一种基于微震监测的煤矿底板导水通道识别方法

摘要

本发明公开了一种煤矿底板导水通道识别方法，微震监测系统监测获得微震事件定位信息和震源参数，涌水量监测系统监测每天的涌水量，并通过微震事件数的短时间内迅速增大，并伴随着工作面涌水量的迅速增大为依据，得到底板导水通道形成的过程和时间，然后作出能量密度云图，通过观测能量密度云图最终得到底板导水通道的在平面上的位置，最后根据底板导水通道的在平面上的位置和地质条件，确定区域底板标高，进而确定底板导水通道的延伸深度。该方法对于拓宽微震监测的应用范围，减少煤矿资金投入，保障矿山安全生产具有极强的经济价值和社会意义。

说明书

技术领域

本发明属于煤矿安全生产及采矿工程技术领域，具体涉及一种基于微震监测的煤矿底板导水通道识别方法。

背景技术

水源、水量和导水通道是煤矿突水的三大基本要素水源，作为对水源和水量起决定作用的含水层，其补给和排泄条件具有区域性和面状分布的特点，也是研究较为成熟的领域。在煤层开采前，对潜在导水通道的探测研究的比较少，尤其是对导水通道的“静态”原位研究更少涉足；在煤层开采期间，对导水通道的“动态”破裂失稳过程和活化规律的实时监测和研究则更少。岩体“静态”存在特征和“动态”破坏过程研究的不足，贯穿了煤矿防治水工程的全过程，是突水事故频发不断的主要原因。

现阶段，关于导水通道的研究主要集中在对导水通道的探测，水通道得探测方法主要有以下几种方法：电法探测、红外探测、瞬变电磁探测和电波透视探测。显然上述方法既不能对潜在导水通进行探测研究，也不能导水通道的“动态”破裂失稳过程和活化规律的实时监测。近年来，作为一种岩体微破裂三维空间监测技术的微震监测技术得到了迅速发展，在煤矿安全生产方面开展了大量应用。前人的研究表明，微震监测技术是一种监测岩体“动态”破裂失稳过程和构造活化规律的有效方法，微震监测是实现突水预警预报的强有力的地球物理监测手段。

发明内容

本发明的目的是解决上述问题，提供一种经济、有效的基于微震监测的煤矿底板导水通道识别方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种基于微震监测的煤矿底板导水通道识别方法，包括以下步骤：

S1：在被监测煤矿建立微震监测系统和涌水量监测系统；

S2：根据微震监测系统监测到的实时波形数据依次进行滤波、微震事件判定、微震事件定位以及震源参数的确定，根据微震事件定位信息和震源参数得到能量密度演化图；

S3：统计和分析工作面底板微震事件数与涌水量监测系统监测到的涌水量之间的关系，得到底板导水通道形成的过程和时间；

S4：根据底板导水通道形成的过程和时间内的能量密度演化图，确定微震事件的能量密度阈值，作出底板微震事件的能量密度云图；

S5：观察微震事件底板微震事件的能量密度云图，在平面上确定微震事件的能量密度高于能量密度阈值的区域，确定底板导水通道的在平面上的位置；

S6：根据底板导水通道的在平面上的位置和地质条件，确定区域底板标高，进而观察能量密度云图中微震事件的能量密度高于能量密度阈值的区域在底板以下的延伸深度，确定底板导水通道的延伸深度。

优选地，所述步骤S1中的微震监测系统包括设于轨道巷和回风巷内的微震检波器，微震检波器安装在非开采帮，设于硬岩内，紧贴岩壁，在沿煤矿走向方向和深度方向呈交错布置，环绕待监测的目标区域；微震检波器与井下工作站相连，串联的井下工作站通过交换机、光电转换器以及光纤与地表数据存储处理终端相连。

优选地，所述涌水量监测系统包括一个已知截面积的标准断面和流速仪；工作面所有底板用水量都流经标准断面，并且保证水流完全覆盖整个标准断面；流速仪与井下工作站相连，串联的井下工作站通过交换机、光电转换器以及光纤与地表数据存储和处理终端相连。

优选地，所述步骤S2中，微震监测系统可能监测到的波形信号包括爆破信号、敲击实验信号、干扰信号和微震信号，这四种波形型号存在典型区别，微震信号可以看到明显的P波起震，然后衰减，紧接着S波起震，然后衰减的完整过程，微震事件持续的事件一般不超过300ms，微震主频率一般不超过200，并且至少被四个传感器接收到信号，以此作为微震事件判定的依据。

优选地，所述步骤S2中，所述微震事件定位，首先确定每个传感器的微震事件波形的P波起震位置和S波起震位置，然后对微震事件进行定位，从而确定微震事件发生的平面坐标、深度以及发生时间；所述震源参数的确定，在微震事件发生的平面坐标、深度以及发生时间确定的条件下，通过分析波形，采用地震学的基本模型，从而确定微震事件的能量和矩震级。

优选地，对微震事件进行定位采用相对定位法、单纯形法及其混合定位法、震源位置和台站联合校正法、Geiger及各种改进法、最小二乘法、台偶时差法、EHB法以及双重残差法中的一种或几种方法的组合。

优选地，所述步骤S3中，依据微震事件数的短时间内迅速增大，并伴随着工作面涌水量的迅速增大为依据，得到底板导水通道形成的过程和时间。

本发明的有益效果是：本发明所提供的一种煤矿底板导水通道识别方法，微震监测系统监测获得微震事件定位信息和震源参数，涌水量监测系统监测每天的涌水量，并通过微震事件数的短时间内迅速增大，并伴随着工作面涌水量的迅速增大为依据，得到底板导水通道形成的过程和时间，然后作出能量密度云图，通过观测能量密度云图最终得到底板导水通道的在平面上的位置，最后根据底板导水通道的在平面上的位置和地质条件，确定区域底板标高，进而确定底板导水通道的延伸深度。该方法对于拓宽微震监测的应用范围，减少煤矿资金投入，保障矿山安全生产具有极强的经济价值和社会意义。

附图说明

图1是本发明基于微震监测的煤矿底板导水通道识别方法流程图；

图2是本发明实施例一中工作面底板微震事件数与涌水量之间的关系示意图；

图3是图2中A点2015年6月11号对应底板微震事件的能量密度演化图；

图4是图2中B点2015年7月10号对应底板微震事件的能量密度演化图；

图5是图2中C点2015年7月23号对应底板微震事件的能量密度演化图；

图6是本发明实施例一中工作面底板+240m处微震事件的能量密度云图；

图7是本发明实施例一中工作面底板+230m处微震事件的能量密度云图；

图8是本发明实施例一中工作面底板+220m处微震事件的能量密度云图；

图9是本发明实施例一中工作面底板+210m处微震事件的能量密度云图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：

如图1所示，本发明的一种基于微震监测的煤矿底板导水通道识别方法，包括以下步骤：

S1：在被监测煤矿建立微震监测系统和涌水量监测系统。

其中微震监测系统包括设于轨道巷和回风巷内的微震检波器，微震检波器布设的基本原则包括：(1)微震检波器安装在轨道巷和回风巷内，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)在轨道巷或回风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。

根据上述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，确定好微震检波器布置方位，微震检波器布置情况主要有两种：第一种，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。

安装好微震检波器后，将微震检波器通过矿用电缆(矿用3芯带屏蔽通信电缆，截面0.75mm²-1.00mm²)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。井下工作站一般采用串联方式来传输数据，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处理终端。

涌水量监测系统包括一个已知截面积的标准断面和流速仪；工作面所有底板用水量都流经标准断面，并且保证水流完全覆盖整个标准断面；流速仪与井下工作站相连，串联的井下工作站通过交换机、光电转换器以及光纤与地表数据存储和处理终端相连。

S2：微震监测系统和涌水量监测系统均通过光纤将监测到的数据传到设置在地面上的地表数据存储处理终端，根据微震监测系统监测到的实时波形数据依次进行滤波、微震事件判定、微震事件定位以及震源参数的确定，根据微震事件定位信息和震源参数得到能量密度演化图。

滤波主要是指将一些有规律性的干扰波形信号过滤掉，提高微震事件判定的效率和准确度。微震监测系统可能监测到的波形信号包括爆破信号、敲击实验信号、干扰信号和微震信号，这四种波形型号存在典型区别，微震信号可以看到明显的P波起震，然后衰减，紧接着S波起震，然后衰减的完整过程，微震事件持续的事件一般不超过300ms，微震主频率一般不超过200，并且至少被四个传感器接收到信号，以此作为微震事件判定的依据。

所述微震事件定位，首先确定每个传感器的微震事件波形的P波起震位置和S波起震位置，然后采用相对定位法、单纯形法及其混合定位法、震源位置和台站联合校正法、Geiger及各种改进法、最小二乘法、台偶时差法、EHB法以及双重残差法中的一种或几种方法的组合对微震事件进行定位，从而确定微震事件发生的平面坐标、深度以及发生时间；所述震源参数的确定，在微震事件发生的平面坐标、深度以及发生时间确定的条件下，通过分析波形，采用地震学的基本模型，从而确定微震事件的能量和矩震级。

S3：通过流速计和标准断面计算得出工作面涌水量，统计和分析工作面底板微震事件数与涌水量监测系统监测到的涌水量之间的关系，依据微震事件数的短时间内迅速增大，并伴随着工作面涌水量的迅速增大为依据，得到底板导水通道形成的过程和时间。

S4：根据底板导水通道形成的过程和时间内的能量密度演化图，确定微震事件的能量密度阈值，作出底板微震事件的能量密度云图；

S5：观察微震事件底板微震事件的能量密度云图，在平面上确定微震事件的能量密度高于能量密度阈值的区域，确定底板导水通道的在平面上的位置；

S6：根据底板导水通道的在平面上的位置和地质条件，确定区域底板标高，进而观察能量密度云图中微震事件的能量密度高于能量密度阈值的区域在底板以下的延伸深度，确定底板导水通道的延伸深度。

通过具体的实施例对上述导水通道识别方法作进一步说明：

实施例一

本实施例的基于微震监测的煤矿底板导水通道识别方法，包括以下步骤：

S1：在被监测煤矿建立微震监测系统和涌水量监测系统。微震检波器沿巷道两侧各布置15个，微震检波器间距为60m。

S2：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。微震监测系统和涌水量监测系统均通过光纤将监测到的数据传到设置在地面上的地表数据存储处理终端，根据微震监测系统监测到的实时波形数据依次进行滤波、微震事件判定、微震事件定位以及震源参数的确定，根据微震事件定位信息和震源参数得到能量密度演化图。

S3：工作面底板微震事件数与涌水量监测系统监测到的涌水量之间的关系如图2所示，依据微震事件的短时间内迅速增大，并伴随着工作面涌水量的迅速增大为依据，判断底板导水通道开始形成的时间为2015年6月11日，至2015年7月10日底板导水通道基本形成。

S4：如图3至图5，根据2015年6月11日、2015年7月10日以及2015年7月23号的能量密度演化图，确定适当的微震事件的能量密度阈值位为0.05，根据微震事件的能量密度阈值作出底板微震事件的能量密度云图。

S5：观测如图6至图9的能量密度云图，在平面上确定微震事件的能量能量密度高于能量密度阈值0.05的区域，从而确定底板导水通道的在平面上的位置为工作面点前距499m至628m位置，靠近轨道巷一侧。

S6：根据底板导水通道的在平面上的位置和地质条件，确定该区域底板标高为+240m，进而观察如图6至图9的能量密度云图中微震事件的能量密度高于能量密度阈值的区域在底板以下的延伸深度，确定底板导水通道的延伸深度为30m。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。