基于微震监测的煤矿顶板岩体垂直分带确定方法

摘要

本发明属于煤矿安全生产及采矿工程等技术领域，涉及一种基于微震监测的煤矿顶板岩体垂直分带确定方法。本发明所要解决的技术问题是提供一种基于微震监测的煤矿顶板岩体分带确定方法。顶板岩体的变形和破坏过程中，必然产生微破坏，从而导致岩体发生能量释放。由于岩体变形和破坏在分带与分带之间存在差异，在变形和破坏过程中，产生的微破坏分布和释放能量的分布也必然存在差异，因此，微震监测也是一种接近顶板岩体分带的本质监测方法。微震相对于其他测量方式，有个很重要的优点：无需打钻孔就可以实现对顶板分带的监测。

说明书

技术领域

本发明属于煤矿安全生产及采矿工程等技术领域，涉及一种基于微震监测的煤矿 顶板岩体垂直分带确定方法。

背景技术

煤矿顶板分带问题作为矿山地下开采的几个基本问题，对地表变形、井下支护、瓦 斯抽放以及顶板水害等重要问题有着较大的影响，因此很多学者开展了岩层移动方面的研 究。

目前，关于煤矿顶板理论的主流观点为三带理论——垮落带，裂隙带和弯曲下沉 带和四带理论——区域垮落带，裂隙带，扩张带和承压带。确定岩层分带的高度主要有垂直 钻孔观察方法、数值模拟以及相似模拟。这些方法对于分层理论的高度确定和加深对各分 区内岩体变形和破坏特征的认识起到一定作用。但是这些方法也存在一定问题，数值模拟 和相似模拟方法往往对现场实际情况进行了大量简化，从而是其结果很难应用于现场。而 垂直钻孔观察方法来源于对对现场的直接观察，但是其有两个较大的缺点：第一，现场由于 成本控制，往往有用观测顶板分层的钻孔往往比较少，而实际顶板岩体高度往往会因为构 造、岩性等不同，而出现较大的差别，从而引起钻孔监测结果的不准；第二，钻孔观测的对象 主要为宏观裂缝，因此这就导致垂直钻孔观察方法往往在确定导水裂隙带应用较多，而不 能很好应用到岩体顶板分带的进一笔细化和变形特征确定上。

由于成岩时间及矿物成分不同，煤系地层形成了厚度不等、强度不同的多层岩层， 其中一层至数层厚硬岩层在采场上覆岩层的移动过程中起主要的控制作用。在此基础上， 钱鸣高提出了岩层控制的关键层理论。近年来，关键层理论也得到很大发展。但是关键层的 存在和顶板岩层分带之间的关系却研究较少。

微震监测作为一种岩体微破裂三维空间监测技术，得到了迅速发展，微震主要监 测岩体脆性材料在外力作用下，发生微破裂的时、空、强(时间、空间、强度)以及相关震源参 数。

实践证明，微震监测技术是监测岩体破坏及与岩体破坏相关灾害问题的一种强有 力手段。但对关键层、顶板岩体分带和微震发生规律之间的关系的研究较少，而开展他们之 间关系的研究，对于加深对关键层、顶板分带的理解具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于微震监测的煤矿顶板岩体分带确定 方法。顶板岩体的变形和破坏过程中，必然产生微破坏，从而导致岩体发生能量释放。由于 岩体变形和破坏在分带与分带之间存在差异，在变形和破坏过程中，产生的微破坏分布和 释放能量的分布也必然存在差异,因此，微震监测也是一种接近顶板岩体分带的本质监测 方法。微震相对于其他测量方式，有个很重要的优点：无需打钻孔就可以实现对顶板分带的 监测。

本发明的技术方案：

一种基于微震监测的煤矿顶板岩体垂直分带确定方法，步骤如下：

1)在被监测煤矿建立微震监测系统，包括传感布设和数据传输线路构建

微震检波器布设基本原则：①轨道巷和运输巷在沿煤矿走向方向和深度方向呈交 错布置；②布置在非开采帮；③在轨道巷或运输巷内微震检波器间距在100m，局部位置检波 器间距加密至60m；④微震检波器布置于硬岩内，紧贴岩壁；⑤微震检波器在水平上和垂直 方向上交错，环绕待监测的目标区域布置；

数据传输线路构建：①井下工作站与微震检波器之间的对应关系：根据微震检波 器布设基本原则、监测目的和待监测煤矿工作面实际地质情况，确定微震检波器布置方位， 安装微震检波器后，将微震检波器通过截面0.75mm²-1.00mm²的3芯带屏蔽通信电缆连接至 井下工作站；通过敲击试验确定微震检波器与井下工作站的对应关系；②井下工作站与地 表数据存储和处理终端之间的数据通讯关系：井下工作站采用串联方式来传输数据(见图 1)，微震监测实时数据通过微震检波器获得，然后通过电缆传送至井下工作站，井下工作站 通过交换机、光电转换器以及光纤传送至地表数据存储和处理终端(见图1)。

2)依次确定滤波、微震事件定位以及震源参数：串联后的井下工作站通过光纤与 设置在地面上的存储服务器连接，实时将监测到的波形数据传到地面的存储服务器进行滤 波、微震事件判定、微震事件定位以及震源参数的确定；

3)确定待监测煤矿工作面顶板微震事件数和微震释放能量沿垂直方向的分布规 律，确定微震事件沿深度方向分布的特征点及其标高(见图2)，特征点包括：顶板以上岩体 中微震事件数的最低点、微震事件数开始迅速增大的点、微震事件数迅速增大过程中的一 个异常点、微震事件数最高点和微震事件迅速减小过程中的异常点。

4)根据上述特征点的标高，结合被监测煤矿工作面的地质钻孔柱状表(见表1)，利 用关键层需要满足的条件，确定关键层的层位。

关键层需要满足的条件：①几何特征：相对其它相同岩层厚度较厚；②岩性特性： 相对其它岩层较为坚硬，即弹性模量较大，强度较高；③变形特征：在关键层下沉变形时，其 上覆全部或局部岩层的下沉量与它是同步协调的；④破断特征：关键层的破断导致全部或 局部上覆岩层的破断，引起较大范围内的岩层移动；⑤支承特征：关键层破坏前以板(或简 化为梁)的结构形式，作为全部岩层或局部岩层的承载主体，断裂后若满足岩块结构的S-R 稳定，则成为砌体梁结构，继续成为承载主体。

5)基于关键层是顶板两个分带的分界线学术思想，根据关键层的层位，确定煤矿 顶板岩体的分带(见表1)。

本发明的有益效果：①实现煤矿顶板破坏的动态监测，便于确定关键层层位并确 定顶板分带及高度；②根据顶板分带情况，对研究地表变形和井下支护及煤矿瓦斯抽放的 孔位布置等重要问题具有重大的意义。

附图说明

图1为井下工作站与与地表数据存储和处理终端之间的数据流向示意图。

图中：箭头为通过微震检波器获得微震监测实时数据的流向。

图2为顶板微震事件数沿垂直方向分布图。

图3为顶板微震事件能量沿垂直方向分布图。

图4为煤矿顶板岩体分带流程图。

图中：A点对应煤层以上微震事件数的最低点，B点对应煤层以上微震事件数开始 迅速增大的点，C点对应煤层以上微震事件数迅速增大过程中的一个异常点，D点对应煤层 以上微震事件数最大的点，E点对应煤层以上微震事件迅速减小过程中的异常点。

具体实施方式

下面结合本发明的实施例子中的附，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。 本发明公开了一种基于微震监测的煤矿顶板岩体分带确定方法，所述方法包含如下步骤：

1)于被监测煤矿建立微震监测系统，根据工作面的具体情况进行微震检波器及线 路布设。

2)依次确定滤波、微震事件定位以及震源参数。

3)确定待监测工作面顶板微震事件释放能量沿深度方向的分布规律，确定微震事 件沿深度方向分布的特征点。

4)判定这些特征点的标高，结合被监测面地质钻孔柱状图，利用关键层须要满足 的条件，确定关键层的层位。

5)根据关键层的层位，确定煤矿顶板岩体的分带。

实施案例

(1)于被监测煤矿建立微震监测系统，根据工作面的具体情况进行微震检波器及 线路布设。微震检波器布置于硬岩内，紧贴岩壁。将待检测煤矿底板的每组微震检波器分别 用电缆连接，再与设置在煤矿中的微震数据采集监测分站连接，形成一个完整的监测网。微 震检波器布置情况有两种：第一种，如图所示，在井下巷道空间具备条件时，采用沿巷道两 侧各布置15个微震检波器，微震检波器间距控制在50m-100m之间；第二种，在井下巷道空间 不具备条件时，采用15个检波器布置在一个巷道内，安装微震检波器的钻孔应分布同一巷 道的两侧，以避免微震检波器在同一条直线上，安装微震检波器的钻孔应朝不同的方向，以 避免微震检波器在同一平面上。

(2)依次确定滤波、微震事件定位以及震源参数：微震数据采集监测分站通过光纤 与设置在地面上的存储服务器连接，实时将监测到的波形数据传到地面的存储服务器进行 滤波、微震事件判定、微震事件定位以及震源参数的确定。在采煤工作开始进行后，24小时 不间断采集工作面的微震监测数据，采集过程中，应对工作面进度以及工作面地质情况做 好详细记录。

(3)根据顶板微震监测结果，分析顶板微震事件释放能量沿深度方向的分布规律， 分析顶板微震事件数沿深度方向分布的特征点，这些特征点主要包括，顶板以上岩体中微 震事件(能量)的最低点和最高点以及斜率变化点等。

(4)判定这些特征点的标高，结合被监测面地质钻孔柱状图，利用关键层须要满足 的条件，确定关键层的层位。

(5)根据关键层的层位，确定煤矿顶板岩体的分带。

所述方法能够对煤层底板破坏深度的确定提供一种手段，并且描述准确，应用于 后续研究，具有重要的现实意义。为煤矿顶板分带提供了一种新的方法，同时根据顶板分 带，对研究地表变形和井下支护及煤矿瓦斯抽放的孔位布置等重要问题具有重大的意义。

表1工作面地质钻孔及顶板分带情况