CN110761841A - 一种基于微震监测的矿井群工作面开采互扰范围计算方法 - Google Patents

一种基于微震监测的矿井群工作面开采互扰范围计算方法 Download PDF

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CN110761841A CN201911027646.8A CN201911027646A CN110761841A CN 110761841 A CN110761841 A CN 110761841A CN 201911027646 A CN201911027646 A CN 201911027646A CN 110761841 A CN110761841 A CN 110761841A
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Abstract

本发明提供了一种基于微震监测的矿井群工作面开采互扰范围计算方法，涉及矿井监测及数据处理技术领域，该方法具体包括：步骤一.布置矿井群两个工作面之间的微震监测；步骤二.在顶板和底板施工钻孔，在各个岩层施工***，测定各岩层震动波传播的波速；步骤三.在两个工作面开采过程中监测得到微震事件的坐标和时间，两个工作面监测同一震源产生的微震事件时，计算求解同一震源发震时间间隔最大值；步骤四.依次统计各时间段范围内微震事件占比，计算确定时间段组内两个微震事件的空间距离，最大值为工作面开采互扰范围。利用该方法能够快速、合理的确定矿井群两工作面开采互扰范围，为矿区待采区域两工作面的合理优化布置提供依据。

Description

一种基于微震监测的矿井群工作面开采互扰范围计算方法
技术领域
本发明涉及矿井监测及数据处理技术领域，尤其是一种基于微震监测的矿井群工作面开采互扰范围计算方法。
背景技术
对于某一特定地质条件的矿区而言，通常情况下上覆岩层随煤炭的采出会形成垮落带、断裂带和弯曲下沉带，其中弯曲下沉带岩层运动对其所覆盖的工作面煤体的应力环境起宏观控制作用。实践表明，当矿井群局部区域内存在两个工作面同时生产时，其中一个工作面开采活动将导致采空区高位顶板发生弯曲下沉，厚硬岩层的整体作用将造成该区域煤体应力重新分布，从而对另一工作面煤岩体产生较强的应力扰动。
未来煤炭基地的建设朝着多矿区、特大型矿井、高产量、高效率、高效益的可持续开发新模式的方向发展，随着煤矿大型集中化与高效集约化开采，局部区域多工作面同时开采将成为新常态，由开采造成的强应力扰动现象将愈加显著，强扰动诱发工作面煤岩动力灾害的可能性将大大增加。
目前还没有准确确定两工作面开采相互扰动范围的直接有效方法，需要提供一种方法能够对不同地质条件、不同开拓布局和不同回采设计条件下已采两工作面的开采扰动范围进行计算，为将来矿区待采区域两工作面的合理优化布置提供依据，实现煤炭的安全开采。
发明内容
为了能够快速、合理的确定矿井群两工作面开采互扰范围，为矿区待采区域两工作面的合理优化布置提供依据，本发明提供了一种基于微震监测的矿井群工作面开采互扰范围计算方法，具体技术方案如下。
一种基于微震监测的矿井群工作面开采互扰范围计算方法，具体包括：
步骤A.布置矿井群两个工作面之间的微震监测；
步骤B.在顶板和底板施工钻孔，在各个岩层施工***，分别测定各个岩层震动波传播至煤层和地表的波速；
步骤C.在两个工作面开采过程中监测得到微震事件的坐标和时间，并根据两个工作面监测同一震源产生的微震事件数据，计算求解同一震源发震时间间隔最大值；
步骤D.任取两个工作面的微震事件数据作为微震事件组，依次统计各时间段范围内微震事件组的占比，计算确定时间段组内任意两个微震事件的空间距离，得到矿井群两工作面开采互扰范围。
优选的是，步骤A包括：
A1.矿井群两工作面开采范围内布置微震监测***，调整两工作面微震监测***的授时至相同；
A2.在工作面煤层巷道和地表布置微震检波器并随工作面回采推进方向顺序回撤安装，连续接收工作面开采过程中的岩层破裂微震信号；
A3.工作面开采过程中收集煤层和上覆岩层破裂失稳产生的微震信号，通过微震***处理反演微震事件的空间位置，结合工作面位置的地层综合柱状图确定微震事件的发生岩层位置。
进一步优选的是，步骤A中还监测记录微震事件发生位置的岩层信息，标记发生微震事件的岩层最高层位至最低层位分别为岩层1至岩层m，岩层m至岩层n；其中n为正整数，m为1～n之间的任意正整数。
进一步优选的是，步骤B包括：
B1.分别在两个工作面的顺槽内或工作面上方的地表向煤层顶板和底板位置施工钻孔，施工钻孔的孔底为步骤A所标记发生微震事件的岩层的中部，并在每个孔底埋设200～2000g***，计***的空间位置坐标为(a，b，c)；
B2.在同一坐标系内确定煤层中所有微震检波器的三维坐标记为(d1，e1，f1)，(d2，e2，f2)，···(dn，en，fn)；地表所有微震检波器的三维坐标标记为(d1’，e1’，f1’)，(d2’，e2’，f2’)，···(dn’，en’，fn’)；
B3.确定***空间坐标与煤层中各个微震检波器的距离分别为：以及***空间坐标与地表各个微震检波器的距离分别为：
Figure BDA0002249144440000022
Figure BDA0002249144440000023
B4.控制***起爆，对步骤A中标记发生微震事件的岩层逐层控制起爆一次，对于岩层1，记录起爆时刻为t0，同时记录煤层中微震检波器测得起爆引发微震事件的发震时刻t1～tn，计算***空间坐标处到煤层中各个微震检波器处的平均波速为将v1～vn取均值
Figure BDA0002249144440000025
作为岩层1震动波传播至煤层的平均波速，其中
Figure BDA0002249144440000026
还优选的是，步骤B还包括：重复步骤B4中的计算过程，分别得到岩层1震动波传播至地表的平均波速
Figure BDA0002249144440000027
以及岩层2至岩层n震动波传播至煤层的平均波速
Figure BDA0002249144440000028
岩层2至岩层n震动波传播至地表的平均波速
还优选的是，步骤C具体包括：
C1.矿井群两个工作面同时回采期间，标记两个工作面位置及微震检波器在回采过程中的全部位置坐标，计算分别在两个工作面内的任意两个微震检波器之间的最大空间距离lmax；
C2.选取岩层1至岩层n震动波传播至煤层的平均波速
Figure BDA0002249144440000031
以及岩层1至岩层n震动波传播至地表的平均波速
Figure BDA0002249144440000032
中的最小值vmin；
C3.两个工作面监测同一震源产生的微震事件时，计算得到微震事件发震时间间隔的最大值
Figure BDA0002249144440000033
还优选的是，步骤D具体包括：
D1.记录两个工作面同时回采期间监测到的微震事件信息三维坐标和发震时间，其中一个工作面的微震事件信息分别记为(x1,y1,z1,t1)、(x2,y2,z2,t2)、…、(xk,yk,zk,tk)，另一工作面微震事件信息分别记为(X1,Y1,Z1,T1)、(X2,Y2,Z2,T2)、…、(Xk,Yk,Zk,Tk)；
D2.从两个工作面监测的微震事件中各选一个组成微震事件组，计算任意一组微震事件组内微震事件的时间间隔Δt＝Tk-tk，统统计各时间段(Δt'max,10s]、(10s,20s]、(20s,30s]、…、((n-1)×10s,n×10s]内的微震事件组数量，若在时间段(n×10s,(n+1)×10s]内无微震事件组，则停止统计，n为大于1的整数；
D3.计算微震事件组的总数C＝C1+C2+…+Cn，统计步骤D2各个时间段内内微震事件组数分别为C1、C2、…Cm…、Cn；
D4.分别计算前n个时间段内的微震事件组数占比：
Figure BDA0002249144440000034
当满足Pm-1≤70％且Pm＞70％时，选取时间段(Δt'max,m×10s]内所有微震事件组，m为1～n之间的任意正整数；计算选取时间段内的所有微震事件组内两微震事件的空间距离l，取l的最大值lmax即为矿井群两工作面开采互扰范围。
本发明提供了一种基于微震监测的矿井群工作面开采互扰范围计算方法，利用微震监测对矿井群两工作面同时开采过程中的扰动范围进行确定，首先通过控制***测量震动波在该地质条件下煤岩层内的传播速度，然后据此确定工作面回采过程中微震检波器监测到的微震事件坐标及时间，该方法确定更加符合实际情况，并根据震源相同的微震事件监测数据确定发震时间的最大时间间隔，最后通过微震事件组的统计及微震事件空间距离确定开采互扰范围，弥补了矿井群两个工作面开采互扰范围无法确定的空白。
该方法的步骤简单、设计合理、监测和计算灵活且适用性强，能够有效计算各种工况下两工作面开采过程中的相互扰动范围，确定相互扰动范围后可以根据该范围合理的优化工作面布置，为将来矿区待采区域两工作面的设计提供依据。
附图说明
图1是相邻工作面位置及微震检波器布置示意图；
图2是微震事件监测示意图；
图中：1-***，2-炮孔，3-微震检波器，4-产生微震事件的各岩层。
具体实施方式
结合图1和图2所示，本发明提供的一种基于微震监测的矿井群工作面开采互扰范围计算方法具体实施方式如下。
由于目前尚没有确定矿井群两个工作面开采互扰范围的方法，因此当两个工作面同时开采时无法确定相互扰动范围，在开采扰动范围不确定的情况下也无法对工作面进行合理的布置。本发明提供了一种基于微震监测的矿井群工作面开采互扰范围计算方法，利用微震监测对矿井群两工作面同时开采过程中的扰动范围进行确定，首先通过控制***测量震动波在该地质条件下煤岩层内的传播速度，然后据此确定工作面回采过程中微震检波器监测到的微震事件坐标及时间，该方法确定更加符合实际情况，并根据震源相同的微震事件监测数据确定发震时间的最大时间间隔，最后通过微震事件组的统计及微震事件空间距离确定开采互扰范围，弥补了矿井群两个工作面开采互扰范围无法确定的空白。
一种基于微震监测的矿井群工作面开采互扰范围计算方法，具体包括：
步骤A.布置矿井群两个工作面之间的微震监测。
具体是，步骤A包括：
A1.矿井群两工作面开采范围内布置微震监测***，调整两工作面微震监测***的授时至相同，保证监测记录各个时刻的准确性。
A2.在工作面煤层巷道和地表布置微震检波器并随工作面回采推进方向顺序回撤安装，连续接收工作面开采过程中的岩层破裂微震信号。
A3.工作面开采过程中收集煤层和上覆岩层破裂失稳产生的微震信号，通过微震***处理反演微震事件的空间位置，结合工作面位置的地层综合柱状图确定微震事件的发生岩层位置。
具体是，通过微震传感器实时监测两工作面开采过程中煤层和上覆岩层破裂失稳产生的震动信号，使用微震***处理软件反演出微震事件的空间位置，将两工作面附近地层综合柱状信息导入软件，使用该软件显示微震事件发生的岩层位置。
另外，步骤A中还监测记录微震事件发生位置的岩层信息，标记发生微震事件的岩层最高层位至最低层位分别为岩层1至岩层m，岩层m至岩层n(岩层1～n)；其中n为正整数，m为1～n之间的任意正整数。
步骤B.在顶板和底板施工钻孔，在各个岩层施工***，分别测定各个岩层震动波传播至煤层和地表的波速。
具体的是，步骤B包括：
B1.分别在两个工作面的顺槽内或工作面上方的地表向煤层顶板和底板位置施工钻孔，施工钻孔的孔底为步骤A所标记发生微震事件的岩层的中部，并在每个孔底埋设200～2000g***，计***的空间位置坐标为(a，b，c)。
B2.在同一坐标系内确定煤层中所有微震检波器的三维坐标记为(d1，e1，f1)，(d2，e2，f2)，···(dn，en，fn)；地表所有微震检波器的三维坐标标记为(d1’，e1’，f1’)，(d2’，e2’，f2’)，···(dn’，en’，fn’)。
B3.确定***空间坐标与煤层中各个微震检波器的距离分别为：
Figure BDA0002249144440000051
以及***空间坐标与地表各个微震检波器的距离分别为：
Figure BDA0002249144440000052
Figure BDA0002249144440000053
B4.人为控制***起爆，对步骤A中标记发生微震事件的岩层逐层控制起爆一次，对于岩层1，记录起爆时刻为t0，同时记录煤层中微震检波器测得起爆引发微震事件的发震时刻t1～tn，计算***空间坐标处到煤层中各个微震检波器处的平均波速为
Figure BDA0002249144440000055
将v1～vn取均值
Figure BDA0002249144440000056
作为岩层1震动波传播至煤层的平均波速，其中
Figure BDA0002249144440000057
另外，步骤B还包括：重复步骤B4中的计算过程，分别得到岩层1震动波传播至地表的平均波速
Figure BDA0002249144440000058
以及岩层2至岩层n震动波传播至煤层的平均波速
Figure BDA0002249144440000059
岩层2至岩层n震动波传播至地表的平均波速
Figure BDA00022491444400000510
步骤C.在两个工作面开采过程中监测得到微震事件的坐标和时间，并根据两个工作面监测同一震源产生的微震事件数据，计算求解同一震源发震时间间隔最大值。
具体的是，步骤C包括：
C1.矿井群两个工作面同时回采期间，标记两个工作面位置及微震检波器在回采过程中的全部位置坐标，计算分别在两个工作面内的任意两个微震检波器之间的最大空间距离lmax。
C2.选取岩层1至岩层n震动波传播至煤层的平均波速
Figure BDA00022491444400000511
以及岩层1至岩层n震动波传播至地表的平均波速
Figure BDA0002249144440000061
中的最小值vmin。
C3.两个工作面监测同一震源产生的微震事件时，计算得到微震事件发震时间间隔的最大值
Figure BDA0002249144440000062
步骤D.任取两个工作面的微震事件数据作为微震事件组，依次统计各时间段范围内微震事件组的占比，计算确定时间段组内任意两个微震事件的空间距离，得到矿井群两工作面开采互扰范围。
具体的是，步骤D包括：
D1.记录两个工作面同时回采期间监测到的微震事件信息三维坐标和发震时间，其中一个工作面的微震事件信息分别记为(x1,y1,z1,t1)、(x2,y2,z2,t2)、…、(xk,yk,zk,tk)，另一工作面微震事件信息分别记为(X1,Y1,Z1,T1)、(X2,Y2,Z2,T2)、…、(Xk,Yk,Zk,Tk)。
D2.从两个工作面监测的微震事件中各选一个组成微震事件组，计算任意一组微震事件组内微震事件的时间间隔Δt＝Tk-tk，统统计各时间段(Δt'max,10s]、(10s,20s]、(20s,30s]、…、((n-1)×10s,n×10s]内的微震事件组数量，若在时间段(n×10s,(n+1)×10s]内无微震事件组，则停止统计，n为大于1的整数。
D3.计算微震事件组的总数C＝C1+C2+…+Cn，统计步骤D2各个时间段内内微震事件组数分别为C1、C2、…Cm…、Cn。
D4.分别计算前n个时间段内的微震事件组数占比：
Figure BDA0002249144440000063
当满足Pm-1≤70％且Pm＞70％时，选取时间段(Δt'max,m×10s]内所有微震事件组，m为1～n之间的任意正整数；计算选取时间段内的所有微震事件组内两微震事件的空间距离l，取l的最大值lmax即为矿井群两工作面开采互扰范围。
该方法的步骤简单、设计合理、监测和计算灵活且适用性强，能够有效计算各种工况下两工作面开采过程中的相互扰动范围，确定相互扰动范围后可以根据该范围合理的优化工作面布置，为将来矿区待采区域同一煤层两工作面的设计提供依据。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于微震监测的矿井群工作面开采互扰范围计算方法，其特征在于，具体包括：
步骤A.布置矿井群两个工作面之间的微震监测；
步骤B.在顶板和底板施工钻孔，在各个岩层施工***，分别测定各个岩层震动波传播至煤层和地表的波速；
步骤C.在两个工作面开采过程中监测得到微震事件的坐标和时间，并根据两个工作面监测同一震源产生的微震事件数据，计算求解同一震源发震时间间隔最大值；
步骤D.任取两个工作面的微震事件数据作为微震事件组，依次统计各时间段范围内微震事件组的占比，计算确定时间段组内任意两个微震事件的空间距离，得到矿井群两工作面开采互扰范围。
2.根据权利要求1所述的一种基于微震监测的矿井群工作面开采互扰范围计算方法，其特征在于，所述步骤A包括：
A1.矿井群两工作面开采范围内布置微震监测***，调整两工作面微震监测***的授时至相同；
A2.在工作面煤层巷道和地表布置微震检波器并随工作面回采推进方向顺序回撤安装，连续接收工作面开采过程中的岩层破裂微震信号；
A3.工作面开采过程中收集煤层和上覆岩层破裂失稳产生的微震信号，通过微震***处理反演微震事件的空间位置，结合工作面位置的地层综合柱状图确定微震事件的发生岩层位置。
3.根据权利要求2所述的一种基于微震监测的矿井群工作面开采互扰范围计算方法，其特征在于，所述步骤A中还监测记录微震事件发生位置的岩层信息，标记发生微震事件的岩层最高层位至最低层位分别为岩层1至岩层m，岩层m至岩层n；其中n为正整数，m为1～n之间的任意正整数。
4.根据权利要求1或3所述的一种基于微震监测的矿井群工作面开采互扰范围计算方法，其特征在于，所述步骤B包括：
B1.分别在两个工作面的顺槽内或工作面上方的地表向煤层顶板和底板位置施工钻孔，施工钻孔的孔底为步骤A所标记发生微震事件的岩层的中部，并在每个孔底埋设200～2000g***，计***的空间位置坐标为(a，b，c)；
B2.在同一坐标系内确定煤层中所有微震检波器的三维坐标记为(d1，e1，f1)，(d2，e2，f2)，···(dn，en，fn)；地表所有微震检波器的三维坐标标记为(d1’，e1’，f1’)，(d2’，e2’，f2’)，···(dn’，en’，fn’)；
B3.确定***空间坐标与煤层中各个微震检波器的距离分别为：
以及***空间坐标与地表各个微震检波器的距离分别为：
Figure FDA0002249144430000021
Figure FDA0002249144430000022
B4.控制***起爆，对步骤A中标记发生微震事件的岩层逐层控制起爆一次，对于岩层1，记录起爆时刻为t0，同时记录煤层中微震检波器测得起爆引发微震事件的发震时刻t1～tn，计算***空间坐标处到煤层中各个微震检波器处的平均波速为
Figure FDA0002249144430000023
将v1～vn取均值
Figure FDA0002249144430000024
作为岩层1震动波传播至煤层的平均波速，其中
Figure FDA0002249144430000025
5.根据权利要求4所述的一种基于微震监测的矿井群工作面开采互扰范围计算方法，其特征在于，所述步骤B还包括：重复步骤B4中的计算过程，分别得到岩层1震动波传播至地表的平均波速以及岩层2至岩层n震动波传播至煤层的平均波速
Figure FDA0002249144430000027
岩层2至岩层n震动波传播至地表的平均波速
Figure FDA0002249144430000028
6.根据权利要求1所述的一种基于微震监测的矿井群工作面开采互扰范围计算方法，其特征在于，所述步骤C具体包括：
C1.矿井群两个工作面同时回采期间，标记两个工作面位置及微震检波器在回采过程中的全部位置坐标，计算分别在两个工作面内的任意两个微震检波器之间的最大空间距离lmax；
C2.选取岩层1至岩层n震动波传播至煤层的平均波速
Figure FDA0002249144430000029
以及岩层1至岩层n震动波传播至地表的平均波速
Figure FDA00022491444300000210
中的最小值vmin；
C3.两个工作面监测同一震源产生的微震事件时，计算得到微震事件发震时间间隔的最大值
Figure FDA00022491444300000211
7.根据权利要求1所述的一种基于微震监测的矿井群工作面开采互扰范围计算方法，其特征在于，所述步骤D具体包括：
D1.记录两个工作面同时回采期间监测到的微震事件信息三维坐标和发震时间，其中一个工作面的微震事件信息分别记为(x1,y1,z1,t1)、(x2,y2,z2,t2)、…、(xk,yk,zk,tk)，另一工作面微震事件信息分别记为(X1,Y1,Z1,T1)、(X2,Y2,Z2,T2)、…、(Xk,Yk,Zk,Tk)；
D2.从两个工作面监测的微震事件中各选一个组成微震事件组，计算任意一组微震事件组内微震事件的时间间隔Δt＝Tk-tk，统统计各时间段(Δt'max,10s]、(10s,20s]、(20s,30s]、…、((n-1)×10s,n×10s]内的微震事件组数量，若在时间段(n×10s,(n+1)×10s]内无微震事件组，则停止统计，n为大于1的整数；
D3.计算微震事件组的总数C＝C1+C2+…+Cn，统计步骤D2各个时间段内微震事件组数分别为C1、C2、…Cm…、Cn；
D4.分别计算前n个时间段内的微震事件组数占比：
Figure FDA0002249144430000032
当满足Pm-1≤70％且Pm＞70％时，选取时间段(Δt'max,m×10s]内所有微震事件组，m为1～n之间的任意正整数；计算选取时间段内的所有微震事件组内两微震事件的空间距离l，取l的最大值lmax即为矿井群两工作面开采互扰范围。
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