基于坐标旋转的矿震分区监测方法研究

基于坐标旋转的矿震分区监测方法研究

0亚板块分区方法的提出目前，中国通常有多个采矿基地。为了快速准确反映各矿山采矿区矿震时空发展的特点，我们需要及时预测影响矿压的风险，并采取解危措施。为了在某些领域报告和研究采井区中的矿震事件，有必要对采井区特定区域内的矿震事件进行区域监测和研究。在地震研究方面,分区划分原则主要使用的是地震带和地震统计区,潘华等指出地震带是以地震活动性区域划分研究为目的,它不同于概率地震危险性方法中的地震统计区的概念;地震统计区划分是以地震带划分研究为基础,它产生并服务于考虑地震活动时空不均匀性的概率地震危险性分析方法。陈立德等指出以行政区为统计研究区的划分方案有利于预报部门的实际操作和应用,但缺点是缺乏地质学基础,有可能忽略地震活动的固有规律,增加问题的复杂性。丁国瑜提出亚板块划分方案,克服了上述缺陷,考虑了同一亚板块的构造活动应具有统一性和相关性的原则,为统计预测分析提供了地质学依据。在矿山地震研究方面,李志华根据岩土介质冲击震动能量沿传播距离增大呈乘幂关系衰减规律,参考国内外引发冲击矿压的最小能量值,并从最危险的角度考虑,确定了冲击震动破坏的最大动力响应范围,提出了圆形分区方法。江衡在上述研究的基础上,基于Visualbasic6.0开发环境,利用AutoCADActiveX技术,对AutoCAD2007进行二次开发,实现了分区筛选和统计数据功能,提出了对于采煤工作面的任意多边形分区方法和对于掘进工作面的圆形分区方法。通过大量现场实测可知,矿震与采掘活动有着很好的对应关系,即采掘活动区域往往是矿震集中的区域。然而仅仅考虑冲击震动破坏的最大动力响应范围来进行分区,会遗失一些重要的统计信息,针对上述问题,提出了如下分区原则:在满足各采掘区域冲击震动破坏的最大动力响应范围前提下,分区大小还要保证有足够样本数以满足统计参数特征,即相当于地震学上的亚板块划分方案。基于这种划分原则,在分区时,总体上以文献提出的分区原则为基础,局部边界略有调整,即分区尽量包含因采掘活动引起的矿震事件。1u3000相对坐标系基于SOS微震监测系统提供的矿震发生时间、地点与能量(时、空、强)等基本参数,采用编程工具Delphi直接调用数据库,实现了矿震数据在不同时间段、不同空间区域及不同能量级别上的快速查询筛选。考虑到现场工作面形状近似矩形,并且一般情况下工作面布置位置与绝对坐标轴存在一定夹角,所以采用任意多边形分区更合理。如图1为现场工作面布置示意图,从图中可知,工作面布置位置与绝对坐标轴的夹角为α,由于微震监测系统监测到的位置坐标是大地绝对坐标,当将矿震事件向各绝对坐标轴上投影时,都会造成矿震事件的不利叠加,不利于分析沿工作面方向和推进方向剖面上的震源分布规律,同时为了更直观地反映矿震事件与固定工作面的相对位置,因此,在将震源沿工作面方向和推进方向剖面投影之前,必须将所有矿震数据的x、y值进行线性变换,即采用相对坐标系,如图中x′o′y′坐标系,具体算法见式(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——转化后的相对坐标值;xi,yi——原始绝对坐标值;x0,y0——开切眼端点绝对坐标值;α——工作面推进方向与绝对x坐标轴的夹角,以绝对x坐标轴向工作面推进方向逆时钟旋转为正。2工作面标高250103工作面是华亭煤矿2501采区一分层第3个回采工作面,开采煤层为煤5,地面标高+1457～+1620m;工作面标高:运输顺槽标高+828.932～+987.079m,回风顺槽标高为+870.407～+998.050m;工作面南部以采区大巷保护煤柱为界,北部以华砚矿二水平北翼大巷保护煤柱为界,西部与250101运输顺槽保护煤柱为界,东部与未采动区隔离煤柱为界。采区工作面平面图如图2。3矿震数据库筛选如图2,工作面布置位置与绝对坐标轴的夹角α为15°57′56″。以华亭煤矿250103工作面2010-2-27～2010-10-14回采期间微震系统记录到的矿震数据为研究对象,根据矿震分区监测方法,采用编程工具Delphi直接调用数据库进行数据筛选。4在矿震时空强势群落下的规律分析中4.1矿震事件分析研究表明,矿震大事件一般对应较大规模的破裂,所以可以通过矿震大事件数或大事件频率的周期性变化来推断老顶断裂的周期性。对华亭煤矿250103工作面2010-2-27～2010-9-11期间矿震事件进行分区分级筛选,得到能量>105J的大事件,并统计每日震动频次,同时根据现场提供的支架工作阻力曲线,得到如图3的对比图。从图3中可以看出,矿震大事件日震动频次出现周期性变化,并与工作面来压曲线形成很好的对应,很好地反映了工作面顶板的来压情况,将矿震事件数随工作面推进距离的变化趋势图中波峰或波谷的距离作为老顶来压步距,由此得到工作面周期来压步距是20～25m,因此可以用微震监测结果来研究采场顶板的运动规律。4.2工作面应力集中区域与破裂范围的特征为了形象直观地反映矿震活动的空间演化特征,从而揭示采掘区域岩层三维空间岩体的破裂与应力场状况,采用所在课题组开发的矿震数据分析处理软件(MiningSeismicityDataAnalysis),对华亭煤矿250103工作面2010-2-27～2010-9-11期间矿震事件进行坐标旋转和分区筛选,得到矿震事件空间演化图(图略)。(1)在平面空间上,矿震主要发生在工作面、采空区,同时影响至工作面前方280m,工作面倾斜方向上方90m及下方150m,充分体现了工作面超前支承压力和残余支承压力的不同影响程度,同时也表明了在应力集中区内煤岩体发生破裂并释放能量,与矿震震源的分布位置形成了很好的对应。于是,可利用微震监测系统判断支承压力集中区域和破裂范围,为现场超前支护段距离的确定和区段保护煤柱的留设提供了依据。(2)从平面投影图上还能得知,250103工作面回采过程中引起的震动多集中在250103工作面回风顺槽侧,并偏向250101工作面,这是由于回风顺槽侧为已经回采完毕的250101工作面,临空区压力比较大,再加上区段小煤柱导致应力集中,从而覆岩活动比较活跃,导致震动频次非常高。(3)在深度空间上,矿震主要集中在顶板中,然而工作面推进平面位置的矿震却比较少,根据钻孔B801资料得知,工作面老顶为厚29.93m的细砂岩,赋存水平为994.62m,震源主要集中在这层坚硬岩层中,表明工作面回采过程中,主要是这层岩层在积聚和释放弹性能,反映出了坚硬顶板的高储能和破坏时的高释能特点,即顶板岩石越坚硬,其变形越困难,达到极限强度时积聚的弹性能也越多,破断时释放的弹性能也越多,产生的冲击载荷也越大,甚至引发大的矿震,造成冲击矿压。(4)从深度剖面图上还能得知,覆岩破裂的高度为250m左右,为现场开采上限的确定和防水煤柱的合理留设提供了依据。因此,通过震源的空间分布和演化特征,可以研究震动发生的层位,从而分析覆岩的破断形态、破裂高度和破断步距,为研究采矿活动引起的覆岩活动规律打下基础,对保障安全生产,提高资源回收率具有重要的意义。4.3累积能量释放变化模型E-t曲线称能量释放曲线。E为微震释放的弹性波能,t为时间,其中E=∑i=1NEi‚EiE=∑i=1ΝEi‚Ei为第i个矿震的能量。E√−tE-t称应变能释放曲线或蠕变曲线,连续计算和绘制蠕变时序曲线,从蠕变曲线的斜率可以判断能量积累和释放的趋势。文献指出,矿震应变能蠕变曲线所表现的积累-加速-平静-发震变化,很可能是反映了区域应力场的真实变化,反映了中强地震孕育过程中对矿区局部应力场受力的影响。图4为华亭煤矿250103工作面2010-3-30～2010-4-30的能量释放曲线和累积能量释放变化模型曲线,从图中可以看出,能量释放曲线呈细锯齿形,强能量和强冲击都发生在锯齿附近,即曲线斜率突变点处,然而这种突变点表现得不是太突出,并且信息量单调,不太容易分辨出冲击矿压前兆信息。为了反映这种斜率的变化,提出一种累积能量释放变化模型,其原理如下:首先定义累积能量释放值:CUSUMi=E=∑j=1iEj(2)CUSUΜi=E=∑j=1iEj(2)式中,Ej为第j个矿震的能量。然后用最小二乘法作回归得到一条对CUSUM曲线拟合的直线,再求其累积拟合差值(简记CUFIT)。在作最小二乘回归的时候不是简单地把所有CUSUM值一次性地作回归来得到线性趋势项,而是用逐项求值的方法,即每增加一个矿震事件都进行一次新的回归值计算,用下式计算CUFIT:CUFITi=CUSUMi-(ai-1+bi-1i)(3)式中,(ai-1+bi-1i)表示对CUSUMi-1之前所有数据作拟合的趋势项。CUFIT值等于0,表示某区域矿震能级的平均背景。在强能量释放前,CUFIT值明显急剧上升,也就是说,该区的微震活动水平偏离前一段时间正常微震活动水平,为一个异常。从华亭煤矿250103工作面2010-3-30～2010-4-30的累积能量释放变化模型曲线如图4可以看出,强能量和强冲击发生前,CUFIT值均存在急剧上升的现象,于是,可将CUFIT值的急剧上升作为冲击矿压发生的前兆信息。同时,这种模型将能量释放曲线斜率突变信息放大,并增加了大量能量释放曲线本身不具有的信息,如周期性变化。5矿震数据分析处理(1)在考虑冲击震动破坏最大动力响应范围的前提下,根据矿震与采掘活动的对应关系,给出了矿震监测分区原则,提出了基于坐标旋转的矿震分区监测方法