基于坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)的礦震分區(qū)監(jiān)測(cè)方法研究

基于坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)的礦震分區(qū)監(jiān)測(cè)方法研究

0亞板塊分區(qū)方法的提出目前，中國(guó)通常有多個(gè)采礦基地。為了快速準(zhǔn)確反映各礦山采礦區(qū)礦震時(shí)空發(fā)展的特點(diǎn)，我們需要及時(shí)預(yù)測(cè)影響礦壓的風(fēng)險(xiǎn)，并采取解危措施。為了在某些領(lǐng)域報(bào)告和研究采井區(qū)中的礦震事件，有必要對(duì)采井區(qū)特定區(qū)域內(nèi)的礦震事件進(jìn)行區(qū)域監(jiān)測(cè)和研究。在地震研究方面,分區(qū)劃分原則主要使用的是地震帶和地震統(tǒng)計(jì)區(qū),潘華等指出地震帶是以地震活動(dòng)性區(qū)域劃分研究為目的,它不同于概率地震危險(xiǎn)性方法中的地震統(tǒng)計(jì)區(qū)的概念;地震統(tǒng)計(jì)區(qū)劃分是以地震帶劃分研究為基礎(chǔ),它產(chǎn)生并服務(wù)于考慮地震活動(dòng)時(shí)空不均勻性的概率地震危險(xiǎn)性分析方法。陳立德等指出以行政區(qū)為統(tǒng)計(jì)研究區(qū)的劃分方案有利于預(yù)報(bào)部門的實(shí)際操作和應(yīng)用,但缺點(diǎn)是缺乏地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ),有可能忽略地震活動(dòng)的固有規(guī)律,增加問題的復(fù)雜性。丁國(guó)瑜提出亞板塊劃分方案,克服了上述缺陷,考慮了同一亞板塊的構(gòu)造活動(dòng)應(yīng)具有統(tǒng)一性和相關(guān)性的原則,為統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)分析提供了地質(zhì)學(xué)依據(jù)。在礦山地震研究方面,李志華根據(jù)巖土介質(zhì)沖擊震動(dòng)能量沿傳播距離增大呈乘冪關(guān)系衰減規(guī)律,參考國(guó)內(nèi)外引發(fā)沖擊礦壓的最小能量值,并從最危險(xiǎn)的角度考慮,確定了沖擊震動(dòng)破壞的最大動(dòng)力響應(yīng)范圍,提出了圓形分區(qū)方法。江衡在上述研究的基礎(chǔ)上,基于Visualbasic6.0開發(fā)環(huán)境,利用AutoCADActiveX技術(shù),對(duì)AutoCAD2007進(jìn)行二次開發(fā),實(shí)現(xiàn)了分區(qū)篩選和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)功能,提出了對(duì)于采煤工作面的任意多邊形分區(qū)方法和對(duì)于掘進(jìn)工作面的圓形分區(qū)方法。通過大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)可知,礦震與采掘活動(dòng)有著很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,即采掘活動(dòng)區(qū)域往往是礦震集中的區(qū)域。然而僅僅考慮沖擊震動(dòng)破壞的最大動(dòng)力響應(yīng)范圍來(lái)進(jìn)行分區(qū),會(huì)遺失一些重要的統(tǒng)計(jì)信息,針對(duì)上述問題,提出了如下分區(qū)原則:在滿足各采掘區(qū)域沖擊震動(dòng)破壞的最大動(dòng)力響應(yīng)范圍前提下,分區(qū)大小還要保證有足夠樣本數(shù)以滿足統(tǒng)計(jì)參數(shù)特征,即相當(dāng)于地震學(xué)上的亞板塊劃分方案?；谶@種劃分原則,在分區(qū)時(shí),總體上以文獻(xiàn)提出的分區(qū)原則為基礎(chǔ),局部邊界略有調(diào)整,即分區(qū)盡量包含因采掘活動(dòng)引起的礦震事件。1u3000相對(duì)坐標(biāo)系基于SOS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供的礦震發(fā)生時(shí)間、地點(diǎn)與能量(時(shí)、空、強(qiáng))等基本參數(shù),采用編程工具Delphi直接調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù),實(shí)現(xiàn)了礦震數(shù)據(jù)在不同時(shí)間段、不同空間區(qū)域及不同能量級(jí)別上的快速查詢篩選?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)工作面形狀近似矩形,并且一般情況下工作面布置位置與絕對(duì)坐標(biāo)軸存在一定夾角,所以采用任意多邊形分區(qū)更合理。如圖1為現(xiàn)場(chǎng)工作面布置示意圖,從圖中可知,工作面布置位置與絕對(duì)坐標(biāo)軸的夾角為α,由于微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的位置坐標(biāo)是大地絕對(duì)坐標(biāo),當(dāng)將礦震事件向各絕對(duì)坐標(biāo)軸上投影時(shí),都會(huì)造成礦震事件的不利疊加,不利于分析沿工作面方向和推進(jìn)方向剖面上的震源分布規(guī)律,同時(shí)為了更直觀地反映礦震事件與固定工作面的相對(duì)位置,因此,在將震源沿工作面方向和推進(jìn)方向剖面投影之前,必須將所有礦震數(shù)據(jù)的x、y值進(jìn)行線性變換,即采用相對(duì)坐標(biāo)系,如圖中x′o′y′坐標(biāo)系,具體算法見式(1)。???????x′1x′2?x′iy′1y′2?y′i???????=???????x1?x0x2?x0?xi?y0y1?y0y2?y0?yi?y0???????[cosαsinα?sinαcosα](1)[x′1y′1x′2y′2??x′iy′i]=[x1-x0y1-y0x2-x0y2-y0??xi-y0yi-y0][cosα-sinαsinαcosα](1)式中x′i,y′i——轉(zhuǎn)化后的相對(duì)坐標(biāo)值;xi,yi——原始絕對(duì)坐標(biāo)值;x0,y0——開切眼端點(diǎn)絕對(duì)坐標(biāo)值;α——工作面推進(jìn)方向與絕對(duì)x坐標(biāo)軸的夾角,以絕對(duì)x坐標(biāo)軸向工作面推進(jìn)方向逆時(shí)鐘旋轉(zhuǎn)為正。2工作面標(biāo)高250103工作面是華亭煤礦2501采區(qū)一分層第3個(gè)回采工作面,開采煤層為煤5,地面標(biāo)高+1457～+1620m;工作面標(biāo)高:運(yùn)輸順槽標(biāo)高+828.932～+987.079m,回風(fēng)順槽標(biāo)高為+870.407～+998.050m;工作面南部以采區(qū)大巷保護(hù)煤柱為界,北部以華硯礦二水平北翼大巷保護(hù)煤柱為界,西部與250101運(yùn)輸順槽保護(hù)煤柱為界,東部與未采動(dòng)區(qū)隔離煤柱為界。采區(qū)工作面平面圖如圖2。3礦震數(shù)據(jù)庫(kù)篩選如圖2,工作面布置位置與絕對(duì)坐標(biāo)軸的夾角α為15°57′56″。以華亭煤礦250103工作面2010-2-27～2010-10-14回采期間微震系統(tǒng)記錄到的礦震數(shù)據(jù)為研究對(duì)象,根據(jù)礦震分區(qū)監(jiān)測(cè)方法,采用編程工具Delphi直接調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選。4在礦震時(shí)空強(qiáng)勢(shì)群落下的規(guī)律分析中4.1礦震事件分析研究表明,礦震大事件一般對(duì)應(yīng)較大規(guī)模的破裂,所以可以通過礦震大事件數(shù)或大事件頻率的周期性變化來(lái)推斷老頂斷裂的周期性。對(duì)華亭煤礦250103工作面2010-2-27～2010-9-11期間礦震事件進(jìn)行分區(qū)分級(jí)篩選,得到能量>105J的大事件,并統(tǒng)計(jì)每日震動(dòng)頻次,同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)提供的支架工作阻力曲線,得到如圖3的對(duì)比圖。從圖3中可以看出,礦震大事件日震動(dòng)頻次出現(xiàn)周期性變化,并與工作面來(lái)壓曲線形成很好的對(duì)應(yīng),很好地反映了工作面頂板的來(lái)壓情況,將礦震事件數(shù)隨工作面推進(jìn)距離的變化趨勢(shì)圖中波峰或波谷的距離作為老頂來(lái)壓步距,由此得到工作面周期來(lái)壓步距是20～25m,因此可以用微震監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)研究采場(chǎng)頂板的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。4.2工作面應(yīng)力集中區(qū)域與破裂范圍的特征為了形象直觀地反映礦震活動(dòng)的空間演化特征,從而揭示采掘區(qū)域巖層三維空間巖體的破裂與應(yīng)力場(chǎng)狀況,采用所在課題組開發(fā)的礦震數(shù)據(jù)分析處理軟件(MiningSeismicityDataAnalysis),對(duì)華亭煤礦250103工作面2010-2-27～2010-9-11期間礦震事件進(jìn)行坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)和分區(qū)篩選,得到礦震事件空間演化圖(圖略)。(1)在平面空間上,礦震主要發(fā)生在工作面、采空區(qū),同時(shí)影響至工作面前方280m,工作面傾斜方向上方90m及下方150m,充分體現(xiàn)了工作面超前支承壓力和殘余支承壓力的不同影響程度,同時(shí)也表明了在應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)煤巖體發(fā)生破裂并釋放能量,與礦震震源的分布位置形成了很好的對(duì)應(yīng)。于是,可利用微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)判斷支承壓力集中區(qū)域和破裂范圍,為現(xiàn)場(chǎng)超前支護(hù)段距離的確定和區(qū)段保護(hù)煤柱的留設(shè)提供了依據(jù)。(2)從平面投影圖上還能得知,250103工作面回采過程中引起的震動(dòng)多集中在250103工作面回風(fēng)順槽側(cè),并偏向250101工作面,這是由于回風(fēng)順槽側(cè)為已經(jīng)回采完畢的250101工作面,臨空區(qū)壓力比較大,再加上區(qū)段小煤柱導(dǎo)致應(yīng)力集中,從而覆巖活動(dòng)比較活躍,導(dǎo)致震動(dòng)頻次非常高。(3)在深度空間上,礦震主要集中在頂板中,然而工作面推進(jìn)平面位置的礦震卻比較少,根據(jù)鉆孔B801資料得知,工作面老頂為厚29.93m的細(xì)砂巖,賦存水平為994.62m,震源主要集中在這層堅(jiān)硬巖層中,表明工作面回采過程中,主要是這層巖層在積聚和釋放彈性能,反映出了堅(jiān)硬頂板的高儲(chǔ)能和破壞時(shí)的高釋能特點(diǎn),即頂板巖石越堅(jiān)硬,其變形越困難,達(dá)到極限強(qiáng)度時(shí)積聚的彈性能也越多,破斷時(shí)釋放的彈性能也越多,產(chǎn)生的沖擊載荷也越大,甚至引發(fā)大的礦震,造成沖擊礦壓。(4)從深度剖面圖上還能得知,覆巖破裂的高度為250m左右,為現(xiàn)場(chǎng)開采上限的確定和防水煤柱的合理留設(shè)提供了依據(jù)。因此,通過震源的空間分布和演化特征,可以研究震動(dòng)發(fā)生的層位,從而分析覆巖的破斷形態(tài)、破裂高度和破斷步距,為研究采礦活動(dòng)引起的覆巖活動(dòng)規(guī)律打下基礎(chǔ),對(duì)保障安全生產(chǎn),提高資源回收率具有重要的意義。4.3累積能量釋放變化模型E-t曲線稱能量釋放曲線。E為微震釋放的彈性波能,t為時(shí)間,其中E=∑i=1NEi?EiE=∑i=1ΝEi?Ei為第i個(gè)礦震的能量。E√?tE-t稱應(yīng)變能釋放曲線或蠕變曲線,連續(xù)計(jì)算和繪制蠕變時(shí)序曲線,從蠕變曲線的斜率可以判斷能量積累和釋放的趨勢(shì)。文獻(xiàn)指出,礦震應(yīng)變能蠕變曲線所表現(xiàn)的積累-加速-平靜-發(fā)震變化,很可能是反映了區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的真實(shí)變化,反映了中強(qiáng)地震孕育過程中對(duì)礦區(qū)局部應(yīng)力場(chǎng)受力的影響。圖4為華亭煤礦250103工作面2010-3-30～2010-4-30的能量釋放曲線和累積能量釋放變化模型曲線,從圖中可以看出,能量釋放曲線呈細(xì)鋸齒形,強(qiáng)能量和強(qiáng)沖擊都發(fā)生在鋸齒附近,即曲線斜率突變點(diǎn)處,然而這種突變點(diǎn)表現(xiàn)得不是太突出,并且信息量單調(diào),不太容易分辨出沖擊礦壓前兆信息。為了反映這種斜率的變化,提出一種累積能量釋放變化模型,其原理如下:首先定義累積能量釋放值:CUSUMi=E=∑j=1iEj(2)CUSUΜi=E=∑j=1iEj(2)式中,Ej為第j個(gè)礦震的能量。然后用最小二乘法作回歸得到一條對(duì)CUSUM曲線擬合的直線,再求其累積擬合差值(簡(jiǎn)記CUFIT)。在作最小二乘回歸的時(shí)候不是簡(jiǎn)單地把所有CUSUM值一次性地作回歸來(lái)得到線性趨勢(shì)項(xiàng),而是用逐項(xiàng)求值的方法,即每增加一個(gè)礦震事件都進(jìn)行一次新的回歸值計(jì)算,用下式計(jì)算CUFIT:CUFITi=CUSUMi-(ai-1+bi-1i)(3)式中,(ai-1+bi-1i)表示對(duì)CUSUMi-1之前所有數(shù)據(jù)作擬合的趨勢(shì)項(xiàng)。CUFIT值等于0,表示某區(qū)域礦震能級(jí)的平均背景。在強(qiáng)能量釋放前,CUFIT值明顯急劇上升,也就是說(shuō),該區(qū)的微震活動(dòng)水平偏離前一段時(shí)間正常微震活動(dòng)水平,為一個(gè)異常。從華亭煤礦250103工作面2010-3-30～2010-4-30的累積能量釋放變化模型曲線如圖4可以看出,強(qiáng)能量和強(qiáng)沖擊發(fā)生前,CUFIT值均存在急劇上升的現(xiàn)象,于是,可將CUFIT值的急劇上升作為沖擊礦壓發(fā)生的前兆信息。同時(shí),這種模型將能量釋放曲線斜率突變信息放大,并增加了大量能量釋放曲線本身不具有的信息,如周期性變化。5礦震數(shù)據(jù)分析處理(1)在考慮沖擊震動(dòng)破壞最大動(dòng)力響應(yīng)范圍的前提下,根據(jù)礦震與采掘活動(dòng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系,給出了礦震監(jiān)測(cè)分區(qū)原則,提出了基于坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)的礦震分區(qū)監(jiān)測(cè)方法