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    防治水微震監測與成像系統

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    應用場景

    我國是世界產煤最多的國家之一,原煤總產量的絕大部分來自地下開采。然而我國煤田地質條件十分復雜,礦井水害事故破壞性大、突發性強、往往導致群死群傷。加之搶救難度大、經濟損失大、礦井恢復周期長、恢復期間安全隱患多等,因此,水災是造成重大經濟損失和群死群傷最為嚴重的煤礦五大災害事故之一。而礦山發生水害必須具備的 3 個條件是水源、水量和導水通道。在這 3 個條件中,作為對水源和水量起決定作用的含水層,其補給和排泄條件具有區域性和面狀分布的特點,往往是易于查明和預測分析的,但導水通道(斷層、陷落柱)具有極強的局部性和隱蔽性,因此大多數突水災害具有導水通道不可預知的特點,具體表現在:

    已探明的斷層、陷落柱等地質構造活化與否的不可預知性

    受采動影響新生導水通道的不可預知性

    原生導水通道的不可預知性

    因此,導水通道的形成監測成為預防突水災害形成的關鍵,而微地震監測與成像系統作為一種巖體微破裂三維空間監測技術,是描述導水通道孕育、發展到最終失穩過程的有效技術手段。

    現狀分析

    近年來,隨著地面三維地震、井下瞬變電磁、槽波地震以及地面水平分支孔等技術的快速發展,逐漸形成了以地面綜合勘探、采掘工作面超前立體探測、井下預注漿加固隔水層、地面區域治理改造含水層、突水快速治理、超大排水能力保障等為核心的我國煤礦水害綜合防治技術體系,并在突水災害防治、礦區水資源保護等方面發揮了重要作用。

    然而,由于我國煤礦區水文地質條件的先天復雜性,加之越來越多礦井采深不斷加大,煤礦受高壓奧灰水的威脅越來越大,礦井突水事故時有發生。綜合分析認為,礦井深部導水通道形成機理不明、小微型突水隱患探查困難、高水壓環境井下 鉆孔施工不安全、工作面底板預注漿加固及地面區域治理還不能做到零缺陷、采掘過程中缺乏科學有 效的突水監測預警技術等,是造成礦井突水災害的主要原因。

    為了精確定位災害性突水通道,提高水害預警機制,安徽萬泰地球物理技術有限公司聯合中國科學技術大學地球物理技術團隊合作研發防治水微震監測與成像系統。該系統作為一種具有大范圍、全空間、實時、連續監測功能的技術,近年來在石油、水電、礦山等領域得到廣泛應用。我國煤礦在瓦斯、沖擊地壓等動力災害監測預報等方面,也有大量應用。該系統可探查地下水強徑流帶、導水通道(裂隙、斷層和陷落柱)、突水通道、漿液擴散過程和采空區未知水體突水的可行性及預測預報規律等方面取得良好技術效果,為進一步做好我國煤礦水害防治工作開辟了一條新的技術途徑。

    實施方案

    1、項目名稱

    防治水微地震監測與成像系統在礦山涌水(突水)中的應用。

    2、臺陣布設


    3、現場實施

    1一致性測試

    按照公司微震監測現場實施規范,監測設備到達目的地現場后首先進行整套設備的復檢和原位試驗。由于微震事件定位對于到時的依賴程度較高,各檢波器之間的道間一致性對于事件到時的標定及最終定位結果至關重要。


    2耦合測試

    為保證傳感器與目標體有充分的接觸以及較好的幾何耦合,實現高精度數據采集,在項目實施前進行了多組不同方式的耦合對比實驗。


    4、數據采集與處理

    采集到的流體與巖體激蕩產生的信號及頻譜特征分析


    5、涌(突)水監測結果

    防治水微震監測與成像系統采集到的微震信號經過自動和人工精細化處理后的分析和定位結果,如圖:


    項目效益

    案例展示煤礦頂板導水通道監測預警

    應用表明,防治水微地震監測與成像系統具有全空間、大范圍、實時、連續監測探測功能,能夠有效捕捉到礦山井下采掘空間及其影響范圍內由于地下水活動及注漿工程引發的巖石破裂信息,在隱伏導水構造及水文地質異常體探測、構造導水性評價、突水危險地段確定、突水監測預報、注漿漿液擴散范圍及路徑描述等方面具有獨特的技術優勢。進一步加強微震事件屬性分析,總結、分析各類不同微震屬性所代表的水文地質事件類型,提高微震事件定位精度,總結出用于突水預測預報的參數及閥值。本系統適合我國煤礦區特點的礦井水害微震監測預警技術方法,對豐富和完善我國煤礦水害防治技術體系具有積極意義,無論是經濟利益還是社會效益均具有非常重要的現實意義。

    案例展示

    煤礦頂板導水通道監測預警

    工程概況:針對某礦開采引起的塌陷,監測該礦塌陷形成機理,提出有效的監測和超前預報技術方案。防治水微震監測與成像系統監測結果:

    造成該礦塌陷主要因素包括:頂板上部為水活性強、浸水易崩解的軟質紅層,同時該礦附件的水文地質工程地質條件較復雜;由于該采礦方法具有較大的開采擾動,存在頂板破裂和突水淹井的危險。因此,利用防治水微地震監測與成像系統對該礦進行實時監測,如下圖:

    防治水微地震監測與成像系統對當前采礦方法下礦區大面積開采后頂板的三維破裂場、導水通道的形成發展過程進行實時監測、動態預報、提前預警。通過改進數據采集和處理技術,建立溶腔頂板異常識別標志及溶腔發育地震波模型,可以在礦井開采中進行有效地監測導水通道和超前預報塌陷的發生。

    防治水微地震監測與成像系統在煤礦防治水中的應用與研究

    某煤礦工作面回采期間,安裝了防治水微地震監測與成像系統,對目標工作面的圍巖破裂情況進行實時監測。圖1201889日和2018810日兩次監測到流體與固體作用產生的信號。


    某礦在2018910號發生突水事故,如右圖,防治水微地震監測與成像系統在1個月前監測到流體與固體作用產生的信號,所以根據監測到的信號特征,就可以對突水災害提前做出預警,防治水微地震監測與成像系統的發展為動態測定底板破裂深度、動態確定穩定隔水層厚度、動態確定突水系數提供了技術保障,通過分階段的突水預報,保障了工作面的安全開采,特別是監測到了陷落柱受到了開采的影響,因此,提出了加固該陷落柱和調整開采方案的建議,為保障工作面安全開采提供了決策依據。







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