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防治水微震监测与成像系统

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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,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:

已探明的断层、陷落柱等地质构造活化与否的不可预知性

受采动影响新生导水通道的不可预知性

原生导水通道的不可预知性

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。

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。

实施方案

1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。

2台阵布设


3现场实施

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。


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。


4数据采集与处理

采集到的流体与岩体激荡产生的信号及频谱特征分析


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:


项目效益

案例展示煤矿顶板导水通道监测预警

应用表明,防治水微地震监测与成像系统具有全空间、大范围、实时、连续监测探测功能,能够有效捕捉到矿山井下采掘空间及其影响范围内由于地下水活动及注浆工程引发的岩石破裂信息,在隐伏导水构造及水文地质异常体探测、构造导水性评价、突水危险地段确定、突水监测预报、注浆浆液扩散范围及路径描述等方面具有独特的技术优势。进一步加强微震事件属性分析,总结、分析各类不同微震属性所代表的水文地质事件类型,提高微震事件定位精度,总结出用于突水预测预报的参数及阀值。本系统适合我国煤矿区特点的矿井水害微震监测预警技术方法,对丰富和完善我国煤矿水害防治技术体系具有积极意义,无论是经济利益还是社会效益均具有非常重要的现实意义。

案例展示

煤矿顶板导水通道监测预警

工程概况:针对某矿开采引起的塌陷,监测该矿塌陷形成机理,提出有效的监测和超前预报技术方案。防治水微震监测与成像系统监测结果:

造成该矿塌陷主要因素包括:顶板上部为水活性强、浸水易崩解的软质红层,同时该矿附件的水文地质工程地质条件较复杂;由于该采矿方法具有较大的开采扰动,存在顶板破裂和突水淹井的危险。因此,利用防治水微地震监测与成像系统对该矿进行实时监测,如下图:

防治水微地震监测与成像系统对当前采矿方法下矿区大面积开采后顶板的三维破裂场、导水通道的形成发展过程进行实时监测、动态预报、提前预警。通过改进数据采集和处理技术,建立溶腔顶板异常识别标志及溶腔发育地震波模型,可以在矿井开采中进行有效地监测导水通道和超前预报塌陷的发生。

防治水微地震监测与成像系统在煤矿防治水中的应用与研究

某煤矿工作面回采期间,安装了防治水微地震监测与成像系统,对目标工作面的围岩破裂情况进行实时监测。图1201889日和2018810日两次监测到流体与固体作用产生的信号。


某矿在2018910号发生突水事故,如右图,防治水微地震监测与成像系统在1个月前监测到流体与固体作用产生的信号,所以根据监测到的信号特征,就可以对突水灾害提前做出预警,防治水微地震监测与成像系统的发展为动态测定底板破裂深度、动态确定稳定隔水层厚度、动态确定突水系数提供了技术保障,通过分阶段的突水预报,保障了工作面的安全开采,特别是监测到了陷落柱受到了开采的影响,因此,提出了加固该陷落柱和调整开采方案的建议,为保障工作面安全开采提供了决策依据。







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