（采矿工程专业论文）微震监测在煤与瓦斯突出预测中的应用研究.pdf

| ， 1 气 j a b yw a n gq i n g l i s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rx i n gj u n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 x 厶，rf， ( j 。 r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年- 年r - i一年半口两年口 学位论文作者签名： 王长禾 、j 签字醐：m 乒1 导师签名： 签字日期： 矸7 7 咩 k 7 。q 一 j ， ( - j “ 一 东北大学硕士学位论文 摘要 微震监测在煤与瓦斯突出预测中的应用的究 摘要 微震监测技术是近几年来发展起来的一项高新技术，利用声发射学、地震学和地球 物理学原理以及计算机强大的功能来实现微震事件的精确定位和级别大小的确定。该技 术可以长期连续不问断的进行监测和数据分析，具有远距离、动态、实时的特点。该系 统的运行进一步推进了淮南矿业集团新庄孜矿煤与瓦斯突出机理与预报方法关键技术 研究，同时这也是一项创新，这是国内首例将微震监测系统成功的运用到高瓦斯煤矿。 淮南矿业集团也成为我国第一个具有瓦斯突出危险性实时监测、分析、预警机制的矿山 生产安全技术示范区。 淮南矿区开采历史悠久、煤层地质条件复杂，近年来在采煤方法、瓦斯综合治理、 煤巷锚杆化支护、矿井高产高效等方面已取得了重大成就。尽管在瓦斯灾害防控方面开 展了大量卓有成效的工作，但由于煤矿瓦斯灾害发生机理的复杂性，监测手段的不连续 性，煤与瓦斯突出仍然给矿山生产带来很多困难。 目前，微震监测系统已经在新庄孜矿正式启动，并且可以2 4 小时不问断的对数据 进行采集处理，它克服了过去传统方法的缺点劳动强度大、所需人员多、预测准确率 较低，操作复杂，关键是不能实现实时监控，往往一些事故就发生在非预测期间。该系 统使用加拿大e s g 公司生产的矿山微震监测系统( 3 0 通道) 及大连力软科技有限公司 开发的矿山微震监测分析软件。针对新庄孜煤矿高应力区、煤与瓦斯突出危险区的围岩 破裂进行监测、定位及实时分析；在此基础上，借助大规模科学计算，对监测信息进行 分析、处理，建立一套适合于淮南矿区的既有理论依据，又易于操作的矿井煤与瓦斯突 出预报分析系统，为实现矿山动力灾害中、长期预报奠定基础。 由于系统刚刚建立，并且现在开采煤层为低瓦斯煤层，微震事件不是很多，但是通 过对微震监测所得到的数据进行分析，发现对于采矿活动所引起的煤岩震动，微震监测 系统能实时捕捉其定位信息，这为地压活动的监测以及突出灾害发生的预测和下一步高 瓦斯煤层开采监测提供了丰富的经验。 关键词：辛庄孜煤矿微震监测煤与瓦斯突出矿山动力灾害预测 - i i - j - 【一 够 礴 东 m i c r o s e i s m i cm o n i t o r i n gt e c h n i q u eh a sd e v e l o p e dt oah i g ht e c h n o l o g yi nr e c e n ty e a r s p r e c i s el o c a t i o no fm i c r o s e i s mi n c i d e n ta n dt h el e v e ld e t e r m i n a t i o ni sr e a l i z e db ys o u n d b a l l i s t i c s , s e i s m o l o g ya n dg e o p h y s i c st h e o r ya n dc o m p u t e r t h et e c h n i q u ec a nm o n i t o ra n d a n a l y s i sd a t ad i s c o n t i n u o u s l yf o ral o n gt i m e ，w h i c hi s c h a r a c t e r i s t i c so fl o n gd i s t a n c e ， d y n a m i c a n dr e a l - t i m e rp u s h e sm o s t u d yo nm e c h a n i s mo fc o a la n dg a so u t b u r s ta n dt h e k e yt e c h n i q u eo ff o r e c a s tm e a n sa b o u tt h em i n eo fx i n z h u a n g z ii nh u a i n a nm i n i n gg r o u p ，a t t h es a m et i m e ，i ti sa ni n n o v a t i o na n dt h ef i r s tp r a c t i c a li n0 1 1 1 c o u n t r ya p p l y i n gm i c r o s e i s m i c m o n i t o r i n gs y s t e mt oh i g hg a sc o a lm i n e h u a i n a nm i n i n gg r o u pw i l lb et h ef i r s tm i n e p r o d u c t i o ns a f e t yt e c h n o l o g yd e m o n s t r a t i o na 嗽w h i c hh a sg a so u t b u r s tr i s kr e a l - t i m e m o n i t o r , a n a l y s i sa n de a r l yw a r n i n gm e c h a n i s m 啊埒m i n eo fh u a i n a nh a sal o n ge x p l o i t a t i o nh i s t o r ya n dc o m p l e xg e o l o g i c a lc o n d i t i o n i th a so b t a i n e di m p o r t a n ta c h i e v e m e n ti nm i n i n gm e t h o d s ，g a ss y n t h e s i z em a n a g e m e n t , c o a l l a n ep r o t e c tw i t ha n c h o rp o l ea n dh i s hy i e l da n de f f i c i e n c yi nr e c e n ty e a r s a l t h o u g hag r e a t d e a lh i g h l ye f f e c t i v ew o r k sh a v eb e e nd o n ei ng a sd i s a s t e rd e f e n s e s ，t h e r e 瓣ag r e a tm a n y d i f f i c u l t i e sf o rm i n ep r o d u , w h i c hi sb r o u g h tb yc o a la n dg a so u t b u r s t , b e c a u s eo ft h e c o m p l e xm e c h a n i s mo f g a sd i s a s t e ra n dd i s c o n t i n u o u sm o n i t o rm 觑t l l s p r e s e n t l y , m i c r o s e i s m i cm o n i t o r i n gs y s t e mh a sb e e ns t a r t e du pi nx i n z h u a n g z im i n e i t c a na n a l y s i sd a t af o r2 4h o u r sd i s c o n t i n u o u s l y i ti sa d v a n c e dt h a nt r a d i t i o n a lm e t h o d , w h i c h i so fg r e a tl a b o ri n t e n s i t y , l o wf o r e c a s ta o c u r a c ya n dc o m p l e xo p e r a t i o n e s p e c i a l l yf o ri t c a n n o tr e a l i z er e a l - t i m em o n i t o r , a n ds o m ea c c i d e n th a p p e n e di nt h e p m o d w h i c hc a n n o tb e f o r e c a s t t h es y s t e ma d o p t sm i n em i c m s e i s m i cm o n i t o r i n gs y s t e m ( 3 0 c h a n n e l s ) p r o d u c e db y c a n a d ae s gc o m p a n ya n dm i n em i c r o s e i s m i cm o n i t o r i n ga n a l y s i ss o f t 、) v a mp r o d u o e db y d a l i a nm e c h s o f lc o m p a n y o nt h eb a s eo fm o n i t o r i n g , l o c a l i z a t i o na n dr e a l - t i m ea n a l y s i so f w a l lr o c kr u p t u r ei nt h er i s ka 托at h a ti su n d e rh i g hs t r e s sa n ds e r i o u sc o a la n dg a so u t b u r s t , w i t ht h eh e l po f l a r g es c a l es c i e n t i f i cc o m p u t i n g , ak i n do fa n a l y s i sa n dp r e d i c t i o ns y s t e mw a s e s t a b l i s h e di nh u a i n a nm i n i n gg r o u pw h i c hn o to n l yh a st h e o r e t i c a lb a s i sb u ta l s oi sas i m p l e a n dc o n v e n i e n to p e r a t i o n t h i ss y s t e mp r o v i d e sam e t h o do fl o n g - t e r mf o r e c a s to fm i n i n g d y n a m i c a ld i s a s t e r s i n c et h es y s t e mh a sb e e ne s t a b l i s h e d , b e c a u s eo ft h ec o a ll a y e rc o n t a i n sl o wg a s ，s o t h e r ew a so n l yal i t t l eo f m i c r o s d s m i ch a sb e e nr e c e i v e d b u tw ec a na n a l y s i st h ed a t ea n d f o u n dt h ei n f o r m a t i o nt h a tc a u s e db ym i n i n ga n do t h e ra c t i v i t y s , t h r o u g h tt h o s ei n f o r m a t i o n w e 啪c a t c ht h eu s e f u l n e s si n f o r m a t i o nf o ro r i e n t a t i o n t h o s ei n f o r m a t i o n 翻ng i v eu s a b u n d a n t l ya 叩盯i 倪i c et ot h ef o r e c a s to f 峭u r o , c o a la n dg a so u t b u l 随a n dm i n i i l go ft h e - m a b 双豫c t 摘要i i a b s t r a c t i 】口【 第l 章绪论1 1 1 研究问题的提出1 1 2 煤与瓦斯突出研究现状2 1 2 1 国内外煤与瓦斯突出概况2 1 2 2 煤与瓦斯突出机理研究现状3 1 2 3 国内外瓦斯突出预测方法研究现状4 1 2 4 微震技术国内外研究现状6 1 3 本文研究技术路线7 1 4 本文研究的主要内容及意义8 第2 章淮南矿区地质及瓦斯治理现状9 2 1 淮南矿区煤层群的赋存特征9 2 2 淮南矿区安全生产和相关技术现状9 2 2 1 安全生产现状9 2 2 2 瓦斯综合治理技术现状1 0 2 2 3 矿区安全高效生产面临的问题1 2 2 3 本章小结。1 3 第3 章微震监测技术基本原理与方法1 4 3 1 微震监测的原理1 4 3 1 1 微震信号的产生机理1 4 3 1 2 煤岩体的声发射产生机理1 5 3 1 3 声发射波的传播l6 3 2 微震监测定位原理1 7 3 2 1 最小二乘法算法1 8 3 2 2 单纯形定位算法1 9 3 2 3 盖格尔定位算法2 0 5 3 微震定位事件初步分析。4 8 5 4 微震监测系统的应用扩展5 3 5 5 本章小结? 5 3 第6 章结论与展望。5 5 6 1 结论。5 5 6 2 今后的工作与展望。5 5 参考文献5 7 致谢6 0 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 1q 1 研究问题的提出 第1 章绪论 我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，煤炭作为能源和工业原料，对人类的文 明进步和经济发展起到了巨大的推动作用，尤其是在2 0 0 8 年1 月雪灾中，全国各电力 企业煤炭储量频频低于警戒线，更加突出煤炭生产的重要性。然而我国煤矿死亡人数每 年超过6 0 0 0 入，是世界上其他产煤国家死亡总数的3 倍，百万吨死亡率是美国的1 4 5 倍【l 】，由此可见我国是世界上煤与瓦斯突出最严重的国家之一。 表1 12 0 0 5 年以来我国煤矿产量及百万吨死亡人数统计 2 1 t a b l e1 it h eo u t p u to f c o a la n dt h ed e a t ht o l li nm i l l i o nt o n ss t a t i s t i c sf r o m2 0 0 5 年份产量( 亿吨)百万吨死亡人数 2 0 0 5 2 1 92 8 l 2 0 0 62 3 82 0 4 2 72 5 3 61 4 8 5 2 0 0 82 7 9 31 1 8 2 表1 22 0 0 5 年以来我国煤矿瓦斯事故死亡人数统计弘j t a b l e1 2t h ed e a t ho fg a sa k c c i d e n t ss i n c e2 0 0 5y e a r 年份 2 0 0 5 2 0 0 6 2 0 0 7 2 0 0 8 从统计数据来看，我国煤矿安全状况总体上呈现出相对稳定、死亡人数下降的趋势。 然而，自2 0 0 5 年以来。我国煤矿连续发生了几次特大煤矿瓦斯爆炸事故，其中2 0 0 7 年 1 2 月5 日陕西省临汾市洪洞县瑞之源煤业有限公司发生瓦斯爆炸事故，1 0 5 人遇难。瓦 斯事故的接连不断给人们生命与财产安全造成极大地损失。 为了尽可能的减少瓦斯突出的危害，世界各国都投入了大量的人力物力，在瓦斯突 出预测方面做了大量的工作。我国也做了大量的工作，特别是在应用工作面钻孔测定相 关参数预测突出的方法和仪器装备方面取得较好的效果。但是这些方法需要一定得工作 量，并且对生产有一定的影响。因此，非接触性的自动连续预测技术的研究就显得十分 有意义，也是未来的发展趋势。微震监测技术是近几年来发展起来的项高新技术，利 用声发射学、地震学和地球物理学原理以及计算机强大的功能来实现微震事件的精确定 位和级别大小的确定。该技术可以长期连续不问断的进行监测和数据分析，具有远距离、 数一 丛蚴儆吼渤 死一 突出现象的完整记载。在1 9 5 0 年5 月2 日，辽源矿务局富国二矿煤巷掘进时发生过有 记载的第一次煤与瓦斯突出现象。根据1 9 9 5 年的调查统计，建国以来，我国先后在4 5 个矿务局、1 3 8 个国有重点煤矿的1 7 8 个井口，共发生煤与瓦斯突出1 0 8 1 5 次，死亡1 2 6 6 人，共突出煤量8 1 5 8 0 0 1 ：，平均突出强度为2 7 5 t 次。全国突出矿井总数约为2 5 0 个，累 计突出次数为1 4 3 0 0 万次，占世界突出总次数的3 5 。突出强度超过1 0 0 0 t 的突出次数 达1 0 0 余次，如1 9 7 5 年8 月8 日，天府矿务局三汇坝一矿+ 2 8 0 m 水平平硐揭穿煤层时 发生我国最大的煤与瓦斯突出，突出强度达1 2 7 8 0 t ，瓦斯1 4 0 0 0 0 0m 3 。我国绝大多数的 突出为煤与瓦斯突出，但在北票矿区的深部、阜新矿务局东梁矿和王营矿发生过为数不 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 多的岩石与c i - h 突出，吉林营城矿发生过特大型的砂岩与c 0 2 突出，甘肃窑街矿务局三 矿也发生过特大型的煤、砂岩与c 0 2 突出。 目前我国国有统配煤矿中具有瓦斯灾害的矿井5 0 9 个，其中高瓦斯矿井1 6 3 个，煤 与瓦斯突出矿井1 0 7 个。随着采掘深度不断增加，地应力与瓦斯压力不断加大，煤炭开 采的地质条件和技术条件也日趋复杂，煤与瓦斯突出矿井的数日增多，次数频繁，强度 加大，解决矿井煤与瓦斯突出灾害问题已经迫在眉睫。 1 2 2 煤与瓦斯突出机理研究现状 煤与瓦斯突出事故频繁发生，各国投入了大量人力物力，开展突出机理、预测与防 治技术的研究，在一些方面取得了进展，但是由于煤岩物理力学性质的非线性、岩体破 坏形式的多样性和瓦斯赋存与运移过程的复杂性，对于突出的原因、过程及一些细节还 不明确，现场存在着相当一些特殊的突出现象也无法解释，问题远远没有得到解决。 8 - 1 1 l 煤与瓦斯突出机理研究经历了单因素假说( 于不凡1 9 7 8 ) 综合假说( 【俄】斯柯基，1 9 5 8 ) 和流 变假说( 何学秋等，1 9 9 1 ) 三个阶段i l z 1 3 l 。目前为大多数学者和现场所接受的是综合假说。 与综合假说接近的还有能量假说( 【俄】霍多特，1 9 6 1 ) 、应力分布不均匀假说( 【俄】巴布洛 夫，1 9 6 4 ) 、动力效应假说( 【英 p o o l e y ，1 9 6 7 ) 、地壳失稳假说( 蒋承林和俞启香，1 9 9 5 ) 1 1 5 1 和固流耦合失稳理论( 梁冰和章梦涛，1 9 9 5 ) t 1 6 1 刀。但比较为人们接受的是瓦斯、地应 力与煤的物理力学性质综合假说。突出预测也多半是应用综合假说来进行的。 据国内外资料不完全统计，煤和瓦斯突出机理假说有3 0 多个，主要可以归为4 类观 点：地应力假说、瓦斯作用假说、化学本质假说、综合作用假说。其中以综合假说地 应力、瓦斯和煤的物理力学性质三因素综合作用的假说得到大多数煤矿瓦斯科技工作者 的赞同。但由于突出的特殊性和复杂性，对三因素在突出中所起的作用的具体认识上， 尚存在较大的分歧。综合各种突出机理，主要可概括为以下三类。 1 瓦斯作用说：该假说认为在瓦斯突出因素中，瓦斯为主导作用，而地应力只是 间接地参与了作用。该类学说揭示了大多数瓦斯动力现象，该学说中包括振动说、游离 瓦斯压力说以及二项流体假说等观点。 2 地应力作用说：该假说认为瓦斯突出的主要原因是局部地应力增大。这类假说 中，构造应力论占有重要地位。构造应力说又可以分为残余构造应力说和现代构造应力 说两种1 1 1 1 。根据研究表明，增高的地应力是发生瓦斯突出的第一个必要条件。在挤压构 造带和采动应力集中带，即使深度不大，煤体及围岩中可能存在很高的地应力和弹性形 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 变能，同样存在发生煤与瓦斯突出的可能性。煤与瓦斯突出的第二个必要条件是应力状 态的突然变化。 3 化学本质说：化学本质说主要包括：爆炸的煤说、重煤说、地球化学说、硝基 化合物说。其本质都是认为瓦斯突出是由于煤的化学作用产生的。 4 综合假说：该假说认为突出是由于地应力、瓦斯和煤的物理力学性质等因素综 合作用的结果。综合假说较全面的考虑了突出动力( 地应力、瓦斯) 和阻力( 煤的强度) 两个方面的主要因素，因而得到了普遍认可。 1 2 3 国内外瓦斯突出预测方法研究现状 瓦斯突出预测的基础是人们对突出机理、影响因素的认识。在对瓦斯突出机理研究 中提出了许多预报预测方法。 在煤与瓦斯突出防治方面，我国己形成包括突出危险性预测、防治突出措施、防突 措旋效果检验、安全防护措施的“四位一体 综合防治体系，突出危险性预测是防治煤 与瓦斯突出综合措旆的第一步。突出危险性预测包括区域性预测和工作面预测。区域性 预测又分为矿井、煤层、水平( 或采区、区段) 三个层次。根据预测结果分别将矿井、煤 层和采区或区段划分为突出区和非突出区。在突出区内进行采掘作业时，还应进行工作 面突出危险性预测。当工作面预测有突出危险时，必须采取防治突出的措旅和进行防突 效果检验。但还存在着突出预测准确率不高，防突措施可靠性较差、执行预测和措施时 与生产工艺相干扰、预测自动化程度和连续实时性较差等问题。 煤与瓦斯突出预测预防是一项系统工程，目前国内外在局部检测和解危措施方面的 研究已近成熟，从防治煤与瓦斯突出方面看，这些方法都是有效的，但就实施而言仍存 在一定的难度，处于一种被动的低层次治理状态。国内外开采实践表明，煤与瓦斯突出 的发生呈区域性分布，而灾害发生区域只占整个开采区域的8 屯o 嘣1 7 1 。因此首先在宏 观上，研究导致煤与瓦斯突出的影响因素，对突出危险性进行区域预测，使这些区域从 煤与瓦斯突出灾害的威胁中解放出来，变为无突出危险的区域。在预测出的危险区域， 研究采取其它行之有效的措旌和方法，最终达到消除煤与瓦斯突出的目的。 传统的煤与瓦斯突出突出预测预报方法是静态的不连续预测 2 0 2 。静态的预测的根 据就是含瓦斯煤体性质及其赋存条件的某些量化指标。这些指标主要包括瓦斯指标、煤 层性质指标、地应力指标或他们的综合指标。目前较多采用的指标有钻屑解吸指标k l 值、钻孔瓦斯涌出初速度q 、钻屑量s 、瓦斯放散指数a p 、煤体普氏系数f 、瓦斯压力 p 等。静态打钻及参数测定需要占用作业时间和空间，工程量大，预测作业时间也较长， 东北大学硕士学位论丈第1 章绪论 对生产有很大影响，预测所需要的费用也较高。并且这种静态法的准确性也不是很高， 易受到人工或其他各种因素的影响，煤层或煤体及其内部所含有的瓦斯并不是均匀分布 的，也不是稳定的。在钻孔附近取得的预测结果是局部的，并不能代表整个预测范围内 的突出危险性，因为煤体处于动态变化之中，而预测时刻取得的预测结果是静态的。近 几年来多次发生的低指标突出事故和延期突出事故就是例证。 静态预测方法所有指标都是建立在经验基础之上的，指标的临界值都是建立在对大 量数据分析的基础上，还不能从理论上较好的确定突出临界值，突出指标的可靠程度取 决于实验数据的多少、范围和代表性。因此静态方法受人工、煤体分布不均匀和应力分 布不均匀等因素的影响，预测准确度难以提高。因此国内外一些学者正在探索不需要钻 孔的非接触式连续预报方发。目前突出预测的新方法有以下几种是为大多数人所接受 的。 1 用微震技术预测突出危险 声发射与微震现象是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。 所谓声发射现象是指材料在外界应力作用下其内部将产生局部弹塑性能集中现象，当能 量积聚到某一临界值后，会引起微裂隙的产生与扩展，同时伴随着弹性波或应力波的传 播，其结果是产生声发射现象。相对于较大尺寸的岩体，如果声发射能量达到能引发轻 微小地震的程度，在地质上称为微地震。 研究表明，煤和围岩受力破坏过程中，会发生破裂和震动，从震源传出震波活声波， 当震波或声波的强度和频率增加到一定数值时，可能出现煤的突然破坏，发生突出二煤 岩内的震动波可能被安设在煤体或围岩里的探测仪器所接收，经放大并记录下来。然后 通过资料分析，进行突出危险性预测。 2 根据煤层温度状况预测突出的危险 根据温度状况预测突出危险性的理论根据是：瓦斯解吸时吸热导致煤层温度降低。 温度降低越多，说明煤层瓦斯解吸能力越强，则突出危险性越大。实践表明，煤层瓦斯 含量越高，这一效应越明显。实践还表明，凡是煤温突然大幅度降低，就预示着工作面 附近有较大的地质构造，有发生突出的可能性。 3 利用煤层中涌出的氮体积或氡浓度的变化来预测突出 地震现象伴随着氡和氦的涌出变化。目前，氡的活动已经普遍地作为地震来临的一 个预兆。近来一些年来有人假设煤中涌出的氮体积可以作为预测突出的一个指标。这项 研究目前正在进行。 4 利用电磁辐射强度预测突出危险 东北大学硕士学位论文第1 幸绪论 研究表明：在煤岩层受力变形过程中会产生电磁辐射，电磁辐射强度取决于所受力 的大小和岩层的物理力学性质。煤炭科学研究总院重庆分院利用这一原理研制出了m t t q 2 型煤与瓦斯突出危险探测仪，并在四川芙蓉矿务局进行了实验考察，取得了较好的 效果。 本文采用微震检测技术预测瓦斯突出，该项技术在近些年来得到飞速发展。特别是 由于现代电子技术、数据采集技术、计算机技术的发展为微震监测技术提供了强大的硬 件支持。 1 2 4 微震技术国内外研究现状 微震技术的发展已经经历了半个多世纪。在1 9 5 3 年德国学者k a i s e r 在研究金属特 性时发现，受单项拉伸金属材料，只有当应力达到材料的最大先期应力时才会出现明显 的声发射现象，这就是以他名字命名的k a i s e r 效应。岩石的k a i s e r 效应是指对取自地下 一定深度的岩石试件进行单轴压力试验，当所旅加的荷载达到岩石的先期最大应力值 时，岩石开始出现明显的微震现象i 捌。其后人们对微震技术在非常广泛的领域进行了很 多研究，微震技术也得到了越来越多的应用。七十年代有三个具有国际影响的声发射研 究机构相继成立，美国、欧洲、日本等国家均投入了充足的资金支持声发射技术的研究 和应用，并逐渐拓展到生产实践的许多领域，监测核反应堆压力容器的裂纹扩展成为声 发射技术的又一典型应用。声发射现象的位错机理在此期间形成完整的理论体系。七十 年代初期，声发射技术传入我国，主要着眼于实际工程应用。 1 9 6 8 年c h s c h o l z 提出了著名的地震预测扩容理论，并获得单轴压缩下花岗岩a e 未破坏的震源分布。此后，开始研究a e 实用检测技术。1 9 6 8 - - 1 9 7 3 年间进行的关于原 子炉压力容器使用中检查的e e l 项目便采用了a e 进行连续监视，美国在火箭耐压试验 中也逐步采取了a e 技术1 2 3 - 2 5 。1 9 7 8 年，h 1 l h a r d y 成功的运用声发射技术进行地下水 压裂隙研究刚。到了8 0 年代初，微震监测已经成功的用于地热行业，以检测水动力压 裂作业模拟、追踪流体的移动，确定开发井的目标以及帮助描绘断裂。 微震监测技术在矿山的应用也已经日益增多和成熟。国外矿山应用较早，技术比较 成熟。目前已经广泛的应用于矿山，用来检测围岩、边坡的稳定性以及检测煤与瓦斯突 出。早在1 9 0 8 年，u i n t r o p 在德国r i i h i 煤田的b o c h u m 地区建立了第一个用于矿山观测的 台站。2 0 世纪2 0 年代，m a i n k a 在德国的上西里西亚( 现属波兰) 建立了第一个用于矿井 监测的地震台网；澳大利亚应用微震监测技术始于1 9 9 4 年，到2 0 0 0 年，已有1 3 个矿采用， 并取得了较好的成果，其中澳大利亚联邦科学与工业研究院( c i s r o ) 已完成了1 5 个矿 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 的微震监测，积累了大量的现场经验，为微地震监测工作的广泛开展和进一步研究提供 了基础。南非的科学家利用积累震矩和体积内敛的对应关系，研究了发生在威特沃斯兰 德地区的d e e l k r a a l ，e l a n d s r a n d , e a s td r i e f o n t e i n , k l o o f 和l e e u d o o m 几个黄金矿区的 3 0 0 0 0 0 个微地震事件。g i b o w i c zs j 在由采矿诱发的微震活动性综述中，介绍了采矿诱 发微震的研究进展，其中包括微震监测系统的改进、诱发微震机理的认识以及进行预测 和防治的可能性，并提出在对采矿诱发的矿震研究中引入地球物理方法。 我国微震监测技术应用的时间较晚，1 9 5 9 年北京门头沟矿应用当时的中科院地球物 理所研制的5 8 1 微震仪( 哈林地震仪改装) ，监测冲击地压活动；2 0 世纪7 0 年代，长沙 矿山研究院开发了d y f 1 、d y f - 2 型便携式智能地音分析仪及s m l 、s t l - 1 2 型多通 道声发射监测系统，用于微震监测：华丰煤矿在1 9 9 5 年与中国地球物理学会合作设计 安装了微震监测系统，通过十年来的连续监测，积累了大量的数据资料。1 9 8 4 年后，门 头沟、房山、陶庄、北票、龙凤等煤矿曾陆续引进波兰地音一微震监测定位系统 ( s 噼s 。o k ) ，但操作条件困难，均没有坚持连续监测。目前，凡口铅锌矿、红透山 铜矿、济钢张马屯铁矿等分别引进了加拿大e s g 公司研发的微震监测系统( 冬瓜山矿 引进的为南非i s s 公司研发) ，在井下对矿山的动力灾害进行监测。 德国、美国、澳大利亚和南非等国家微震监测系统应用实践表明，微震监测技术具 有较高的定位精度，已成为对矿山开采诱发的动力灾害进行有效监测的重要技术手段。 在国内，微震监测系统作为深部开采可以依靠的有效技术方法，已经进入重要的应用发 展期。 目前微震监测技术的应用存在如下问题 2 7 1 ： 1 我国矿山现场缺乏高素质微震活动性分析人员，利用现代微震技术预报矿山动 力灾害的努力成效甚微。 2 传统矿山动力灾害理论缺乏对“孕育过程一时空演化规律的认识，难以掌握灾 害预报所必需的“前兆特征修。 1 3 本文研究技术路线 煤与瓦斯突出预测是一项复杂的系统工程，对此问题的研究需要借助地质力学分析 及建立物理力学模型进行数值分析，对其突出的可能性进行分析；在此基础上，针对存 在突涌可能的区域，建立矿山微震监测系统，并结合三维岩石破裂过程分析系统，对矿 山进行微震监测分析；在微震数据分析的基础上，研究矿山突出的力学模型，进而为对 的突出事件，为矿山安全生产提供指导。 2 通过对各种接受信息的分析，突破传统思路，探索煤与瓦斯突出的本质。 3 在矿山巷道掘进过程中，通过对掘进爆破对周围岩体的影响，判断周围岩体的 稳定性和连续性，为抽瓦斯钻孔的布置、密度提供帮助。 4 微震监测是对宏观突出现象的发生的前兆监测，即在突出发生前，对岩石发生 微破裂的整个过程进行有效监测，探索矿山地质灾害发生及岩体内部裂纹萌生、扩展、 贯通的时空演化规律。 东北大学硕士学位论文 第2 章矿区地质及瓦斯治理现状 第2 章淮南矿区地质及瓦斯治理现状 2 1 淮南矿区煤层群的赋存特征 淮南矿业( 集团) 有限责任公司是国有大型现代化煤炭生产企业( 国有独资公司) ， 位于安徽省中部，横跨淮河，矿区煤炭资源极为丰富，现有生产矿井拥有地质储量4 7 5 7 亿吨；正在建设和筹建规划的矿井共十一对，资源储量共1 4 4 5 亿吨；后备区预计资源 储量7 3 8 7 亿吨。煤田煤系地层被新生界松散冲积层所覆盖，总的情况是：老区新生界 松散层较薄，潘谢新区较厚。 煤田所含煤地层为石炭二迭系，其中二迭系山西组、石盒子组为主要含煤地层，可 采煤层段煤系厚3 4 0 m 左右，共含有可采煤层9 1 8 层，可采煤层总厚度2 5 3 4 m ，平 均3 0 m 。1 3 1 、11 2 、8 、6 、4 、l 等煤层为主采煤层，单层厚度一般为2 - 6 m ，主采煤 层的总厚度占可采煤层总厚度的7 0 左右。矿区内煤层分布连续、赋存稳定。 由于淮南矿区可采煤层多达9 - - 1 8 层，在煤层赋存特点上矿区东西部各有不同，其 中东部老区多为近距离煤层群，其可采煤层法向间距大多在6 - - - 4 0 m 之间，( 比如新庄孜 矿) 。而潘谢新区大多为远距离煤层群，虽然面积较大，含煤性高，主采煤层多，但是 其可采煤层法向间距比较大，在采区布置、开采方式等方面与近距离煤层群不同，比如 顾桥煤矿。 2 2 淮南矿区安全生产和相关技术现状 2 2 1 安全生产现状 淮南矿区历史上曾是瓦斯频繁发生的重灾区，近年来，集团公司加大瓦斯治理的投 入，重特大瓦斯事故达到有效控制，百万吨死亡率逐年下降。 由于各矿井开采技术条件复杂，生产过程又受多种主客观因素的影响，安全隐患随 时有演变为事故的可能，淮南矿业集团公司近几年各类安全事故见表2 1 。由表2 1 可知， 自2 0 0 1 年始，原煤产量逐年递增，而死亡人数和百万吨死亡率则逐年递减，百万吨死 亡率处于全国平均水平之下。 大，但开采条件不断恶化的前提下取得的，一方面说明加大安全科技投入所带来的效果， 另一方面也同时说明必须继续加大安全科学技术研究。上述成绩的取得除了管理力度加 强之外，科技水平的提升也是减少事故的主要原因。 2 2 2 瓦斯综合治理技术现状 1 9 9 8 年以来，淮南矿业集团根据自身的开采技术条件，致力于瓦斯治理技术及相关 技术的攻关。2 0 0 1 年，淮南矿业集团承担了国家搿十五一科技攻关项目，组建成立了瓦 斯地质管理研究院，形成了。瓦斯与地质结合，管理与研究并重 的技术管理措旌，立 足于“瓦斯抽采一，探索出了适合淮南煤矿特点的成套瓦斯治理和利用技术，强化了资 源利用，解放了生产力，为矿区大规模发展提供了技术保障，获得了良好的社会效益。 淮南矿区取得的多项瓦斯治理技术研究成果，已在鸡西、阜新、长春、阳泉、晋城、鹤 壁、郑州、平顶山、松藻、盘江、涟邵、丰城、淮北、皖北等煤电、矿业公司的5 0 余 个局矿广泛应用，取得了良好的示范效应。 1 形成了保护层开采技术体系 煤层群是实施保护层开采的自然条件，但是淮南矿区煤组、煤层之间距离、岩性、 倾角差别较大。近年来，矿区研究并成功实践了“近水平煤层远距离下保护层开采技术一、 东北大学硕士学位论文 第2 章矿区地质及瓦斯治理现状 。倾斜煤层多重上保护层开采防突技术一、“急倾斜煤层保护层开采技术一等技术，形成 了本矿区的保护层开采的技术体系。保护层开采技术体系的成功应用，实现了主采煤层 的快速综掘和综合机械化放顶煤开采。 2 开采煤层综合抽采瓦斯技术 针对所采煤层的瓦斯实施综合抽采技术，包括：顶板抽采方法、穿层钻孔抽采技术、 顺层钻孔抽采技术、地面钻井抽采采动影响区域和采空区瓦斯技术。 矿区瓦斯抽采量2 0 0 2 年为1 1 亿m 3 ，2 0 0 3 年为1 3 亿m 3 ，超过了1 9 6 1 - 1 9 9 7 年 3 7 年的总和，2 0 0 4 年抽采瓦斯1 5 亿m 3 ，2 0 0 5 年抽采瓦斯1 7 亿m ? 。矿井瓦斯抽采率 由九十年代初的2 提高到2 0 0 5 年的4 3 。预计到2 0 1 0 年，随着顾桥、丁集、望峰岗、 顾北、潘北等矿井的投产和其抽采系统的运行，瓦斯抽采量将达到4 亿m 3 ，2 0 1 5 年将 超过5 亿一。 1 9 9 51 9 9 61 9 9 71 9 9 81 9 9 92 0 0 02 0 0 12 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 52 0 0 6 图2 i 淮南矿区瓦斯抽采量统计图 f i g2 1t h eg a sd r a w - o u ti nh u a i n a nm i n e 3 防突技术 ( 1 ) 采用“先抽后掘，边抽边掘 方法，并在“十五一攻关期间，试验成功了“深 孔控制预裂爆破一辅助。两帮钻场钻孔+ 迎头钻孔 抽采的边抽边掘方法。 ( 2 ) 针对强突出煤层使用顺层钻孔区域性消突技术，满足了工作面回采区域预抽 瓦斯消除突出危险性的要求。2 0 0 2 年以来，矿区有6 个突出煤层块段运用顺层密集钻孔 强化抽采技术消除了突出危险性，安全实现放顶煤回采，该技术正在得到进一步完善。 舢 舢 舢 舢 舢 舢 舢 舢 舢 撇 o 2 l l 1 l ，l l 以上的产量将来自于深部，深部开采及瓦斯、地压治理技术是维持矿区的可持续发展至 关重要，深部开采的技术问题亦已成为矿区稳定发展的瓶颈技术和关键技术。 东北大学硕士学位论文 第2 幸矿区地质及瓦斯治理现状 综上所述，淮南矿业集团公司矿井正以每1 0 年延深1 0 0 - - - 2 5 0 m 的速度延伸，随着 采掘工作不断延深，采掘工作面瓦斯涌出量迅猛增长，瓦斯治理的难度越来越大，采掘 工作面瓦斯超限不仅限制了采掘设备生产能力和生产效率的进一步提高，而且严重危及 到工作面作业人员的生命安全，因此，高瓦斯面采面瓦斯超限的防治已成为目前矿区安 全高效生产中迫切需要解决的难题。 2 3 本章小结 综上所述，淮南矿区目前已经进入深部开采阶段，瓦斯涌出量持续增加，煤与瓦斯 突出的潜在危险增加。瓦斯监测的难度加大，微震监测系统改变了以往静态的、不连续 的监测方式，可以连续实时的对监测范围内的岩体进行监测，及时的分析岩体的稳定性， 和岩石破裂情况，预测可能发生的突出事件，为矿山安全生产提供指导。 东北大学硕士学位论文 第3 章微震监测技术基本原理与方法 第3 章微震监测技术基本原理与方法 微震定位监测技术就是通过观测、分析生产活动中所产生的微小地震事件来监测生 产活动的影响、效果及地下状态的地球物理技术，其基础是声发射学和地震学。很多种 材料在承受荷载时，都会有声发射( a c o u s t i ce m i s s i o n ，a e ) 现象发生网。所谓的声发 射现象，就是材料在外界应力作用下，其内部将产生局部弹塑性能集中现象，当能量积 聚到某一临界值之后，会引起微裂隙的产生与扩展，微裂隙的产生与扩展板虽有弹性波 活应力波的传播，其后果就是产生声发射，相对于较大尺寸的岩体，在地质上也称为微 地震( m i c r o - s e i s m i c ，m s ) ，并在周围岩体快速释放和传播咧。声发射是一种非常普遍 的物理现象，大多数金属材料和几乎所有的岩石在塑性变形和断裂时都有声发射发生。 但一般情况下，声发射信号的强度很弱，人耳不能直接听到，需要藉助灵敏的电子仪器 才能检测出来。用仪器检测、分析和利用声发射信号推断声发射源的技术称为声发射技 术。岩土体在受压临近破坏时，引起微裂隙的产生与扩展，产生声波或超声波，即所谓 的岩石声发射现象。一般认为在岩石中，位错可能产生微