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防治水微地震监测与成像系统

一、 技术背景

1.1应用场景 

我国是世界产煤最多的国家之一,原煤总产量的绝大部分来自地下开采。然而我国煤田地质条件十分复杂。矿井水害事故破坏性大、突发性强、往往导致群死群伤,加之抢救难度大、经济损失大、矿井恢复周期长、恢复期间安全隐患多等特点,因此,水灾是造成重大经济损失和群死群伤最为严重的煤矿五大灾害事故之一, 而矿山发生水害必须具备的 3 个条件是水源、水量和导水通道。在这 3 个条件中,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,往往是易于查明和预测分析的,但导水通道(断层、陷落柱)具有极强的局部性和隐蔽性,因此大多数突水灾害具有导水通道不可预知的特点,具体表现在:

1)原生导水通道的不可预知性;

2)受采动影响新生导水通道的不可预知性;

3)已探明的断层、陷落柱等地质构造活化与否的不可预知性。

因此,导水通道的形成监测成为预防突水灾害形成的关键,而微地震监测与成像系统作为一种岩体微破裂三维空间监测技术,是描述导水通道孕育、发展到最终失稳过程的有效技术手段。

 

1.2现状分析 

近年来,随着地面三维地震、井下瞬变电磁、槽波地震以及地面水平分支孔等技术的快速发展,逐渐形成了以地面综合勘探、采掘工作面超前立体探测、井下预注浆加固隔水层、地面区域治理改造含水层、突水快速治理、超大排水能力保障等为核心的我国煤矿水害综合防治技术体系,并在突水灾害防治、矿区水资源保护等方面发挥了重要作用。

然而,由于我国煤矿区水文地质条件的先天复杂性,加之越来越多矿井采深不断加大,煤矿受高压奥灰水的威胁越来越大,矿井突水事故时有发生。综合分析认为,矿井深部导水通道形成机理不明、小微型突水隐患探查困难、高水压环境井下 钻孔施工不安全、工作面底板预注浆加固及地面区域治理还不能做到零缺陷、采掘过程中缺乏科学有 效的突水监测预警技术等,是造成矿井突水灾害的主要原因。

为了精确定位灾害性突水通道,提高水害预警机制,安徽万泰地球物理技术有限公司联合中国科学技术大学地球物理技术团队合作研发防治水微震监测与成像系统,该系统作为一种具有大范围、全空间、实时、连续监测功能的技术,近年来在石油、水电、矿山等领域得到广泛应用。我国煤矿在瓦斯、冲击地压等动力灾害监测预报等方面,也有大量应用。该系统可探查地下水强径流带、导水通道(裂隙、断层和陷落柱)、突水通道、浆液扩散过程和采空区未知水体突水的可行性及预测预报规律等方面取得良好技术效果,为进一 步做好我国煤矿水害防治工作开辟了一条新的技术途径。

二、技术方案

2.1 技术路线

矿井水害的形成和发生都有一个从孕育、发展到发生的变化过程,在这一变化过程中的不同阶段都有其对应的前兆。防治水微震监测与成像系统就是要找到导水通道的具体参数,包括时空位置、能量和通道类型,并根据水源、水量、水温等因素的变化情况,结合矿山压力、水文地质等多学科理论,进行突水的超前预测预警。监测系统图和技术路线,如图下图。

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防治水监测系统图

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技术路线图

2.2 核心技术

1坍塌网格搜索定位法

坍塌网格搜索定位法具有原理简单、实现方便等特点,能够快速确定真解的大概位置,其的基本思想是把模型空间划分成规则的网格,其次在模型空间按较粗网格进行快速搜索,得到误差分布,然后基于Gaussian误差分布假设,对全局最小区域进行加密搜索;通过多次加密最终得到全局最小值,即震源位置,如下图。

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网格搜索法原理

网格搜索法结合每个检波器拾取的旅行时、射线路径和建立的精细速度模型计算。假定在特定的网格中搜索到的极小值不是局部最小值,将重新建立新的网格密度。

2、双差CT成像技术

双差CT地震成像(Zhang Thurber, 2003)是由双差定位方法(Waldhauser Ellsworth, 2000)发展得到,该方法同时用到绝对和相对到时,用更加精确的相对到时减少系统误差,产生更加精确的速度模型,并且减少了之前传统定位成像方法的简化假设,经过一系列的数据验证,证明了该方法能提高地震定位的质量和速度模型的准确性。

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                         双差成像方法示意图

三、实施方案

项目名称:防治水微地震监测与成像系统在矿山涌水(突水)中的应用

3.1、项目实施的目的

涌(突)水是矿山施工中常见的地质灾害之一,也是矿山运营中的重大难题。底板涌突水问题更是现阶段我国科技攻关的难题,尤其是在高水压、富水、岩溶发育地区施工隧洞或者巷道遇构造发育段时,构造发育使岩体破碎,岩体或者煤层具有一定的贮水空间,渗透性大又具有导水通道的功能,在这样的地段,有发生涌突水的可能。

项目使用防治水微地震监测与成像系统,监测矿山涌突水补给通道中的水声和激荡信号,利用这些信号特征使用微地震定位方法,精确定位这些信号发生的时间和空间位置,获取矿山突涌水灾害的补给通道,结合生产实际情况,采取工程措施合理治理,保障工作面回采过程中现场生产活动安全高效推进。

3.2、设计方案

    3.2.1 台阵布设

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突水动态微震监测台网布设图

 

              3.3、现场实施

              3.3.1 “一致性”测试

    按照公司微震监测现场实施规范,监测设备到达目的地现场后首先进行整套设备的复检和原位试验。由于微震事件定位对于到时的依赖程度较高,各检波器之间的道间一致性对于事件到时的标定及最终定位结果至关重要

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一致性测试记录波形

           3.3.2  “耦合”测试

为保证传感器与目标体有充分的接触以及较好的几何耦合,实现高精度数据采集,在项目实施前进行了多组不同方式的耦合对比实验。

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 传感器加玻璃胶与加腻子粉对比波形

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传感器加腻子粉与打孔加腻子粉对比波形

 

3.4、数据采集与处理

3.4.1、采集到的流体与岩体产生的信号及频谱特征分析

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                      流体与岩体产生的信号

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                       频谱特性分析

    3.5、涌(突)水监测结果

防治水微震监测与成像系统采集到的微震信号经过自动和人工精细化处理后的分析和定位结果,如图。

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  涌(突)水微震事件波形图

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微震事件数和工作面涌水量关系

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                     涌(突)水定位结果

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                涌(突)水成像结果


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