突出煤层巷道掘进隐伏构造微震超前探测技术应用研究.pdf

第 2 1卷 第 3期 2 0 1 3年 6月 安 徽建 筑工业学院 J o u r n a l o f An h u i I n s t i t u t e o f 学报 自 然科学版 Ar c h i t e c t u r e I n d u s t r y Vo 1 ． 2 1 No ． 3 J u n ．2 0 1 3 突 出煤层巷道掘进 隐伏构造微震 超 前探测技术应用研 究 余 国锋 ， 薛俊华 ， 刘 超。 ， 任 波。 1 _ 煤矿瓦斯 治理 国家工程研究中心 ， 安徽 淮南2 3 2 0 0 1 ； 2 ． 煤炭深部开采与环境保护国家重点实验室 ， 安徽 淮南2 3 2 0 0 1 ； 3 ． 西安科技 大学能源学院 ， 陕西 西安7 1 O O 5 4 摘要 O r 绍在突出煤层巷道掘进过程中， 通过布置传感器实时采集微地震信号， 利用微震监测技术超前探 明了掘进巷道采动影响区顶底板的隐伏断层 构造 空间状态及其影响范围， 从而实现对地质异常区域进行 及时微震预警， 通过采取科学合理的针对性安全技术措施， 保证突出煤层巷道掘进施工安全。 关键词 突出煤层； 巷道掘进 ； 隐伏构造； 微震监测 ； 探测预警 中图分类号 TD 7 6 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 6 4 5 4 0 2 0 1 3 0 3 0 7 8 0 4 Re s e a r c h a nd a pp l i c a t i o n o n t h e a d v a nc e d d e t e c t i o n t e c h n o l o g y f o r b u r i e d f a u l t b a s e d o n mi c r o s e i s m s y s t e m i n o u t bu r s t t u nn e l YU Gu o f e n g ， XUE J u n - h u a 。 ， L I U Ch a o 。 ， RE N B o 。 1 ． Na t i o n a l En g i n e e r i n g Re s e a r c h Ce n t e r f o r Co a l Ga s Co n t r a 1 ， Hu a i n a n Anh u i 2 3 2 0 0 1 2 ． S t a t e Ke y La b o r a t o r y o f d e e p c o a l mi ning a n d e n v i r o n me n t a l p r o t e c t i o n， Hua i n a n Anh u i 2 3 2 0 01 3 ． C o l l e g e o f Mi n e r a l E n g i n e e r i n g ， X i ’ a n Un i v e r s i t y o f S c i e n c e 8 L T e c h n o l o g y ， Xi ’ a n S h a n x i ， 7 1 0 0 5 4 Ab s t r a c t I n t h i s p a p e r ，b a s e d o n t h e mi c r o s e i s mi c mo n i t o r i n g t e c h n o l o g y ，t h e s p a c e s t a t e a n d i t s s p h e r e o f i n f l u e n c e f o r b u r i e d f a u l t o f mi n i n g a f f e c t e d z o n e a t r o o f a n d f l o o r i n t h e p r o c e s s o f e x c a v a t i n g o f o u t b u r s t t u n n e l wa s d e t e c t e d i n a d v a n c e b y me a n s o f r e a l t i me mi c r o s e i s mi c s i g n a l a c q u i s i t i o n， b a s e d o n t h e a b o v e ，t h e r e g i o n a l g e o l o g i c a l a n o ma l i e s c a n b e wa r n e d t i me l y，f u r t h e r mo r e ，b y t a k i n g a s c i e n t i f i c a n d r a t i o n a l t a r g e t e d s a f e t y t e c h n i c a l me a s u r e s 。t h e c o n s t r u c t i o n s a f e t y o f o u t b u r s t t u n n e l wa s e n s u r e d ． Ke y w o r d s o u t b u r s t c o a l s e a m ；t u n n e l e x c a v a t i n g；b u r i e d f a u l t ；mi c r o s e i s mi c mo n i t o r i n g t e c h n o l o g y； d e t e c t i n g wa r n i n g 1 引 口 按照 防治煤与瓦斯突出规定 有关 规定 ， 在 突出煤层的顶板或底板中掘进任何巷道， 都应保 留一定距离的安全岩柱 ， 以防止突出煤层突破岩 柱而威胁巷道的作业安全； 在突出煤层 中掘进巷 道， 如遇地质构造带或煤层赋存变化剧烈必须 打 钻查明煤层赋存条件 ， 以确保巷道掘进施工安全。 受勘探技术限制， 落差只有几米的断层往往很难 在勘探时查清清楚。如果遇有没有预知的隐伏断 层时 ， 也会使工作面与突 出煤层的实际距离小于 预计的数值， 或施工安全受到威胁。另外， 在地质 收稿 日期 2 0 1 3 0 5 0 1 作者简介 余国锋 1 9 7 5 一 ， 男， 工程师， 主要研究方向为煤矿安全。 第 3 期 余国锋， 等 突出煤层巷道掘进隐伏构造微震超前探测技术应用研究 7 9 构造破坏带煤层赋存变化剧烈处， 突出危险性相 应增大 。因此 ， 在 突出煤层巷道掘进过程中， 超前 掌握前方的煤层赋存和地质构造情况， 准确控制 煤层层位 ， 显得尤为重要 。井下地质构造探 测的 方法可以是钻探也可以是 物探 。近几 十年来 ， 物 探技术已在我国得到长足的发展 ， 因其操作简单 ， 不需要作辅助工程 ， 同时可节省大量的人力物力 等特点， 受到众多地质工作者的青睐。 2 巷道掘进隐伏构造微震超前探测 技术 2 ． 1 巷道超前探测常用物探方法 目前， 国内外在煤矿井下独头巷道超前探钡 0 的 开展较多的地震勘探方法主要有瑞雷波勘探技术。 瑞雷波勘探也称为弹性波频率测深， 它主要是根据 瑞雷波的频散特性 ， 通过对原始数据 的分析 ， 来获 得浅层、 超浅层的地质结构及介质物理参数。按照 激振方式的不同， 瑞雷波勘探分为稳态法和瞬态法 两种。瑞雷波勘探可以探测并识别地质异常体， 如 断层、 老窑、 岩溶、 陷落柱和构造破碎带等。这主要 是因为在致密的弹性介质中， 人工激发的和以柱面 波波前方式传播的瑞雷波在遇到弹性分界面时 ， 将 迅速衰减 、 分解和转化 ， 出现频散现象 ， 利用频散曲 线上的这些突变点绘制出分层曲线， 再结合现场地 质情况就可对这些地质异常做出解释_ 1 ] 。 2 ． 2 隐伏构造微震超前探测技术 微震监测技术用于隐伏构造探测的可行性。 微震监测技术是 2 O世纪 9 O年代 国际上发展起来 的一种新物探技术 。它是对岩体在变形破坏过程 中所产生的微破裂进行定时 、 定位 的一种监测技 术 。自九十年代中期 以来 ， 微震监测技术 已经被 广泛应用 于诸如矿山、 石油工业 、 土木工程、 环境 地质、 核废料 、 废气储存 、 战略石油储备等公共安 全领域 中岩体稳定性的短期和长期监测[ 4 ] 。 人们在长期 的地下岩土工程实践 中发现 ， 在 较高的应力水平 ， 特别是在采动的影响下， 岩石发 生破坏或原有的地质缺陷被激活产生错动 ， 能量 是以振动波的形式释放并传播出去， 因此， 围岩结 构在破坏过程中总是伴随着声发射现象。由于微 地震是岩石材料变形、 裂纹开裂及扩展过程 的伴 生现象 ， 它与围岩结构 的力学行为有着 密切 的相 关性， 因此， 微地震信号中包含了大量的关于围岩 受力破坏以及地质缺陷活化过程 的有用信息 ， 通 过对接收到的微地震信号进行处理、 分析， 可以此 推断岩石材料 的力学行为， 可以此 预测 围岩结 构 是否发生破坏 引 ， 评价岩体稳定性及其完整连续 性 ， 如图 1 所示 。 ／ n／ ll ， V ‘ 『 y y V ～ 一 ／ 图 1 声发射信号产生原理及其特征图 煤矿井下利用微震监测系统通过地震检波器 或加速度传感器就可以将接受的波形转化成电信 号并经数据采集系统转换成数据信号， 借助专业 化的数据处理软件 ， 就能够实现在三维空间中实 时准确地确定煤岩体中微震事件发生的时间、 位 置 、 量级 即时空强 ， 从而对煤岩体受力破坏活动 范围、 稳定性 、 发展趋势以及地质缺陷活化情况做 出定性、 定量评价。 2 ． 3 隐伏构造微震超前探测技术工程实践 淮南矿区新庄孜矿煤层赋存为高瓦斯煤层群 9 ～1 8层可采煤层 ， 煤层赋存的地质条件极为 复杂 ， 煤层瓦斯含量高 1 2 ～3 6 I n 。 ／ t ， 煤体极松 软 坚固性系数 f 为 0 ． 2 ～0 ． 8 ， 煤层透气性低 渗 透率为 0 ． 0 0 1 mD ， 煤 层瓦 斯压力 大 高达 6 ． 2 MP a ， 主采煤 层 C 。 、 B 、 B 8 、 B 4 均 为强 突 出煤 层 。6 2 1 1 0工作 面属于 突出煤层 B I O煤层工作 面， 上覆 B l l b煤， 下伏 B 8煤均未采， 工作面风巷 和切眼在该监测区域微震 系统安装调试前均 已形 成 ， 而下顺槽 、 一6 8 3 m底板 巷及 一5 9 5 m 高抽巷 正在掘进 。在 B I O煤层及其底板进行巷道掘进 ， 面临构造较复杂、 破碎带多、 断层落差大、 砂岩裂 隙水 、 老塘水等威胁 。 该监测区域微震系统 自2 0 1 0年 4月 2 4号调 试以来 ， 监测到了大量的微震事件 ， 在 6 2 1 1 0工作 面底板巷、 下顺槽迎头以及 F I O 一5 1 0 断层 、 F a 断层附近均 出现 了明显的积聚态势 ， 微破裂较为 集 中， 如图 2所示 。从整个监测数据可以得 出 无 论是从空间位置上 ， 还是在断层的走向方面， 都可 以把系统监测到垂向上 的两处微震事件集聚区域 解读为断层所在位置。即根据震源的空间位置和 第 3期 余国锋 ， 等 突出煤层巷道掘进隐伏构造微震超前探测技术应 用研究 8 1 隐伏断层、 构造异常区等的位置及其影响范围， 实 现了掘进巷道前方不 良瓦斯地质体的及时预警， 同时通过采取针对性 消突措施和科 学技术手段 ， 避免 了监测区域掘进巷道发生 冒顶、 钻孔瓦斯 喷 孔、 煤与瓦斯突出等灾害事故 。 3 结束语 因微震监测技术可以从岩体变形 的最初始阶 段开始 ， 跟踪监测岩体 内部从单元岩块 的断裂 到 整个体失稳的渐进性破坏过程， 从而大大促进了 监测工作的科学性 ， 同时提高 了工程与地质灾 害 预报准确性和超前性 。微地震监测在三维空间可 全方位地描述岩层的变化， 与传统技术相比， 因其 具有以下优点 实时监测， 及时发现微地震事件并 确定其位置 ； 动态监测 ， 可实现长时间连续监测 ； 空间监测 ， 可在 观测范 围内进行三维 空间定 位。 上接第 5 1页 1 在模态分析中， 低阶振型主要是整体结构 的振 动， 高阶振型主要是上部结构的剧烈振动。明代 模型前三阶频率是 1 ． 4 7 8 ～1 ． 7 7 7 Hz ， 比较符合 实际。 2 明代木结构古 民居在地震作用下 ， 从位移 响应 曲线可以看 出， 架立在脊柱上 的檩条跨 中位 移最大 ， 楼行栅跨 中位移最小。随着地震作 用的 加强， 各个关键节点的位移也随之增大， 但是在地 震作用加速度一样 的情况下 ， 各个关键节点 之间 的位移差值不是很 明显 。 3 明代木结构古民居具有较好的抗震和隔 振能力 。在地震的作用下 ， 通 过榫卯节点 的摩擦 滑移作用隔振耗能 ， 减轻 了对结构 的破坏 ， 尤其结 构 中的断柱能够有效地减轻地震对主体结构的破 坏。无论 中间的柱子还是边柱 ， 柱身各个部位 的 位移变化幅度不是很 大， 说 明徽 派木结构古 民居 具有较好的协调性以及整体性。 因此在煤矿地质灾害预警领域具有超越传统方法 的独特优势和广阔的应用前景。 参考文献 1 程建远． 煤矿井下地震勘探技术应用现状与发展展望 [ J ] ． 勘探地球物理进展 ， 2 0 0 9 ， 3 2 2 9 6 1 0 0 ． 2 于克君， 骆循 ， 张兴民．煤层顶板“ 两带” 高度的微地震 监测技术[ J ] ．煤田地质与勘探， 2 0 0 2 ， 3 0 1 4 7 5 1 ． 3 赵向东， 陈波， 姜福兴．微地震工程应用研究[ J ] ． 岩石 力学与工程学报 ， 2 0 0 2 ， 2 1 增 2 2 6 0 9 --2 0 1 2 ． 4 李庶林． 试论微震监测技术在地下工程中的应用E J ] ． 地下空间与工程学报， 2 0 0 9 ， 5 1 1 4 7 1 4 9 ． 5 淮南矿区瓦斯突出机理与预报方法关键技术研究报 告 ， 2 0 1 0 ． 责任编辑 王颖 参考文献 1 程极悦 ， 程硕． 徽州传统民居概述E J ] ． 安徽建筑， 2 0 0 1 ， 0 3 2 1 2 5 ． 2 汪兴毅． 徽州木结构古民宅的特性研究[ D ] ． 合肥 合 肥工业 大学 ， 2 0 0 8 ． 3 徐曼琼． 火炬松个家系的力学性质及影响因素的研究 E D J ． 北京 北京林业大学 ， 2 0 0 1 ． 4 邵卓平． 电阻应变法测定杉木弹性常数的研究I- J - 1 ． 安 徽农业大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 1 ， 2 8 1 3 2 3 5 ． 5 尹思慈． 木材学[ M] ． 北京 中国林业出版社， 1 9 9 6 ． 6 北 京林 学 院．木材 学 [ M] ． 北 京 中 国林 业 出版 社 ， 1 9 8 7 ． 7 中华人 民共和国国家标准．建筑结构荷载规范 GB 5 0 0 0 9 --2 0 0 1 [ S ] ． 北京 中国建筑工业出版社， 2 0 0 6 ． 8 苏军． 中国木结构古建筑抗震性能的研究[ D ] ． 西安 西安建筑科技大学， 2 0 0 8 ． 责任编辑 陈玲