基于底板巷的微震监测阵列布置方法与流程

1.本发明属于煤矿突水监测技术领域，尤其涉及一种基于底板巷的微震监测阵列布置方法。


背景技术：

2.煤矿突水是常见的突发性强烈的矿井灾害，严重制约着煤炭资源的开发。因此，煤矿突水监测预警技术，是关乎煤矿生产安全，预防和避免煤矿重特大突水事故的一项重要技术。目前常用微震监测技术对岩体发生变形破坏过程的岩石破裂位置进行定位监测，微震监测技术中所用微震检波器具备一定范围的“远场探测”功能，可以捕捉到周围空间范围内(监测半径400-500m)微小的震动信号。因此，这种非接触式监测方法，具有监测范围大、全空间连续监测、时效性强等优点，可有效解决煤矿突水全空间、实时、连续监测、提前预警等问题。
3.但是，目前大部分微震检波器均布置在采煤工作面回采巷道中，空间上呈类平面状，随工作面推进，受矿压影响，采线后方发生底鼓变形、顶板垮落，相应位置检波器遭到破坏，存在监测时间短、监测范围小、镜像效应干扰、重点区域针对性差、灵活性差等弊端，成为一个行业性难题。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种基于底板巷的微震监测阵列布置方法，旨在解决现有技术中常规工作面巷道监测阵列服务周期短、监测范围小、干扰大、针对性及灵活性差的技术问题。
5.为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
6.一种基于底板巷的微震监测阵列布置方法，包括如下步骤：
7.s1、根据所监测工作面底板巷布置情况，分析该工作面底板巷微震监测阵列布置方案的可行性；
8.s2、根据预期监测目的，分析底板巷与工作面的空间位置关系，初步确定底板巷及工作面巷道内的微震监测阵列布置方案，所述微震监测阵列布置方案包括底板巷与底板巷、底板巷与巷道、巷道活点与定点联合布置方案；
9.s3、基于底板巷的微震监测阵列，构建工作面底板巷微震监测模型及系统，对工作面回采期间底板突水危险性、采后应力场恢复及安全性进行监测评价。
10.进一步的技术方案，所述步骤s1包括以下步骤：
11.a.底板巷至顶部工作面垂距不小于h，巷道稳定性不受采动破坏，可长期保
12.留。h计算公式如下：
13.h＝0.0085h+0.1665α+0.1079l-4.3579
14.式中，h为工作面底板破坏深度,m；h为煤层埋深,m；α为煤层倾角,
°
；l为工作面长度,m。
15.b.底板巷距底部强含水层间距t满足安全隔水层厚度要求，计算公式如下：
[0016][0017]
式中，t为安全隔水层厚度，m；l为巷道底板宽度，m；γ为底板隔水层的平均重度，mn/m3；kp为底板隔水层的平均抗拉强度，mpa；p为底板隔水层承受的实际水头值，mpa。
[0018]
进一步的技术方案，所述步骤s2中确定微震监测阵列布置方案有以下三种方式：
[0019]
a.底板巷位于工作面正下方呈对称式分布时，采用“底板巷定点+工作面单巷活点”模式，在两条底板巷采用全包围式均匀布置定点检波器，并在工作面两条巷道中任一巷道布置1-2个活点检波器，共同组成一个空间、立体、动态三巷监测阵列；
[0020]
b.底板巷位于工作面斜下方呈非对称偏移式分布时，采用“底板巷定点+工作面远端单巷定点”模式，在两条底板巷采用全包围式均匀布置定点检波器，在工作面两条巷道中距底板巷最远的一条巷道布置若干定点检波器，组成空间、立体三巷监测阵列，巷道中定点检波器间距为在底板巷布置间距的1.2-1.5倍；
[0021]
c.同时具有多条底板巷时，采用“多底板巷全包围式均匀布置定点检波器+工作面任一巷道布置若干活点检波器”模式，在多底板巷全包围式均匀布置定点检波器，在工作面任一巷道布置若干活点检波器，构建监控大范围足够的空间、立体、动态多巷监测阵列。
[0022]
进一步的技术方案，所述步骤s3的方法如下：
[0023]
a.采前采用人工干扰场监测方法，对包括工作面顶板、底板及外围的采动破坏影响圈内隐伏导水构造发育情况进行探查；
[0024]
b.回采过程中，对构造活化及工作面底板导水通道形成过程进行预警；
[0025]
c.采后对应力场恢复的时空特征及采空区突水危险性进行监测、评价。
[0026]
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：与现有技术相比，本发明通过在底板巷、巷道联合布置微震监测系统，构建空间、立体、动态监测阵列，充分发挥底板巷稳定性好、保留时间长的特点，对工作面采前、采中、采后进行全程监测，改善微震监测阵列的整体监测效果，可有效解决常规工作面巷道监测阵列服务周期短、监测范围小、干扰大、针对性及灵活性差等问题，并在工作面采后应力场恢复监测及采空区滞后突水监测预警等方面具有重要意义。
附图说明
[0027]
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0028]
图1是本发明实施例提供的一种基于底板巷的微震监测阵列布置方法的流程图；
[0029]
图2是本发明实施例中底板巷空间位置的剖面示意图；
[0030]
图3是本发明实施例中采用“点面式”微震监测阵列布置方法的平面示意图；
[0031]
图4是本发明实施例中采用“点面式”微震监测阵列布置方法的剖面示意图；
[0032]
图5是本发明实施例中采用“线线式”微震监测阵列布置方法的平面示意图；
[0033]
图6是本发明实施例中采用“线线式”微震监测阵列布置方法的剖面示意图；
[0034]
图7是本发明实施例中采用“线面式”微震监测阵列布置方法的平面示意图：
[0035]
图8是本发明实施例中采用“线面式”微震监测阵列布置方法的剖面示意图；
[0036]
图中：活点检波器即为活动微震检波器，定点检波器即为固定微震检波器。
具体实施方式
[0037]
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0038]
本发明针对现有技术对于微震监测阵列布置方式比较单一的问题，提供的一种基于底板巷的微震监测阵列布置方法，流程图如图1所示，具体包括如下步骤：
[0039]
s1、根据所监测工作面底板巷布置情况(如图2所示)，得到底板巷至顶部工作面垂向间距h及底板巷距下伏强含水层间距t，分析该工作面底板巷微震监测阵列布置方案的可行性，包括以下步骤：
[0040]
a.底板巷至顶部工作面垂距不小于h，巷道稳定性不受采动破坏，可长期保留。
[0041]
其中，h是底板破坏深度，计算公式如下：
[0042]
h＝0.0085h+0.1665α+0.1079l-4.3579
[0043]
式中，h为工作面底板破坏深度,m；h为煤层埋深,m；α为煤层倾角,
°
；l为工作面长度,m。
[0044]
b.底板巷距底部强含水层间距t满足安全隔水层厚度要求，计算公式如下：
[0045][0046]
式中，t为安全隔水层厚度，m；l为巷道底板宽度，m；γ为底板隔水层的平均重度，mn/m3；kp为底板隔水层的平均抗拉强度，mpa；p为底板隔水层承受的实际水头值，mpa。
[0047]
s2、根据预期监测目的，分析底板巷与工作面的空间位置关系，初步确定底板巷及工作面巷道内的微震监测阵列布置方案，所述微震监测阵列布置方案包括底板巷与底板巷、底板巷与巷道、巷道活点与定点联合布置方案。
[0048]
首先根据底板巷与工作面的平面及垂向位置关系，因为需要安装微震检波器的底板巷和监测工作面并不一定是处于正上下方的关系，确定微震监测阵列布置方案主要有以下三种方式；
[0049]
a.“点面式”布置方式：如图3、4所示，底板巷位于工作面正下方呈对称式分布时，采用“底板巷定点+工作面单巷活点”模式，在两条底板巷采用全包围式均匀布置定点检波器，并在一条工作面巷道布置1-2个活点检波器，能够随采线不断向外移动，共同组成一个空间、立体、动态、针对性强的三巷监测阵列；
[0050]
b.“线线式”布置方式：如图5、6所示，底板巷位于工作面斜下方非对称呈偏移式分布时，采用“底板巷定点+工作面远端单巷定点”模式，在两条底板巷采用全包围式均匀布置定点检波器，在工作面两条巷道中距底板巷最远的一条巷道布置若干定点检波器，组成空间、立体监测阵列，巷道定点检波器间距可适当放宽，约为在底板巷布置间距的1.2-1.5倍；
[0051]
c.“线面式”布置方式：如图7、8所示，同时具有多条底板巷时，采用“多底板巷全包围式均匀布置定点检波器+工作面任一巷道布置若干活点检波器”模式，构建监控范围足够
大的空间、立体、多巷微震监测阵列。
[0052]
确定微震监测阵列布置方案，安装微震检波器及采集分站，进行井上下联调测试，对背景噪声及数据信噪比进行测试、分析，确保系统精确、有效。
[0053]
活点检波器及定点检波器的安装过程如下：
[0054]
a.布置方式采用“点面式”时，采用“底板巷定点+工作面单巷活点”模式，在监测工作面的两条底板巷中按照全包围非对称原则进行定点钻孔施工，钻孔深度不小于5m，钻孔间距不大于120m。微震检波器安装在钻孔中，并向孔内注水泥浆液(水泥浆液各组分的质量比为水:水泥＝3:1)，使微震检波器与钻孔岩体完全耦合，底板巷中微震检波器通过多芯线缆连接到底板巷采集分站，采集分站通过光缆串联到采集主分站。在距离工作面切眼较近的煤巷施工活点钻孔，钻孔深度不小于1m，安装1个活动微震检波器，可以随采线不断向外移动，通过线缆连接到采集主分站，主分站接入井下环网连，共同组成一个空间、立体、动态、针对性强的三巷监测阵列，测试微震监测系统并进行背景值分析，对比物探资料得到异常区及薄弱区。“点面式”监测阵列的平面图、剖面图如图3、4所示。
[0055]
b.布置方式采用“线线式”时，采用“底板巷定点+工作面远端单巷定点”模式，在监测工作面底板巷及邻近工作面较近底板巷中按照均匀分布的原则进行钻孔施工，钻孔深度不小于5m，钻孔间距不大于120m。微震检波器安装在钻孔中，并向孔内注水泥浆液(水泥浆液各组分的质量比为水:水泥＝3:1)，使微震检波器与钻孔岩体完全耦合，底板巷中微震检波器通过多芯线缆连接到底板巷采集分站，采集分站通过光缆串联到煤巷采集主分站。在工作面煤巷中按照均匀分布的原则进行钻孔施工，钻孔深度不小于5m，钻孔间距不大于120m。微震检波器安装在钻孔中，并向孔内注水泥浆液，使微震检波器与钻孔岩体完全耦合，煤巷中微震检波器通过多芯线缆连接到煤巷采集主分站，主分站接入井下环网连，组成空间、立体监测阵列，测试微震监测系统并进行背景值分析，对比物探资料得到异常区及薄弱区。“线线式”监测阵列的平面图、剖面图如图5、6所示。
[0056]
c.布置方式采用“线面式”时，采用“多底板巷全包围式均匀布置定点检波器+工作面任一巷道布置若干活点检波器”模式，在监测工作面周围选择2条及以上底板巷，按照全包围非对称原则进行钻孔施工，钻孔深度不小于5m，钻孔间距不大于120m。微震检波器安装在钻孔中，并向孔内注水泥浆液(水泥浆液各组分的质量比为水:水泥＝3:1)，使微震检波器与钻孔岩体完全耦合，底板巷中微震检波器通过多芯线缆连接到底板巷采集分站，采集分站通过光缆串联到采集主分站。任选1条工作面煤巷，在距离工作面切眼较近的煤巷施工钻孔，钻孔深度不小于1m，钻孔间距不大于120m，安装2个以上活动微震检波器，可以随采线不断向外移动，活动微震检波器通过多芯线缆连接到煤巷采集主分站，主分站接入井下环网连，构建监控范围足够大的空间、立体、多巷微震监测阵列，测试微震监测系统并进行背景值分析，对比物探资料得到异常区及薄弱区。“线面式”监测阵列的平面图、剖面图如图7、8所示。
[0057]
s3、基于底板巷的微震监测阵列，构建工作面底板巷微震监测模型及系统，对工作面回采期间底板突水危险性、采后应力场恢复及安全性进行监测评价。
[0058]
鉴于监测过程中因为底板巷中微震检波器及线缆不会受到采动影响而破坏，
[0059]
a.对采前工作面顶板、底板、外围等采动破坏影响圈内隐伏导水构造发育
[0060]
情况进行探查；
[0061]
b.回采过程中，对构造活化、工作面底板导水通道形成过程进行监测预警。
[0062]
c.对工作面回采后应力场恢复的时空特征、采空区突水危险性进行监测、评价。
[0063]
由于底板巷不与工作面回采巷道处于同一层位，一般位于岩层中，围岩稳定，受采动影响小，同时底板巷中大型设备少，噪音、电磁干扰小，利于微震检波器接收高质量的信号。
[0064]
根据监测目的及工作面与底板巷空间位置情况，至少可以选择3种监测阵列布置方案，基本涵盖了利用底板巷巷道系统布置微震检波器所涉及的所有情况。
[0065]
本发明充分发挥煤矿工作面底板巷稳定性好、保留时间长，可进行工作面采前、采中、采后长期观测的优势，采用底板巷、煤巷联合布置方式，构建空间、立体、动态监测阵列，可有效解决常规工作面煤巷监测阵列服务周期短、监测范围小、干扰大、针对性及灵活性差等问题，在工作面采后应力场恢复监测及采空区滞后突水监测预警等方面具有重要意义。
[0066]
本发明将微震检波器阵列优先考虑布置在回采工作面下方的底板巷中，微震监测阵列保留时间长，实现回采后对整个采空区范围内进行监测，在采空区全域应力场恢复及采空区滞后突水监测预警方面提出一种新思路、新方法。
[0067]
在上面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受上面公开的具体实施例的限制。