煤礦超前支承壓力分布特征監(jiān)測(cè)方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種煤礦超前支承壓力分布特征監(jiān)測(cè)方法，在煤礦選取一個(gè)正常開(kāi)采的工作面作為監(jiān)測(cè)區(qū)域；布置微震監(jiān)測(cè)分站，測(cè)量三維空間坐標(biāo)，在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)不同位置選擇三個(gè)爆破點(diǎn)，進(jìn)行人工定點(diǎn)爆破；并根據(jù)接收到的爆破信號(hào)，計(jì)算P波波速；對(duì)經(jīng)過(guò)處理后的波段進(jìn)行快速傅氏變換到頻率域；確定震源參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式，通過(guò)在頻率域內(nèi)進(jìn)行積分，得到地動(dòng)速度和地動(dòng)位移的功率譜積分SV和SD；計(jì)算微震波拐角頻率fc和零頻極限Ω0，微震輻射能量和地震矩，及視應(yīng)力；采用固定工作面的方法計(jì)算微震事件的相對(duì)坐標(biāo)，統(tǒng)計(jì)視應(yīng)力，獲得工作面前方超前支承壓力的分布曲線。本發(fā)明簡(jiǎn)單適用，可靠性高，擴(kuò)大了微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。
【專利說(shuō)明】煤礦超前支承壓力分布特征監(jiān)測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及到一種煤礦采場(chǎng)超前支承壓力分布特征的監(jiān)測(cè)方法，主要用于走向長(zhǎng)壁開(kāi)采工作面前方煤體應(yīng)力分布特征的監(jiān)測(cè)，用于指導(dǎo)巷道支護(hù)以及與超前支承壓力相關(guān)的動(dòng)力災(zāi)害的防治。
【背景技術(shù)】
[0002]微震監(jiān)測(cè)法是在沖擊礦壓等動(dòng)力災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)方面的前沿技術(shù)，通過(guò)記錄采礦活動(dòng)引起震動(dòng)的震動(dòng)圖譜，確定和分析震動(dòng)的能量與方向，對(duì)震中進(jìn)行定位以評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)礦山動(dòng)力現(xiàn)象。目前，波蘭SOS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、波蘭ARAMIS Μ/E微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、加拿大ESG微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及南非ISS地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在國(guó)外礦上開(kāi)采中應(yīng)用廣泛。伴隨著礦井開(kāi)采深度的增加，煤巖動(dòng)力災(zāi)害對(duì)礦井安全生產(chǎn)影響日益深重，微震監(jiān)測(cè)技術(shù)在國(guó)內(nèi)礦山中的應(yīng)用更為廣泛。
[0003]微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由中心計(jì)算機(jī)、中心數(shù)據(jù)收集器、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集器、拾震傳感器、打印機(jī)、GPS時(shí)間服務(wù)器、軟件等部分組成。中心計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)收集器相連，計(jì)算機(jī)上安裝控制分析軟件，軟件運(yùn)行在WINDOWS環(huán)境下，接收來(lái)自遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集器的原始數(shù)據(jù)、在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示原始數(shù)據(jù)的波形，計(jì)算機(jī)儲(chǔ)存、回放每一個(gè)震動(dòng)事件，便于人工和自動(dòng)。
[0004]波蘭ARAMIS Μ/E微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成數(shù)字通信系統(tǒng)(DTSS)，實(shí)現(xiàn)了礦山震動(dòng)定位及震動(dòng)能量計(jì)算。拾震器(或微震探頭)獲得震動(dòng)事件并將其處理為數(shù)字信號(hào)，然后由數(shù)字通信系統(tǒng)傳送至地面。系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)震動(dòng)能量大于100J、震動(dòng)頻率0-150ΗΖ及動(dòng)態(tài)范圍低于IOOdB的震動(dòng)事件。根據(jù)監(jiān)測(cè)范圍的不同，系統(tǒng)可選用不同頻率范圍的傳感器。數(shù)字通信系統(tǒng)采用遠(yuǎn)距離通信電纜實(shí)現(xiàn)三向震動(dòng)速率變化(X，Y，Z)信號(hào)的傳輸。系統(tǒng)通過(guò)24位σ-δ轉(zhuǎn)換器提供震動(dòng)信號(hào)的轉(zhuǎn)換和記錄，基于記錄服務(wù)器完成連續(xù)、實(shí)時(shí)的震動(dòng)監(jiān)測(cè)。標(biāo)準(zhǔn)版系統(tǒng)軟件每個(gè)通道提供一路監(jiān)測(cè)信號(hào)；可選的每通道3路信號(hào)監(jiān)測(cè)需采用非標(biāo)準(zhǔn)版的軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)三向監(jiān)測(cè)的微震活`動(dòng)。目前，該系統(tǒng)在我國(guó)許多煤礦應(yīng)用，效果良好。ARAMISΜ/E微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括地面部分和井下部分。其中地面部分:(1)安裝在系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析服務(wù)器上的ARAMIS WIN軟件(微震事件定位、震動(dòng)能量計(jì)算)和MAP_CREAT0R軟件(定位結(jié)果顯示)組成的數(shù)據(jù)處理部分；(2)安裝有ARAMIS_REJ軟件(DTSS傳輸系統(tǒng)監(jiān)測(cè)軟件)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄服務(wù)器；(3)數(shù)字通信子系統(tǒng)(DTSS)，該部分包括:SP/DTSS地面中心站，其由OCGA數(shù)字信號(hào)接收器、配備GPS時(shí)鐘的ST/DTSS傳輸控制器、TRS-2安全變壓器及SR15-150-4/11I供電裝置。(2)井下部分:SN/DTSS井下分站(通過(guò)通信電纜與地面部分聯(lián)接)，其包括SP1-70拾震器及NSGA發(fā)射器；另外，NSGA發(fā)射器還可與GVu (頂板微震探頭)、GVd (底板微震探頭)、GH (水平微震探頭)以及自帶SP1-70拾震器的CS/DTSS連接。
[0005]通過(guò)大量研究表明，煤巖體破裂發(fā)生在應(yīng)力差大的區(qū)域，因此，只要監(jiān)測(cè)到煤巖破裂區(qū)域，即可找到高應(yīng)力區(qū)域。每一次煤巖體破裂都會(huì)產(chǎn)生一次微震事件和聲波，而震動(dòng)能量和頻次等又反映了煤巖體受力破壞程度，微震事件能量越高，震動(dòng)越頻繁，則煤巖體應(yīng)力集中程度越大，破壞越嚴(yán)重。因此，微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲得的巖層破裂信息直接反映了巖體的應(yīng)力水平，這為采場(chǎng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)提供了一條新思路。
[0006]在彈性力學(xué)的框架下，由微震資料得到絕對(duì)應(yīng)力的大小，原則上是不可能的，但是在一些合理的假設(shè)的前提下，由微震資料可以得到關(guān)于應(yīng)力大小的某種有物理意義的估計(jì)，其中一個(gè)常用的估計(jì)就是視應(yīng)力，這一概念被廣泛應(yīng)用到地震研究中，將視應(yīng)力與引起地震滑動(dòng)的平均應(yīng)力水平之間通過(guò)地震波輻射效率聯(lián)系在一起，對(duì)一個(gè)區(qū)域中引起地震滑動(dòng)的平均應(yīng)力水平進(jìn)行區(qū)域平均，從而作為該區(qū)域的絕對(duì)應(yīng)力水平的一個(gè)間接估計(jì)。因此，視應(yīng)力常被用來(lái)研究震源區(qū)的應(yīng)力水平，即視應(yīng)力越高，震源區(qū)的應(yīng)力水平就越高；反之，震源區(qū)的應(yīng)力水平就越低。視應(yīng)力估計(jì)同樣適用于礦山開(kāi)采誘發(fā)的地震，而且后者觀測(cè)范圍小，拾震器或者距震源距離短，或者就在震源區(qū)內(nèi)，據(jù)此所形成研究基礎(chǔ)，遠(yuǎn)比天然地震的情況要好，因此，根據(jù)采礦誘發(fā)的地震數(shù)據(jù)進(jìn)行視應(yīng)力估計(jì)，其結(jié)果也會(huì)比天然地震可靠得多。
[0007]煤礦超前支承壓力分布特征的監(jiān)測(cè)是煤礦礦壓監(jiān)測(cè)的重要組成部分，通過(guò)監(jiān)測(cè)獲得的超前支承壓力分布特征對(duì)煤礦采場(chǎng)的合理支護(hù)、巷道開(kāi)挖與支護(hù)方式的選擇以及與超前支承壓力相關(guān)的動(dòng)力災(zāi)害事故的防治，均具有非常重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。
[0008]目前對(duì)超前支承壓力測(cè)量的方法主要采用鉆孔應(yīng)力計(jì)對(duì)巷道煤體內(nèi)某一點(diǎn)的相對(duì)應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。這種方法只反映了煤體內(nèi)某一點(diǎn)的超前支承壓力隨時(shí)間的變化關(guān)系，不能反映整個(gè)工作面超前支承壓力的分布規(guī)律，而且，鉆孔應(yīng)力計(jì)安裝過(guò)程中油壓枕位態(tài)的控制非常困難，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大、費(fèi)用高，而且可靠性較差。
[0009]因此，提供一種簡(jiǎn)單實(shí)用、低成本可靠性高的煤礦超前支承壓力分布特征監(jiān)測(cè)方法就成為該【技術(shù)領(lǐng)域】急需解決的技術(shù)難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的是提供一種簡(jiǎn)單實(shí)用、低成本可靠性高的煤礦超前支承壓力分布特征監(jiān)測(cè)方法，使用該方法能夠獲得整個(gè)工作面超前支承壓力的分布規(guī)律，而不僅僅是巷道煤體內(nèi)的某一點(diǎn)，而且該方法不受地質(zhì)條件和開(kāi)采條件的限制。
[0011]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案:
[0012]一種煤礦超前支承壓力分布特征監(jiān)測(cè)方法，其包括如下具體步驟:
[0013]I在煤礦選取一個(gè)正常開(kāi)采的工作面作為監(jiān)測(cè)區(qū)域；
[0014]II在該工作面周邊布置至少5個(gè)微震監(jiān)測(cè)分站，每個(gè)監(jiān)測(cè)分站安裝一個(gè)拾震器，所述微震監(jiān)測(cè)分站通過(guò)電纜與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集裝置相連接，所述遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集裝置通過(guò)數(shù)據(jù)線與中心計(jì)算機(jī)相連接；
[0015]III測(cè)量各微震監(jiān)測(cè)分站所在位置的三維空間坐標(biāo)(X，Y，Z)，X代表監(jiān)測(cè)分站的經(jīng)度，Y代表監(jiān)測(cè)分站的維度，Z代表監(jiān)測(cè)分站的海拔高度，將測(cè)得三維坐標(biāo)輸入微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；
[0016]IV在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)不同位置選擇三個(gè)爆破點(diǎn)，測(cè)出其三維空間坐標(biāo)，然后，在所述三個(gè)爆破點(diǎn)進(jìn)行人工定點(diǎn)爆破；并根據(jù)接收到的爆破信號(hào)，計(jì)算P波波速，將所得波速值輸入微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；
[0017]V采用微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)接收的微震事件進(jìn)行波形處理，首先分別對(duì)各拾震器記錄波形挑選出整個(gè)P波和S波的數(shù)據(jù)段，按震級(jí)大小和遠(yuǎn)近不同選取時(shí)窗，窗長(zhǎng)以P波或S波開(kāi)始到衰減至大于2倍噪聲為準(zhǔn)，然后采用帶通濾波除去低頻成分，對(duì)經(jīng)過(guò)處理后的波段進(jìn)行快速傅氏變換到頻率域；采用Brune圓盤(pán)模型，確定震源參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式，通過(guò)在頻率域內(nèi)進(jìn)行積分，即得到地動(dòng)速度和地動(dòng)位移的功率譜積分Sv和Sd ;計(jì)算微震波拐角頻率f。和零頻極限Qci，計(jì)算微震輻射能量和地震矩，及計(jì)算視應(yīng)力；
[0018]VI采用固定工作面的方法計(jì)算微震事件的相對(duì)坐標(biāo)，計(jì)算出第i天的微震事件的相對(duì)坐標(biāo)；
[0019]Vn統(tǒng)計(jì)工作面前方的視應(yīng)力
[0020]將工作面前方按IOm距離劃分為若干區(qū)間，即(0，IOm), (10，20m), (20, 30m)……，統(tǒng)計(jì)每個(gè)區(qū)段范圍內(nèi)的視應(yīng)力值，并將其累加起來(lái)，便可得到工作面前方視應(yīng)力分布結(jié)果，從而獲得工作面前方超前支承壓力的分布曲線。
[0021]步驟IV中，采用以下公式計(jì)算P波波速:
[0022]
【權(quán)利要求】
1.一種煤礦超前支承壓力分布特征監(jiān)測(cè)方法，包括如下步驟: (1)在煤礦選取一個(gè)正常開(kāi)采的工作面作為監(jiān)測(cè)區(qū)域； (2)在該工作面周邊布置至少5個(gè)微震監(jiān)測(cè)分站，每個(gè)監(jiān)測(cè)分站安裝一個(gè)拾震器，所述微震監(jiān)測(cè)分站通過(guò)電纜與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集裝置相連接，所述遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集裝置通過(guò)數(shù)據(jù)線與中心計(jì)算機(jī)相連接； (3)測(cè)量各微震監(jiān)測(cè)分站所在位置的三維空間坐標(biāo)，將測(cè)得三維坐標(biāo)輸入微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)； (4)在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)不同位置選擇三個(gè)爆破點(diǎn)，測(cè)出其三維空間坐標(biāo)，然后，在所述三個(gè)爆破點(diǎn)進(jìn)行人工定點(diǎn)爆破；并根據(jù)接收到的爆破信號(hào)，計(jì)算P波波速，將所得波速值輸入微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)； (5)采用微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)接收的微震事件進(jìn)行波形處理，首先分別對(duì)各拾震器記錄波形挑選出整個(gè)P波和S波的數(shù)據(jù)段，按震級(jí)大小和遠(yuǎn)近不同選取時(shí)窗，窗長(zhǎng)以P波或S波開(kāi)始到衰減至大于2倍噪聲為準(zhǔn)，然后采用帶通濾波除去低頻成分，對(duì)經(jīng)過(guò)處理后的波段進(jìn)行快速傅氏變換到頻率域；采用Brune圓盤(pán)模型，確定震源參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式，通過(guò)在頻率域內(nèi)進(jìn)行積分，即得到地動(dòng)速度和地動(dòng)位移的功率譜積分Sv和Sd ;計(jì)算微震波拐角頻率f。和零頻極限Qci，計(jì)算微震輻射能量和地震矩，及計(jì)算視應(yīng)力； (6)采用固定工作面的方法計(jì)算微震事件的相對(duì)坐標(biāo)，計(jì)算出第i天的微震事件的相對(duì)坐標(biāo)； (7)統(tǒng)計(jì)工作面前方的視應(yīng)力:將工作面前方按IOm距離劃分為若干區(qū)間，統(tǒng)計(jì)每個(gè)區(qū)段范圍內(nèi)的視應(yīng)力值，并將其累加起來(lái)，便可得到工作面前方視應(yīng)力分布結(jié)果，從而獲得工作面前方超前支承壓力的分布曲·線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤礦超前支承壓力分布特征監(jiān)測(cè)方法，其特征在于:采用以下公式計(jì)算P波波速:
Y— 1 Y div1-di
P ? - 1 1-ι tM _ tI 其中Cli為第i個(gè)拾震器到爆破點(diǎn)的距離，i = 1，...，n，\為第i個(gè)拾震器P波初動(dòng)時(shí)刻；每次爆破均能獲得一個(gè)波速值，取3個(gè)測(cè)定值的平均值作為最終結(jié)果，將測(cè)得波速值輸入微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤礦超前支承壓力分布特征監(jiān)測(cè)方法，其特征在于:采用Brune圓盤(pán)模型，震源參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式為:
D(f) =
V(f) =D (f) 2 ii f 式中，D(f)和V(f)分別為地動(dòng)位移和速度的頻譜， 通過(guò)在頻率域內(nèi)進(jìn)行積分，即得到地動(dòng)速度和地動(dòng)位移的功率譜積分Sv和Sd ；
So = 2\D{f)2df =^alilTrfi) Sv =2jF(/)2# =1ω；(2^)3 計(jì)算微震波拐角頻率f。和零頻極限Ω。:
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤礦超前支承壓力分布特征監(jiān)測(cè)方法，其特征在于:采用固定工作面的方法計(jì)算微震事件的相對(duì)坐標(biāo)的公式為:
X = X-LiCos a cos β ；Y = Y-LiCos a sin β ；Ζ = z-1^tan β 式中，X, y, Z為微震事件的絕對(duì)坐標(biāo)，可由微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)直接獲得，Li為從第I天開(kāi)始至第i天工作面的推進(jìn)距離，α工作面推進(jìn)角度，β為工作面推進(jìn)方向在水平面上的投影與X軸的夾角，因此計(jì)算出第i天的微震事件的相對(duì)坐標(biāo)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤礦超前支承壓力分布特征監(jiān)測(cè)方法，其特征在于:所述微震監(jiān)測(cè)分站盡可能的接近監(jiān)測(cè)區(qū)域。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的煤礦超前支承壓力分布特征監(jiān)測(cè)方法，其特征在于:所述微震監(jiān)測(cè)分站安裝在無(wú)風(fēng)化、無(wú)破碎夾層、完整大面積出露的基巖上。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的煤礦超前支承壓力分布特征監(jiān)測(cè)方法，其特征在于:所述微震監(jiān)測(cè)分站安裝在水泥平臺(tái)上。
【文檔編號(hào)】G01L5/00GK103575438SQ201210249522
【公開(kāi)日】2014年2月12日 申請(qǐng)日期:2012年7月18日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月18日
【發(fā)明者】夏永學(xué), 毛德兵, 藍(lán)航, 潘俊鋒, 秦子晗, 王書(shū)文, 陳法兵, 杜濤濤, 劉少虹, 楊磊 申請(qǐng)人:天地科技股份有限公司