的高位鉆孔定位不合理、抽采不達標的問題。

基于微震數據和三維礦體模型的“高低位長短鉆孔”的優(yōu)化原理應用“區(qū)域定位法”進行瓦斯抽采立體空間的鉆孔設計，區(qū)域定位法就是首先確定微震密集(煤巖層破裂)區(qū)域，在礦圖上畫出破裂范圍。

參照上一工作面的微震監(jiān)測數據，利用設計應用軟件對某回采工作面2號鉆場高低位鉆孔進行了優(yōu)化設計，某工作面現場布置鉆孔如圖5所示。通過軟件錄入參數，優(yōu)化得出了2號鉆場高低位長短鉆孔的參數，2號鉆場高低位鉆孔的優(yōu)化參數示意圖如圖6所示。

圖6 2號鉆場高低位長短鉆孔的優(yōu)化參數示意圖

通過微震數據對鉆場高低位長短鉆孔進行優(yōu)化設計，根據某回采工作面2號鉆場瓦斯抽采濃度數據進行統(tǒng)計，瓦斯抽采濃度較之前提高10%～30%。利用微震數據分析技術對高低位長短鉆孔進行優(yōu)化，對后續(xù)相似條件工作面高低位鉆孔設計具有現實指導意義。

4 結論

(1) 利用開發(fā)的程序加載AutoCAD讀取微震監(jiān)測數據，對某回采工作面微震數據進行了三維剖切，可以展示采掘時間、采掘進展、等時空間煤巖裂隙的分布特征，為煤礦相似條件的工作面鉆孔空間布置提供依據。

(2) 利用基于微震監(jiān)測數據的“區(qū)域定位法”對某回采工作面2號鉆場進行了高低位長短鉆孔的優(yōu)化設計，克服了經驗公式的誤差性、人工計算的繁瑣性，也為微震數據的直接應用提供了一個便捷的方法。

(3) 通過對某回采工作面2號鉆場的優(yōu)化，瓦斯抽采濃度較之前提高10%～30%，成果應用到后續(xù)鉆場高低位長短鉆孔空間布置，可以做到精準抽采，為工作面回采保駕護航。