（工程力学专业论文）木城涧煤矿矿震监测定位系统的研究与应用.pdf

摘要 矿震是由于采矿活动两诱发的矿井岩体突然失稳破坏的动力现 象，是影响矿井安全生产的重大自然灾害之一矿震一旦发生就有可 能影响生产，甚至造成财产损失和人员伤亡，随着时间的推移，许多 矿井将进入深部开采，矿震发生的数量将出现进一步上升的趋势，其 灾害性也将日趋严重。本文通过对矿震的特点、发生条件，分类和产 生机理的研究和目前国内外4 种主要的矿震监铡方法的优缺点的剖 析，总结出微震监测法是当前矿震的监测预报的发展趋势之一，这为 建立智能化、自动化、可视化和网络化的矿震监测定位系统做了理论 ，准备。 结合拥有自主知识产权的木城涧矿震监测定位系统，研究了系统 的台址选择原则，系统的各个组成部分和总体布置对困扰系统的雷 击事故，采取了内外结合的避雷方案和良好接地措施，实际运行结果 表明，此套防范措施效果良好。 本文介绍了木城涧矿震监测定位系统的监测程序和部分主程序的 编程原理、功能和界面。给出了监测到的矿震信号和其它干扰信号的 完整波形图。分析了矿震信号的特点，对干扰信号进行了大胆地推测 初步对矿震波的震相进行了分析；得到了矿震p 波的初至时刻和初动 方向 一 本文研究了适用于矿震的发震时刻、震源位置和震级的测定方法 推导出了一种可以应用于单台定位中的发震时刻的计算公式研究了 基于发震时刻计算公式的单台站定位方法，分析了其在木城涧矿震监 测定位系统中的应用结果本文首次提出了应用于两台、三台定位的 直线方程法；对s w g b m 法的各种情况进行了讨论，应用平面四点定 位程序进行了试验，得出了可以应用于实际的结论 选取用近震震级、矩震级和持续时问震级三种标度测定矿震的震 级大小。在根据矿震不同于地震的特点，近震震级计算中引入了李学 政的近场起算函数，以提高小区域的震级精度；在矩震级计算中，使 用了陈培善提出的，利用加速度测定矩震级的公式；拟合了适用于木 城涧矿区的持续时间震级公式。对三种标度计算的震级结果进行了比 关键词：矿震监测定位系统矿震篮测定位震级p 波初动方向木 城涧煤矿 a b s t r a c t r e c k b u r s t , ad y n a m i cp h e n o m e n o no fr e c k - m a s su n s t a b l eb r e a k a g es u d d e n l y w h i c hi si n d u c e db ym i n i n g , i so n eo f t h eh e a v yn a t u r a ld i s a s t e r st h a ta f f e c t st h e i f | v i nt h em i n e r a lp r o d u c t i o n o n c ei to c c u r 蝴m a y b ei n f l u e n c ep r o d u c t i o n , e v e nr e s u l t i np r o p e r t yl o s ea n dp e r s o n n e l sd e a da n di n j u r e d a l o n g 弧t hp r o c e s so ft i m e 。m o r e a n dm o r em i n e $ w i l lg e ti nt h ep e r i o do f t h ed e e pm i n e ) t h et r e n dt h a tt h eq u a n t i t yo f t h er o c k b u r s tw i l la p p e a rt h ef u r t h e l r i s i n g , i t sd i s a s t e ra l s ow i l lg r a d u a l l ys e r i o u s w i t ht h es t u d yo ft h ec h a r a e t e r i s t i c st or o c k b u r s t , c o n d i t i o no fi t so c 饥e i l i t s c a t e g o r i z e sa n dm e c h a n i s mo f p r o d u c e sa n dt h ea n a l y s i so fl h em e r i ta n ds h o r t c o m i n g o f 4k i n d so f m a i nr e c k b u r s tm o n i t o rm e t h o dc u r r e n t l ya th o m ea n da b r o a d , t h er e s u l t t h a to n eo ft h ed e v e l o p m e n t 订e n d so ft h em o n i t o rf o r e c a s ti st h em i c r o s e i s mm o n i t o r i so b t a i n e d t h i si st h et h e o r e t i c a l p r e p a r a t i o nf o rr o c k b u r s tm o n i t o r i n ga n d o r i e n t a t i o ns y s t e m si n t e l l i g e n c e , a u t o m a t i o n , v i s u a la n dn e t w o r k c o m b i n i n gw i t ht h em uc h e n g i i a nr o e k b u r s tm o n i t o r i n ga n do r i e n m t i o ns y s t e m w h i c hh a st h ei n d e p e n d e n ti n t e l l i g e n tp r o p e r t y 妒g h t , t h ep r i n c i p l eo fs e l e c t i n gt h e p e d e s t a la d d r e s sf 盯t h es y s t e m e a c he l e m e n t s 矗dg e n e r a la r r a n g e m e n to f t h es y s t e m a s t u d i e d t h ei n t e r i o ra n de x t e r i o rf i g h t i n gp r o t e c t i o nm e t h o dh a sb e e nu s e da n d p r o p e rg r o u n d i n ga r r a n g e m e n t sa r ca p p f i e do nw h e r en e e d e d 1 1 坞r e s d t so fp r a c t i c a l r u n n i n gi n d i c a t et h a tt h e yw o r kw e l lo np r o t e c t i n gs y s t e mf r o ml i g h t n i n gs t r o k e 一n 圮p r o g r a mp r i n c i p l e , f u n c t i o n sa n di n t e r f a c e so fs y s t e m sm o n i t o r i n ga n d p a r t i a lm a i np r o c e d u r ea r ei n t r o d u c e d n 地f h no s c i l l o g r a mo fr o c k b u r s ts i g n a l sa n d o t h e rd i s t u r b i n gs i g n a l sh a v eb e e nd r a w n , a n dt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h er o c k b u r s t s i g n a l si s o b t a i n e d n ew r i t e rh a s s u p p o s e dw h a tt h ed i s t u r b i n gs i g n a l sa r e a c c o r d i n gt o - t h ea n a l y s i so fs e i s m i cp h a s ew h i c hi sa f t e rf i l t r a t i o n , t h ef a s ta r r i v a l t i m ea n df i r s tm o t i o nd i r e c t i o no f pw a v ea r eo b t a i n e d i nt h i sp a p 既9t h ec a l c u l a t em e t h o d so fr o c k b u r s tt i m e ，h y p o c e n t r a ll o c a t i o na n d m a g n i t u d ef o rr o c k b u r s ta r es t u d i e d 1 1 圮f o r m u l af o rr o c k b u r s tt i m e w h i c hc a nb e a p p l i e do hs i n g l es t a t i o no r i e n t a t i o n , a r ed e d u c e d , t h eo r i e n t a t i o nm e t h o d sb a s eu p o n i ta r oo b t a i n e d , a n dg e tag o o dr e s u l to np r a c t i c a l l yo r i e n t a t ei nm uc h 鼬j i a nc o l l i e r y i nt h i sp a p e r , t h el i n e a re q u a t i o no r i e n t a t i o nm e t h o d sf o rd o u b l eo rt h r e es t a t i o n sp u t f o r w a r df i r s t l y a l ls i t u a t i o no fs w 犯b mh a v eb e e nd i s c u s s e d n 地n u m e r i c a l e x p e r i m e n tf o rp l a n a rf o u rs t a t i o n so r i e n t a t i o np r o g r a mh a sb e e nd o n e ，a n dg e tt h e c o n c l u s i o nt h a ti tc a nb eu s e d t h r e es c a l e sf o rm a g n i t u d e ，s u c ha sl o c a lm a g n i t u d e , m o m e n tm a g n i t u d ea n dd u r a t i o n m a g n i t u d e , a u s e d t od e t e r m i n i n gr o c k l 删f s tm a g n i t u d e a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n c e b e t w e e nm c k b u r s ta n dn a t u r a le a r t h q u a k e l ix u e z h e n g sc a l i b r a t i o nf u n c t i o no f t h ei e 暂 f i e l di su s e di nl o c a lm a g n i t u d ef o r m u l at h ef o r m u l af o rd e t e r m i n i n gm o m e n tm a g n i t u d eu s i n g a c c e l e r a t i o ng i v e nb yc h e np e i s h a ni su s e d , t o o t h ed u r a t i o nm a g n i t u d ef o r m u l ai sf i t t e df o rm u c h e n g j i a nc o l l i e r y t h er e s u l t sc a l c u l a t e db ya l lo f t h e ma r oc o m p a r e d , a n da c o n c l u s i o ni sg i v e n k e yw o r d s ：r o e k b u r s tm o n i t o r i n ga n do r i e n t a t i o ns y s t e m ；r o c k b u r s t ：m o n i t o r i n g ： o r i e n t a t i o n ；m a g n i t u d e ；f i r s tm o t i o nd i r e e t i o no fpw a v o ： m nc h e n 翊i a nc o l l i e r y 辽宁工程技术大学 创新点声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果： l 针对矿震波在地面与传感器的交界面上存在角度变化的 这一事实，推导了p 波初动方向的计算公式； 2 推导出了一种可以应用于单台定位中的发震时刻的计算 公式； 3 研究适用于监测区域小、台站少的矿震定位方法是本文的 最大创新。本文研究了基于发震时刻计算公式的单台站定位方 法。目前正应用在木城涧矿震监测定位系统中；本文提出了应用 于两台、三台定位的直线方程法； 4 本文将李学政的近场起算函数应用于近震震级的计算； 5 拟合了适用于木城涧矿区的持续时间震级公式。 尽我所知，到目前国内外文献未见报道。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 问题的提出 自从人类开采矿物以来，矿震就在采矿活动中时有发生，且以煤 矿尤为突出。矿震( m i n ee a r t h q u a k e ，m i n i n g t r e m o r ) ，在煤矿又称冲击 地压( r o e k b u r s t ) ，是指矿井高应力区内煤体、岩体及断层在受外界扰 动瞬阗失稳破坏时，释放出很大能量而引起的以猛烈震动和爆发式破 坏为特征的矿山动力现象，是矿井的一大自然灾害i l 】。 1 7 3 8 年，英国南斯塔福( s o u t hs t a f f o r d ) 煤田发生了世界上首例有 记录的矿震到目前为止，已发生矿震的有英国、南非、德国、俄罗 斯、中国等2 0 多个国家我国最早记录的矿震是发生于1 9 3 3 年的抚 顺胜利矿震起初，我国地下采矿中的矿震灾害并不十分突出，1 9 6 0 年全国发生矿震的矿井只有6 个但随着采矿规模的不断扩大，矿震 现象日渐显露，矿震事敏时有发生。到1 9 9 0 年仅原煤炭部所属煤矿发 生矿震的己增加到5 8 个；现在已超过1 0 0 个1 2 1 矿震给煤矿带来了极大的灾难当矿震发生时，煤、岩体内所积 聚的能量大多数以动能的形式向外释放，造成煤岩体急剧破坏；部分 能量以应力波的形式释放，引起介质的震动矿震破坏巷道、工作面， 造成顶板下沉、底板鼓起，颠覆生产设备、破坏支架、引起瓦斯涌出 等，产生经济损失并造成人员伤亡由于矿震震源浅，造成震中烈度 高于同级天然地震烈度，应力波传到地面后对地面建筑物也构成损害， 因此对地面构筑物的影响也日益引起人们的关注1 3 1 。 1 9 6 0 年1 月2 0 日南非的c o a l b r o e kn o r t h 煤矿发生了一次矿震， 井下破坏面积达3 0 0 万平方米，死亡4 2 3 人，是目前煤矿矿震最大的 一次灾难1 4 ) 。， 1 9 7 4 年l o 月。2 5 日，北京矿务局城子矿在回收煤柱时发生了震级 里氏为3 4 级的矿震，造成2 9 人死亡2 0 0 1 年1 月6 日和1 2 日老虎 台煤矿发生两次2 8 级矿震造成4 人死亡、3 6 人负伤，采区被迫关毋， 采煤机、液压支架和运输机等采运机械及附属设备均未能撤出，毁坏 巷道3 0 0 余米，2 0 万吨煤炭不能采出直接经济损失过亿元【 2 0 0 5 年2 月1 4 日，辽宁阜新矿业集团孙家湾煤矿海州立井发生了由矿震造 成瓦斯异常涌出、浓度超限，在工人违章带电检修装置的诱因下引发 的特大瓦斯爆炸事故，造成2 1 4 人死亡、3 0 人受伤，直接经济损失4 9 6 8 9 万元2 0 0 5 年3 月2 8 日大同煤矿集团公司塔山矿( 基建矿) ，并下一0 辽宁工程技术大学硕士擘位论文 2 七0 辅运巷维护过程中，发生矿震事故，矿井顶板塌落长度约四十米， 1 1 人死亡。 由于我国煤矿大多建于五、六十年代，随着时间的推移。采掘作 业不断向地下进行，这些矿井将进入深部开采，矿震发生的数量将出 现进一步上升的趋势，其灾害性也将日趋严重北京木城涧煤矿于1 9 5 2 年建成投产，至今已有5 0 多年的发展历史，也同样面临着日趋严重的 矿震危害。 中国是煤炭生产和消耗的大国。据国家环保总局副局长王玉庆在 “建设节约型社会与交通节能一一国际柴油发展论坛”上的发言一一 中国能源环境战略与对策中数据，2 0 0 5 年我国的煤炭消费量为2 1 4 亿吨，占到能源消费总量的6 8 9 。2 0 0 3 年1 1 月1 6 日，中国煤炭工 业协会会长范维唐在国务院发展研究中心主办的中国发展高层论坛能 源战略和改革国际研讨会上说，尽管石油、天然气消费迅速增加，但 到2 0 2 0 年，煤炭在我国一次能源消费结构中仍将占第一位，达6 0 左 右这是由我国能源资源的基本特点( 富煤、贫油、少气) 决定的可见 煤炭是左右我国经济和社会稳定的重要因素我国已探明的煤炭储量 为9 0 0 0 亿吨如按2 0 0 0 年的开采强度，我国煤炭可持续开采6 0 0 年 因此，无论现在还是将来，煤炭工业都是我国的重要产业 可见，一方面是随着采矿规模的不断扩大、深井开采的矿井豹逐 年增多，矿震问题更加突出；而另一方面是煤炭在我国一次能源消费 结构中所占的首要位置，在很长一段时间内无法被取代同时，一方 面是逐年增长的煤炭生产规模和频繁的矿震事故要求有科学、实用， 连续的矿震监测、预报方法；另一方面是目前我国常用的矿震监测方 法一一钻屑法，尽管其简便易行、直观可靠，但缺点是预测工作在时 间和空间上不连续，费工、费时，不能满足实际的工程需要这两组 矛盾必然使得加快矿震监测、预警系统的研究与开发工作十分迫切 这已引起国家安全管理部门的高度重视，其监测与预测技术被列为“十 五”期间矿山安全科技发展的重点领域和关键技术。因此，开发先进、 科学的矿震监测定位系统，对矿震进行实时连续监测，计算发震时刻、 震源位置和震级，在此基础上预测有可能发生的灾害、最终提出针对 性的防范措施，对减少伤亡事故、保证矿山安全生产具有十分重要的 意义，也是当前研究工作的重点。 1 2 国内外研究现状 辽宁工程技术大学硕士学位论文3 1 9 1 5 年南非成立了专门的矿震研究机构【6 】，标志着矿震研究的开 始。国内对矿震研究从1 9 3 3 年抚顺胜利矿发生矿震后就已开始，形成 大规模研究是从上世纪八十年代初。 近几十年来，国内外在矿震监测定位方面做了大量的研究工作。 微震动监测技术是其中的个重要方法。微震现象是2 0 世纪3 0 年代 末由美国l 阿伯特及w l 杜瓦尔发现的1 7 l 。而将微震动( 包括微地 震) 用于监测是2 0 世纪9 0 年代发展起来的【8 l 。这与近年来计算机和数 据采集技术快速发展是分不开的微震监测技术的研究首先应用于地 震预报，其应用于矿震监测仅有2 0 年左右的历史f 9 l 。其原理为：井下 煤岩体是一种应力介质，当其受力变形破坏时。将伴随着能量的释放 过程，微震是这种释放过程的物理效应之一因此，微震的强度和频 一一度在一定程度上反映了煤岩体的应力状态和释放变形能的速度 微震监测还可以应用于煤矿“两带。监测在煤矿开采中，由于 一煤层顶板陷落会产生“两带”一一即冒落带和裂隙带类似天然地震， 在冒落带和裂隙带发育的同时，由于岩石破裂会伴随产生强度较弱的 地震波，这可称为“微地震”微地震技术可以观测、记录、分析、处 理这些微地震波，据此确定冒落带、裂隙带的高度和空间位置，为在 矿井生产设计中留有足够的“防水”或“防砂”煤柱提供直接的依据， 以保证煤矿安全、高效生产微震技术在煤矿监测与岩层破裂相关的 灾害如顶板冒落、一矿井突水、瓦斯突出、支架动压等都有着非常广阔 的应用前景 一， ， 微震监测技术应用于煤矿矿震监测的最终目标是以微震监测技术 为核心，结合信号采集识别，运用微震定位理论和震级计算方法，得 到矿震的发震时刻，震源位置和震级大小，并提供振动的全波形记录， 为确定矿j 霞灾害区和及时提出相应的防治措施提供依据。并在这基础 上，实现从数据采集到监测预报全过程的智能化、自动化、可视化和 网络化 国外在矿山的微震监测方面起步较早，已有较多成果和经验 1 0 , 1 1 , 1 2 , 1 3 1 欧、美国家煤矿早已广泛采用井下环境多功能计算机监测 系统预测煤与瓦斯突出。美国矿业局的研究起步于上世纪6 0 年代末， 最初采用的方法是在重点监测范围内布置地音探听器监测岩石冒落， 后来发展到对单个采场采用多个固定测点，用多通道磁带记录仪收集 微震信号，然后将磁带记录仪所存信息在示波器上回放，并进行人工 辽宁工程技术大学硕士学位论文 4 波形分析与筛选，最后再将有用波形送入电子计算机进行最终处理。 该系统在波形处理上要花费几十小时，达不到实时监测之目的，但最 终的分析结果表明，研制的局部微震监测系统还是很有成效的。他们 根据多年来在微震监测系统上的研究试验经验，研究开发了全矿性矿 震微震监测系统，该监测系统总体设计原理系利用单台数据模块联络 成网络系统，几乎全部工作由计算机完成 波兰的微震系统为每个传感器与记录转换器相连的网络微震监 测台站的结构为：放大器，拓扑网一一星形，中央控制室一一多路调 制器，a c 转换器以及与外界相连的微型计算机。这种结构形式落后于 国际标准特别是信号的传输方面，目前使用的最好的是w e j e k 矿， 全部信号采用数字传输，而且还可以重新构成网络，具有分离子系统、 局部系统一体化的功能 捷克的国家微震网络由三个地面站2 9 个井下监测台站组成，一体 化系统覆盖了全国六个矿井的范围几个子系统在以不同程度的一体 化技术水平工作局部系统的传输既有逻辑型的，也有数字型的 ( d s l a 1 ，u g a 1 ) ，而在局部系统和中央控制室之间则采用无线电的 方式传输尽管在实际应用中各个系统各自控制，但其功能是一体化 系统的 长沙煤矿安全培训中心网始刊文，英国从1 9 8 4 年开始研制微震监 测系统，研制出了2 4 位便携式微震记录仪，能够探测记录长壁开采引 起的微震。利用设置在煤层中的探测仪监测岩层的震动，根据探测器 微震波到达时间、颗粒运动或极化方向，做出开采引起的振动波形图， 并检测出支撑柱的超载征兆微震监测系统主要包括至少3 台微震检波 仪，每台配备3 个震动传感器，震动传感器配有自动记录仪，以及数据 转换系统。 1 9 8 4 年在北斯塔福德郡煤田进行开采微震活动监测。1 9 8 8 年在诺 丁汉郡的考特哥拉夫矿对t - 1 6 5 煤层进行研究。1 9 8 9 1 9 9 0 年在北诺丁汉 郡煤田进行地面微震监测，试图找出井下微震活动与地面监测到的突 出型微震活动之间的对应关系1 9 9 0 1 9 9 3 年在考文垂煤矿利用铅孔 微震技术对煤层进行监测。 在地面与煤层每1 0 m 间隔布置一台三维钻孔地震检波仪，系统可以 探测1 0 0 0 m 以上深度的微震通过监测一个新矿的第一个工作面的开采 过程，可以更深入了解在复杂地质条件下的未扰动应力区内长壁工作 辽宁工程技术大学硕士学位论文 5 面煤壁附近发生裂隙的过程。利用高级数字型三维数据库分析裂隙发 生机理，描述每次微震产生裂隙的方位微震监测能够确定和描述工 作面周围裂隙范围，从而加深了解裂隙产生机理，预测预报顶底板裂 隙扩展范围。 一 在南非和波兰矿山微震监测的研究已有相当长的历史，微震监测 仪器和数据处理方法也比较先进，然丽他们的研究和应用基本上都针 对金属矿中的矿震南非的一体化微震系统具有相互连通的局部系统， 区域系统和全国系统为特点的全功能_ 体化微震系统 澳大利亚联邦科学工业研究院勘探采矿局( c s i r o ) 已在煤矿岩体 破裂韵微地震监测方面做了大量的理论和应用研究工作。自1 9 9 4 年以 来，己在1 3 个矿区做了大量的微地震监测，显示了良好的应用前景 目前，c s i r o 的研究人员在地面监测岩层破裂取得了很好的成果 2 0 0 0 年，加拿大采矿业报道，利用微震事件提供采矿和改变岩块 状态导致矿震发生的应变能量积累的信息在加拿大索德柏立 s t r u t h c o n a 矿记录了系列事件详细编目。以供灾害评价加拿大北部 的o n t a r i o 四个矿的微震系统采用了c a n m e 吖m r l 系统。这是一个多 头的实时操作系统，它可以保证完成每一个处理过程的时间不大于给 定的时间。 在我国矿山的微震监测起步较晚，且起点较低所用仪器非常老 化且监测方法过于简陋( 只提供触发事件数) ，根本无法确定岩体破裂的 详细形态和准确位置。最初研制了耳机监听式地音仪，后来在此基础 上增加了磁带记录功能，然后发展为电子计算机控制式地音仪，进而 发展到用微机( 6 5 0 2 ) 为控制核心的八通道微震测试系统但由于 6 5 0 2 c p u 数据处理能力及运算速度等因素的限制，使该套系统的应用 与推广受到了一定的限制 上世纪8 0 年代，北京矿务局门头沟矿从波兰引进了一套矿震监测 定位系统。但由于对操作人员的经验依赖度商，自动化程度低，操作 复杂，随着技术人员的断代和设备的老化，这套采用模拟信号记录的 矿震监测系统早已被尘封 2 0 0 4 年，我国第一台从加拿大引进的井下地压微震监测系统，在 广东韶关市凡口铅锌矿安装调试完毕，正式投用，这是我国首次将微 震监测系统用于金属矿。现阶段国内也开始从事微震方面的智能型仪 器系统的研究与开发，有采用购进现成的采集卡配合工控机进行开发 辽宁工程技术大学硕士学位论文 6 的，还有一种就是采用d s p 技术进行开发的，与采用工控机的方式比较， 具有体积小、成本低与数据处理方便等方面的优势 山东科技大学与澳大利亚联邦科学院勘探采矿局( c s i r o ) 合作，就 煤矿灾害的预测及防治工作进行科技攻关，设计出国际上第一套井下 微震定位监测系统，用于实时监测岩体破裂及灾变过程，达到降低矿 山人员伤亡、减少因事故造成的巨大经济损失、改善矿业生产状况等 耳标。 一 近来，山东煤田地质局开发成功的w z d 2 0 0 0 微震动监测系统，经 过专家鉴定，其性能达到国际先进水平，在软件与硬件结合方面达到 国际领先水平。这一高新技术，对于我国矿业发展具有重要的经济价 值和巨大的社会价值 2 0 0 5 年4 月4 日，新汶矿业集团从波兰直接引进了一套 。a r a m i s m ”矿震微震监测系统。 上述的研究现状有以下不足： 国内外对矿震监测定位系统的研究主要集中在系统的组成上，但 由于各种原因，计算机和网络的应用较少，系统的智能化、自动化、 可视化和网络化水平低；对于台址的选址、系统的避雷和接地措施 信号震相分析没有很好的解决，有些目前甚至没有研究；在表征矿震 。时、空、强”三要素的基本参数一一发震时刻、震源位置和震级的 研究中，定位问题( 定位问题是指根据台站对地震到时的监测资料，测 定发震时刻和震源的坐标，通常还给出解的评估) 普遍集中在研究不 少于六个台站监测到矿震信号的情况，这对于监测区域小，震源浅的 矿震虽然可行但不经济。对于不多于四个台站监测到矿震信号的定位 问题i 几乎没有研究；对矿震震级的研究至今没有见到相关的文献。 为此，辽宁工程技术大学积极进行矿震监测定位系统的研究和开 发2 0 0 5 年1 月，系统已在北京昊华能源股份有限公司木城涧煤矿正式 启动。此系统根据矿山微震的信号特征、发生规律进行设计与架设 由于系统采用了最新的信号数字化、传输网络化与分析归档自动化技 术，可以远端控制和g p s 网络授时，具有噪声低、响应快，监测结果易 于理解，操作简便等特点，真正达到了智能化、自动化、可视化和网 络化系统能够提供微震发生的时间、地点与震级等基本参数，还提 供每次振动的全波形记录一一年多的实际监测表明监测结果与实际矿 震十分吻合，定位误差不大于5 0 m 。这为木城涧煤矿矿震预测和控制工 辽宁工程技术大学硕士学位论文 7 作提供了重要依据。此项研究不但是与北京吴华能源股份有限公司木 城润煤矿的横向课题。也已被纳入国家自然科学基金重大项且 ( 5 0 4 9 0 2 7 5 ) 资助之中。 1 3 本文的主要工作 本文结合北京木城涧煤矿微震监测定位系统研究这一具体的工程 实际，将理论和实际相结合起来，主要做了以下工作： 对矿震的特点和其信号的特征进行了阐述，给出了矿震发生的条 件。阐述了矿震的分类和形成机理，重点介绍了根据失稳理论将矿震 分。煤体压缩型、顶板断裂型和断层错动型三类，及其产生的机理 对目前国内外4 种主要的矿震监测方法的优缺点进行了分析，为矿震 监测定位系统的设计做一准备结合木城涧矿震监测定位系统，研究 矿震监测定位系统的台址选择原则，系统的各个组成部分和总体布置， 对困扰系统的雷击事故，采取了内外结合的避雷和接地措施。研究了 矿震信号的组成、特征和干扰因素结合传感器的工作原理介绍木城 涧矿震监测定位系统监测程序和部分主程序的编程原理、功能和界面 对接收到的矿震信号和其它干扰信号进行分析和推测。对滤波后的信 号进行了震相的初步分析，研究了确定矿震p 波的初至时刻和初动方 向的方法研究了矿震定位问题的解决方法，及其在木城涧矿震监测 定位系统中的应用给出了适合于矿震特点的定位问题的解决方法 给出了一种可以应用于单台定位中的发震时刻测定方法；着重研究不 超过四台站的定位方法及其应用应用近震震级、矩震级和拟合得到 的持续时间震级三种标度测定矿震的震级大小并对结果进行分析 辽宁工程技术大学硕士学位论文 8 2 矿震研究， 本章将对矿震的基本特征进行分析，阐述矿震及其信号的特点， 研究矿震的发生条件并按不同分类方法对其进行分类，进一步研究矿 震发生的机理，在此基础上介绍目前矿震的监测方法，对它们的优缺 点进行剖析。 2 1 矿震的特点和发生条件 2 1 1 矿震的特点 一 从地震学的角度看，矿震属于地震学中的诱发地震，是中等尺度 的地震大量统计资料表明：采掘诱发矿震的震源深度距地面一般不 超过l 公里，震中区裂度要比天然同级地震高出l 至2 度，国外有里 氏5 级以上的记载，震中区裂度达到9 度，超过城市地区防震标准 矿震无论是成因上，还是波形特征上，都是比较复杂的，特别是在震 一相上，有的与天然地震相近，有的与之相差较大综合各矿区的矿震 现象，矿震和天然地震相比，其典型特征为3 。】： a 地面和井下的开采活动都可能引起矿震现象的发生，较小矿震 地面无震感，而较大矿震地面震感明显，在现象上与天然地震基本相 同； b 矿井顶板冒落、煤层片帮、地表塌陷、岩爆、煤与瓦斯突出等 均可引起矿震的发生，矿区范围内的断裂等构造的活动也可能导致矿 震的发生。矿震发生破坏位置与采矿位置不完全具有对应关系； c 矿震震级的大小与并下煤岩破坏程度无对应关系。有的矿震震 级很大，但井下煤岩破坏却较小；有的矿震震级很小，但井下煤岩破 坏却比较严重这主要是因为矿震的震中不一定就是破坏位置。比如 发生在采空区的矿震，工作面或巷道煤岩的破坏可能就较小矿震的 破坏情况与震级并不呈正比关系，在地面震感明显的较大矿震并不一 定造成矿井损坏，较小矿震有时也造成较大破坏甚至造成灾害 d 矿震震源浅，造成的震中烈度高于同级天然地震烈度。 e 破坏在瞬间迅速发生，来势猛，发生时间短，前兆不明显，较 难预报。 矿震震信号的特征决定于震源性质、所经岩体性质及监测点到震 源的距离等其具有以下比较明显的特征【7 l ： a 信号是随机的，非周期性的； b 信号频率范围很宽，上限可高达几万赫兹，甚至更高； 辽宁工程技术大学硕士学位论文9 c 信号波形不同，能量悬殊较大。从煤岩体微小破裂的1 0 4 ， 到大尺度的煤岩体破坏的1 0 ，相当于里氏震级的6 5 级； d 振幅随距离增大迅速衰减 2 1 2 矿震的发生条件 l 煤层本身具有矿震危险。一般来说，具有矿震危险的煤层具备 以下特点： a 煤层的煤质较硬，单轴抗拉强度达3 0 m p a ，弹性模量达1 0 g p a 以上，易发生脆性破坏； b i 煤体在达到强度极限以前的变形主要表现为弹性变形； c 煤层的自然含水率低，一般不超过3 ； ”e 煤层厚度较大或厚度变化大，有的伪项与直接项较薄，甚至没 有 2 煤层顶板坚硬。当煤层的顶板坚硬并有大面积悬顶时，会使煤 体承受高的支承压力，容易发生矿震 一一3 煤层底板强度较高煤层顶、底板对煤体的夹制作用，使煤体 易于积聚能量而产生矿震 4 开采深度较大，在2 0 0 7 0 0 m 之间由于煤体的应力与采深几 乎成正比，所以采深越大，煤体的应力越高，煤体变形和积聚的弹性 潜能也越大我国一般在2 0 0 m 以上时，随着开采深度的增加，矿震 的次数和强度呈增加的趋势 5 地质构造对于矿震的发生有较大的影响，多数矿震发生在地质 异常区，如向斜轴部。背斜区等构造应力的作用可以使发生矿震的 临界深度明显减小。在构造应力集中的构造地带，如在向斜轴部，断 层附近，煤厚或倾角发生突变地点，是矿震发生的密集区 6 她应力水平较高 7 地温较大。 8 采掘程序对于矿山压力的大小和分布亦有很大影响。回采工作 面的相向推进，以及在回采工作面的支承压力带内开掘巷道，或在上 层煤的回采边界影响带内，都会使支承压力叠加而可能发生矿震 9 大多数矿震发生在煤柱上煤柱是开采中的孤立体，两面或三 面临空的煤柱可能承受多个采空区方向引起的支承压力，所以，不仅 煤柱本身易发生矿震，而且上层煤柱会对下层煤传递集中应力，容易 使下层煤发生矿震 辽宁工程技术大学硕士学位论文i o 1 0 放炮。放炮诱发矿震的主要原因是： a 放炮后煤体应力重新分布，使部分煤体应力增加，进入极限平 衡状态或破坏其平衡； b 放炮后原高应力带的煤体的侧向约束迅速解除，其受力状况发 生了变化，由三向受力向二向受力转化，此时煤体的速度下降，以至 迅速破坏，形成矿震 1 l 弹性模量和单轴压缩应力应变曲线软化段曲线的斜率的绝对 值的比值较小这是一个崭新的矿震倾向性判别指标，当这一比值为 零时，即岩石超过峰值强度后就迅速破坏，岩石极脆，此时l 临界软化 区深度即为圆形洞室的半径。即在荷载的作用下，周边刚有软化区时， 就能发生矿震若这一比值较大，则不能发生矿震 2 2 矿震的分类 矿震其形成的力学环境、发生的地点，宏观和微观上的显现形态 多种多样，冲击破坏强度和所造成的破坏程度也各不相同由于矿震 发生的机理存在不同的理论，有各自不同的发生条件和判别准则。客 观上不同矿井的矿震成因和显现特征也不同，即使同一矿井，由于地 质构造、开采条件和开采方法的差异，使得矿震的成因、性质、特征、 震源部位和破坏程度不同【】由于矿震存在不同的种类，只有对其进 一 行科学的分类，才能针对不同类型的矿震实施有效的监测、防治措施 目前主要的分类方法有以下几种： 1 据矿震的物理特征，按发生原因分( 分为三类) a 压力型矿震；b 突发型矿震；c 爆裂型矿震 2 根据矿震的能量特征，按发生时释放的矿震能大小分( 分五个等 级1 ： a 微矿震 表现为小范围岩石抛出和矿体微震动。包括射落和微震射落是 表面的局部破坏，表现为单个煤( 岩) 块弹出，并伴有射击的声响微 震是母体深部不产生粉碎和抛出的局部破坏常伴有声响和岩体微震 动； b 弱矿震 少量煤( 岩) 块抛出的局部破坏，伴有明显的声响和地震效应，但 不造成严重损害； c 中等矿震 辽宁工程技术大学项士学位论文 急剧的脆性破坏，抛出大量岩石、形成气浪，造成几米长的巷道 支架损坏和垮落、推移或损坏机电设备： d 强烈矿震 使长达几十米的巷道支架破坏和垮落，损坏机电设备，需要大量 修复工作； e 灾害性矿震 使整个采区或一个水平内的巷道发生垮落，个别情况下波及全矿， 造成整个矿井报废 3 ，根据参与矿震的岩体类别分( 分为二类) ： 一a 煤层矿震( 煤爆) ；b 岩层矿震( 岩爆) 。 4 根据矿震力源分( 分为三级) ： a 重力型； b 构造型； c 中间型 5 根据矿震发生失稳机理分( 分为三类) ：煤体压缩型矿震、顶板断 裂型矿震和断层错动型矿震【，15 1 8 煤体压缩型( 如山东华丰矿) 是由于煤体压缩失稳而产生，包括 重力和水平构造应力引起的两种，多发生在厚煤层开采的采煤工作面 和回采巷道中震级一般不超过2 级，但矿震发生后，突出的煤量较 多，易造成设备破坏和人员伤亡发生深度一般不大于5 0 0 m ，且符合 g u t e n b e r g r i c h t e r 公式：i n n = a b m ，式中ln 为大于某一震级的矿 震次数；m 为震级；口，b 为常数，在三种类型的矿震中，b 值最大， 为2 0 2 5 。震相是“伞面形”。起始震幅大，但衰减很快，持续时问 很短。在有构造应力参与时，则振动时间加长，往往有2 - 3 次振荡。 b 顶板断裂型( 如北京门头沟矿) 由顶板岩石拉伸失稳而产生多 发生于工作面顶板为坚硬，致密、完整且厚的岩体中采空区的大面积 空顶部位牵涉范围大，释放能量大，发生强度高，一般震级在2 3 级之问b 值次之，为1 5 2 ，0 。 c 断层错动型( 如北票台吉矿) ：由断层围岩体剪切失稳造成。发 生在采掘活动接近断层时，采矿活动影响而使断层突然破裂错动。发 生深度一般为8 0 0 1 0 0 0 m 。震级为3 4 级。b 值在1 0 附近。其优势 频率为1 6 h z 。振动时问长、振荡次数多、频率低，应力波携带的能 量大，传到地表后能激起很强的面波。断层错动型矿震图相类似于天 然地震，s 波很强，频率低、持继时阅很长。 辽宁工程技术大学硕士学位论文1 2 2 3 矿震的形成机理 矿震的形成机理，原则上是指形成矿震的内在规律。它不同于一 般的外部影响因素或发生条件，也有别于诱发因素，是矿震监测、防 治工作的理论基础1 1 6 1 世界上发生第一次矿震后的二百多年里，出 现了许多矿震的理论。其中有代表性的理论如下 1 7 - 3 7 ： l 强度理论( i n t e n s i t yt h e o r y ) 强度理论是最早的矿震发生理论， 传统的力学观点认为，只要材料所受的载荷( 或由此而产生的应力) 达到其强度极限，则材料就会开始破坏正是基于这一朴素的认识， 在矿震形成的机理研究中，从一开始就注意到了强度问题，并逐步发 展形成了各种矿震强度理论其中，具有代表性的是由g 布霍依诺( g b r a e n e ) 提出的夹持煤体理论该理论认为煤体处于顶底板的夹持之 中，夹持特性决定了煤一一围岩体系的力学特性。矿震是煤岩局部应 力超过强度极限后而发生的，该理论可以解释一些矿震现象但对于 地下煤岩体结构，局部应力超过强度极限是随处可见的，也是不可避 免的，但并没有都发生矿震，发生矿震的仅是少数，强度理论无法解 释这些事实 一 2 能量理论( e n e r g yt h e o r y ) 。库克( c o o k e ) 在总结南非1 5 年矿震 研究与防治的基础上。提出了能量理论矿震发生后，原有的矿体一 一围岩力学系统的平衡状态被打破，变成新的平衡状态，该过程中若 系统释放的能量超过其消耗的能量即发生矿震随后丹克豪斯 ( d u n k h o u s ) 给出了能量平衡的方程式，佩图霍夫( p e t u k h o v ) 对产生矿震 的能量结构作了分析能量理论未涉及到岩体的突然破坏及能量释放 条件等因素 3 刚度理论( r i g i d i t yt h e o r y ) 。刚性试验机问世后，库克将煤柱与 围岩比拟为岩石试件与压力机将岩样稍过峰值强度后突然破坏的刚 度条件作为煤柱矿震发生的条件布莱克( b l a k e ) 认为矿体刚度大于围 岩剐度是矿震发生的必要条件，这在一定程度上揭示了矿震的本质 4 冲击倾向性理论( b u r s t t e n d e n t i o u s n e s s t h e o r y ) 。该理论认为发 生矿震的介质产生冲击破坏的潜力，即为介质的冲击倾向通过对照 指标与不同介质比较，能估计矿震发生的危险程度，但无法考虑开采 方法和地质条件等因素对矿震发生的影响 5 “三准则”理论( t h r e e c r i t e r i o n t h e o r y ) 。该理论是我国学者在 总结了强度理论、能量理论和冲击倾向理沦之后所提出来的其基本 辽宁工程技术大擘硕士学位论文 观点是将上述三种理论结合起来，并