采矿活动引起的微震的响应特性:一个案例研究

文摘

深层煤矿,地质干扰或采矿活动会导致煤岩体损伤,容易诱发动力灾害如岩石破裂或煤炭和天然气爆发,严重威胁着煤矿的安全生产。在本文中,首先,Liyazhuang煤矿介绍了SOS女士(传感器观测服务微震的)监控系统从波兰研究所和验证其定位的准确性。女士研究的特点,然后信号不同的采矿活动引起的,根据现场监测结果,女士信号的波形和频谱特征在不同的不同的采矿活动引起的能级进行了分析,和女士的能量水平信号分类不同的采矿活动引起的。研究表明,有大型女士信号的波形和频谱特征的差异在不同的能级。高级能源地震信号具有大的振幅,频率低,相对集中分布、振动持续时间长,衰减缓慢。此外,采矿活动和事件女士之间的关系也是统计分析基于女士事件的时空分布与工作面推进,结果表明,振动频率的增加和能源可以为屋顶前兆信息的压力。随着工作面推进,能源女士周期性分布的特点,符合周期性加权透露的工作阻力的支持。这项研究提供了一个参考进一步揭示岩爆的能量释放机制。

1。介绍

随着开采深度的增加,煤层的赋存条件越来越复杂。的频率和损失程度动态岩爆等灾害和煤与瓦斯突出是增加一天1- - - - - -3]。因此,迫切需要开发新技术和设备实时监测煤和岩石的稳定性。在地应力的作用下,岩石裂缝的形成和扩展或煤炭的身体都伴随着大量的女士的事件。在裂纹萌生、传播和聚结,岩石积累的能量消散在弹性波形的信号可以被监控系统(女士4]。揭示女士的进化规律活动的过程中,岩石裂缝,女士波形的频谱是用来评估岩石断裂的危险强度(5,6]。基于现场数据的分析,Zhang et al。7)发现的最小值和最大值的主要频率事件标题女士的脸是14赫兹和515赫兹,和最大的事件持续时间是1.78秒。实验结果对于微弱的震动信号时频特征的过程中断层粘滑运动不稳定表明女士的频带信号0∼100 Hz,断层粘滑运动之前和主要频率是在10赫兹(8]。研究典型的密集的岩爆情况下不同开挖方法下,隧道掘进机(TBM)和钻探和爆破方法(D&B)深陷大理石隧道习近平II水电站表明一天最低女士的主要频率和TBM D&B小于200赫兹在密集的岩爆开发(9]。王,宗庆后10)应用HHT方法来分析深孔振动信号的快感爆破。结果表明,爆破振动持续时间是150 ms,振动能量主要集中在17.75赫兹的频率。李等人。11)指出,煤炭开采女士信号主频率较低(低于80赫兹)和振动持续时间长(超过2 s)比爆破信号(主频率高于80赫兹和持续时间少于2 s)。和下面的峰值包络曲线的符合幂函数两种类型的信号。VMD分解方法是利用Zhang et al。12]分析煤岩压裂和爆破振动信号。结果表明,岩石破裂信号的能量主要集中在低频模式,而爆破振动信号的能量主要集中在三个高频模式。微震的信号的主要频率在煤炭流出,爆破,和煤壁崩溃是0.80,0.50,和1.00 kHz,分别。微震信号的低频部分主要是由失败的影响,和更高的频率部分主要是由煤炭身体屈服;此外,失败的影响越大,降低信号的低频绑定(13]。学者分析了频谱特性引起的大量事件女士不同的采矿活动,造成了法律变化的前兆信息预测岩爆的发生(14- - - - - -16]。现场试验结果从Xinzhouyao煤矿8935工作面显示女士的主要频谱信号在岩石破裂前主要集中在5-60赫兹,和大幅减少的主要频率和振幅明显增加的信号可以被视为一个女士岩爆的前兆特征(17]。(ST) S变换时频分析技术引入信号分析领域的江女士et al。18),和岩石破裂规模可以根据女士信号的频率特性研究。女士信号转换之前从高频到低频明显的岩石变形。因此,女士的频率减少信号可以被视为宏观岩体变形的前兆信息。

大多数以前的研究主要集中在主要的分布频率的信号引起的岩石变形。然而,有女士的特点研究相对缺乏信号所产生的不同的干扰与不同的能量水平。能级之间的关系和光谱特征不同的采矿活动引起的信号女士也是模糊的。花岛Liyazhuang煤矿工作面(山西省)为研究对象,建立SOS女士监控系统。基于实时监控数据的活动在深层岩体采矿,本研究探讨女士信号的波形和频谱特征与不同的能量水平不同所产生的干扰。女士和响应特性在不同采矿活动也进行了研究。和本研究的流程图如图1。

2。工程背景

Liyazhuang煤矿是第二大规模的矿井设计生产能力为1.5吨。/由中国和罗马尼亚coconstructed Huozhou矿区(北方地区)。矿井位于Shizhuang区,Huozhou城市,山西省西南10公里远离Huozhou城市(见图2)。它有30.415公里的矿区²,地质储量24.114亿吨,可采储量21.064亿吨。有5层的可开采的煤层,其中2 #煤层是当前开采煤层平均厚度为3.16米。因为平均煤层倾角是6°,inclined-vertical轴开发使用。

II228脸做好准备工作是两个完全的孤岛工作面开采出部分上下两侧,位于面板2的2 #煤层+ 355米的海拔。II228工作面推进长度和宽度是630米和130米,分别。煤层倾角是4到10°,平均6°。煤层的厚度是2.82米到3.45米,平均2.67米。与此同时,作为一个复杂结构煤层,它通常包含2层煤矸石,主要是泥岩、碳质泥岩。

后进入深第二小组的一部分,受到了丘陵地形,开采深度达到600米以上,导致大变形巷道的底鼓发生严重,煤炭和频繁的破裂。目前准备II228工作面是孤岛工作面,在相邻两个部分已经开采的上部和下部(见图3)。它是指出图3Liyazhuang煤矿是一个简化的基坑工程的计划,一些道路不画,旨在说明II228工作的现状和布局的脸。受到高原岩石应力等因素的影响,矿山压力、和气体积累,等等,在驾驶期间,煤炭破裂发生频繁,经常和演习驱逐或抓住当钻井,以及钻孔喷的现象,这对地下安全生产构成严重威胁。根据当前采矿技术条件的分析,有多种危险因素,可能导致上述动态现象,包括能量积累的煤层由于高地应力、大弹性能量积累在多层的硬顶,和气体内能积累,等等。因此,实时波兰SOS女士介绍了监控系统确定和识别能源(危害源)的动态现象的基础上,获得信号和女士进一步制定相应的预测和预防方法,保证安全生产,同时,提供有用的指导其他面板或矿区开采条件相似。

3所示。建立波兰SOS女士在Liyazhuang煤矿监控系统

3.1。介绍SOS女士监测系统

SOS女士监测系统是新一代的产品开发和生产的波兰矿业研究所。该系统的硬件由三个部分组成,即检波器(dlm - 2001)与20传感器、信号采集站(DLM-SO)和20个频道,和信号记录器(1)。dlm - 2001检波器女士皮卡的作用,变压器磁信号转换、信号放大、等,其中垂直传感器安装在地脚螺栓的长度1米或更多的底层地板上促进建设、维护、和运动。通过地下电缆,地下获得信号会传递到DLM-SO信号采集站,的功能是纠正和过滤信号;此外,DLM-SO采集站也权力检波器。一般来说,一组DLM-SO采集站工作结合16 dlm - 2001检波器传感器,隔离本质安全信号从nonintrinsically安全信号。当前调制信号的测量探头通过地下电缆传输到采集站。采集站的信号准确地复制并转换为相应的电压信号。每个采集站和检波器探针之间的距离不会超过10公里。1地震记录信号记录仪的设计基于IBM PC计算机嵌入式32通道A / D转换卡。 Its main function is to convert seismic signals into digital signals.

该系统的软件主要是分成两部分,即Multilok和地震记录。Multilok主要是用来完成的三维位置和相关参数计算岩石振动源。和地震记录是用来提取、可视化和分析有用的信号女士和孤立波组和屏幕,等等。

SOS女士系统可以连续和自动收集和筛选冲击信号,准确地计算出发生时间、能源和空间三维坐标的震惊事件(> 100 J)。它的最大采样率为2500 Hz。女士的频率带宽信号,可以通过这个系统是监控1 - 600赫兹。

3.2。女士计划监测系统

3.2.1之上。女士的基本理论位置

有效地、准确地检测和定位女士事件,含有大量的岩石和煤断裂信息,检测潜在风险具有重要意义,进一步减轻灾害(19]。在煤矿领域的范围和规模P波女士通常选择定位事件由于其精度高的优点。女士的定位原理监测系统是使用的时间差异P波在一个特定的波速度场来确定岩石破裂点,进一步进行二维或三维女士源的位置。此外,释放的能量在女士的持续时间也可以计算出来。在实际应用中,通常认为,煤的身体是均匀和各向同性。的速度P在每个方向波是一个常数。因此,对于均匀和各向同性速度模型,从女士源的时间H= (X₀,Y₀,Z₀)^T的传感器我可以计算: 在哪里X= (x_我,y_我,z_我)是传感器的坐标我;t₀是时候女士发生;t_我的时候吗P波到达传感器我;的速度是P波;我= 1,2,…n,n传感器安装的数量。从上面的公式可以看出,至少需要4个传感器提供足够的数据来解方程。

3.2.2。传感器的布局和安装

小组2中的II228工作面是岩爆防治的关键区域,也是监测女士的重要领域,它可以为岩爆预测提供有用的信息。此外,面板2煤层2 #岩石破裂的风险,所以监测站应尽可能安排,和足够的分布密度应该满意。因此,基于区位论女士和女士监测原理(20.,2111),传感器被设计安装在II228工作面,和11个女士的详细坐标传感器列在表中1。地图女士监控系统的网络拓扑结构如图3。和系统图如图4。

取决于所使用的传感器女士,探测器探测器可以垂直安装在钻螺栓的深度超过1 m和一个错误的10度(探针固定在M2O-bolt线程)。确保传感器女士的好操作,网络应小姐的输电线路和紧密相连的。因此,的情况下是正确的,积极的和消极的电极探针的输出通过特制的防爆电缆应该连接套筒或接线盒。女士传感器安装的示意图可以看到在图5。

3.2.3。监控系统定位精度的验证

女士监测系统的定位精度的基础是岩爆的预防和预警。因此,源定位的精度必须验证安装后的监控系统。一个常见的方法是比较定位结果与实际位置爆破活动,提供一个有用的评估的有效性传感器的空间分布和整个系统的性能。确保位置和源参数的计算精度的事件,我们也进行了定位精度测试的女士的事件。他们的地方在面板2被选为爆破位置。爆点的坐标确定通过三个人工爆炸3位置显示最大误差为5.93米和1.85米的误差最小的实际点,满足女士要求学习活动的现场监测。设备的可靠性是通过这个测试验证。另一方面,传感器的布局的合理性也验证。爆破位置和估计位置的详细数据表中列出2。

4所示。结果和分析

4.1。矿山地震的女士信号的频谱特性不同的能级Liyazhuang煤矿

在外部扰动的影响,岩体动态故障发生。岩石破裂过程中,检测到声音和地震信号会产生,伴随着能量的释放,可以监控的监控系统。由于不同的岩石破坏机理和煤、监视的能量是不同的大小(22,23]。根据矿山地震的震源机制,女士的特征信号产生的各种类型的地震的来源是不同的,包括能源、频谱等。24,25]。之前的研究表明,可能有女士的能量和频谱之间的关系(26]。因此,有必要分析女士信号的波形和频谱特征与不同的能量水平,并进一步提供理论依据识别类型的干扰程度。它也采取相应预防措施具有重要意义的发生岩爆或其他动态不同的采矿扰动引起的灾害。本节主要旨在分析女士信号的频谱特性具有不同能量水平监测和记录在Liyazhuang煤矿。

女士的能量事件记录的女士在Liyazhuang煤矿监控系统主要集中在10²和10⁵J。图6显示事件女士的波形和频谱变化特征与能量大于10⁴J。从数据6(一)和6 (c)可以看出,振幅的振动速度信号主要集中在女士(0.6 - -6.5)×10⁻⁴m / s。信号衰减快,持续800毫秒到1000毫秒。与此同时,它还可以知道信号通过传感器监测女士不同的距离相同的振动源也有类似的振幅。然而,振动源越近,越长信号由传感器接收女士将会持续。从图6 (b),可以看出,主要的频率是50赫兹频率和振幅多数集中在乐队25赫兹到100赫兹,而从图6 (b),它可以知道主要的频率大约是60赫兹,大部分的振幅是集中在频带36赫兹和90赫兹之间。他们有相似的主要频率分布的特征。然而,振动源越近,较大的振幅谱的信号。通常,沿着岩石介质地震波不断变弱,所以女士站靠近振动源信号监测的可能更多有用的信息。

图7显示波形和频谱变化特征能量为1050.7183 J女士的事件。可以看出,女士信号的振幅(振动速度)主要集中在(0.2 - 5)×10⁻⁴m / s,女士持续600毫秒的信号。的光谱,信号的频带是0 - 160赫兹。除此之外,主要的频带范围大约是10 - 75赫兹和大多数振幅集中在10 - 50 Hz的频段。女士一般来说,信号的波形特征和振动的能量大约10³J是由地下人工爆破。

图8显示波形和频谱变化特征能量为871.7724 J女士的事件。显然,振幅的振动速度信号主要集中在女士(0.2 - -0.6)×10⁻⁴m / s,女士去年约550 - 750毫秒的信号。和信号的频带是0 - 120赫兹,而主要频带范围大约是15 - 80赫兹。

如表所示3,可以得出结论,振动能量越高,相应的信号女士将持续的时间越长,振幅越大(振动速度)。此外,女士的信号能量水平,高频率宽,但主要频带窄,但集中。一般来说,产生的信号女士强烈振动的特点是大的振幅、低频率,而较低的振动能级的信号主要频带宽的特点。在大多数实际情况下,大小和能量集中程度的女士事件确定为岩爆灾害的标准(27]。一般来说,岩爆发生的最低能量是10³J,大多数岩石破裂从10开始⁵J。女士的地方事件的能量大小10⁵以上经常出现可以被视为高风险区域28- - - - - -30.]。

4.2。女士的光谱特征信号引起的典型地下障碍

众所周知,采矿活动和构造活动造成外部干扰在岩石和煤质量,导致岩石的破坏和煤炭质量。女士在不同扰动下,信号生成的岩石和煤失败有不同的特点由于不同的岩石力学和煤炭质量(31日- - - - - -34]。因此,现实意义来识别不同的焦来源,进一步做出相应的预防措施,通过分析女士信号的波形和频谱特征在不同干扰条件下生成的。

女士的监测和分析,在工作面推进,几种典型冲击事件(图3在II228工作面)发生。图9显示了典型的地震信号的波形图10显示相应的振幅谱频率曲线。

2011年5月5日,一个振动检测后方的226工作面6:53:10(图3)。根据SEISGR和Multilok软件,分析冲击事件的地理坐标(37569200.00、4057027.00−220.14),和振动能量为1.78×10³J。和振动波形生成的直接顶在采空区(图9(一个))。从图10 (),主要的频段范围是0 - 100赫兹和最大的能量集中在25 - 35赫兹频段。

2011年5月6日,一个振动检测后方的226工作面16:51:36(图3)。根据SEISGR和Multilok软件,分析冲击事件的地理坐标(37569035.71、4056781.66−232.14),和振动能量为2.72×10⁴J。和振动波形是一个典型的屋顶主要断裂(图的波形9 (b))。从图10 (b),主要的频段范围是0 - 140赫兹和最大的能量集中在20 - 40 Hz的频段。

2011年5月10日,一个主要的冲击事件出现在大断层附近的截止II228工作面在23:05:53(图3)。它可以证实这个震惊事件是由断层活化诱导信号波形分析和定位。和7传感器安排在第二和第四矿区记录振动信息,表明振动能量是非常大的。根据SEISGR和Multilok软件,分析冲击事件的地理坐标(37568889.84、4057308.61−217.87),和振动能量为2.78×10⁵J。图9 (c)显示了这种振动的波形。和相应的频谱使用快速傅里叶变换方法,得到如图10 (c)。很明显,主要的频段范围是0 - 120赫兹和最大的能量集中在- 55 Hz的频段。

2011年5月15日,我与高能附近发生地震的截止II228工作面在22:14:20(图3)。根据SEISGR和Multilok软件,分析冲击事件的地理坐标(37568718.80、4057133.48−240.56),和振动能量为1.38×10⁴J。震中位置和垂直高度的源,振动是由屋顶压裂由于高应力叠加II228截止。振动波形如图9 (d)。波形衰减后,仍然有大波动的尾巴,这显然是不同于屋顶压裂在采空区和人工爆破。从图10 (d),主要的频段范围是0 - 160赫兹和最大能量集中于40 - 80 Hz的频段。此外,光谱相对分散。虽然波的振幅和频率引起的振动比较大,没有发生岩爆。这是由于振动能量没有达到平均能量水平所需岩爆的发生在正常情况下;另一方面,震源的位置深,因此,在传播过程中能量是减毒在某种程度上。

2011年6月10日,一个振动检测3号高层钻井在00:26:52 II228工作面附近(图3)。根据SEISGR和Multilok软件,分析冲击事件的地理坐标(37568545.00、4056767.00−224.06),和振动能量为1.2×10³J。是典型的人工爆破振动波形(图9 (e)),振动4传感器记录的信息安排II228工作面。图10 (e)显示相应的频谱的变化特征。发现主要的频段范围是0-60赫兹和清廉的最大能量集中于频带赫兹。

从上面分析,还可以发现主要屋顶压裂引起的振动波形类似于直接顶的压裂,但它们的光谱是不同的。主要产生的波形的频率主要屋顶压裂低于当前屋顶压裂,和产生的能量前通常远高于后者。释放的能量通过屋顶压裂人工爆破的基本上是一样的,但是波形显然是不同的。除此之外,最大的频带能量集中精力也是不同的。

4.3。女士在采矿活动和屋顶加权响应特性

4.3.1。在正常生产过程中变化的事件

一般来说,地下采矿活动造成的振动大致可以分为两类。一类是直接由采矿活动引起的,包括机车操作,加载器加载操作、人工爆破等。另一种是造成的不稳定围岩由于采矿活动的失败。SOS女士监控系统可以监视、记录和保存各种振动信号实时定位振动源,计算振动能量的大小。

(1)时间分布的事件。图11显示女士事件的变化在不同时期II226工作面附近的一天。女士更多的事件发生在正常生产期间,而相对较少的女士事件发生在交接时期和改革。尽管Liyazhuang煤矿的生产时间是不一样的每一天,在统计,女士事件发生的频率在正常生产期间工作面附近是检验时间的两倍。例如,在转变期间(14:00-16:00)采矿活动减少,女士事件的频率也就相应地减少到最低。(16:00-18:00)转变时期后,随着采矿活动增加,女士事件的频率也增加了。可以得出结论,因此,它的频率变化之间存在很好的对应关系,事件和采矿活动,这验证的可靠性SOS女士从另一个潜在的监控系统。与此同时,它还可以发现事件女士不会消失后立即停止在工作面采矿活动,表明它将花费一些时间后围岩回到稳定停止采矿扰动。

(2)女士事件的空间分布。图12显示分布的女士在日常生产活动。女士事件主要集中在两个区域:第一个事件女士浓度区位于II228工作面接近。在该区域,大多数女士事件造成的能源主要是高屋顶分离前的工作面和屋顶压裂和屈服在工作面后面。第二个事件浓度区女士是高层钻探现场,大多数女士事件主要是由人工爆破生成。在这个区域,高层排水巷道被发掘。因此,人工爆破进行了每一天。另一方面,释放内部岩层弹性由于地应力的变化引起的开挖女士可能产生更多的事件。此外,它可以很容易地发现,与促进II228工作面,女士事件的位置也改变了。一般来说,女士事件的分布受到采矿活动影响,两个时空上。这些振动的能量通常低于10³J,动力灾害的发生上没有很大的影响。

4.3.2。女士的事件之间的关系和工作面周期性加权

研究周期性加权II226工作面,液压支架工作阻力的实时监控领域的应用。测量站沿工作面方向排列。过程中周期性压力分析,平均end-cycle阻力之和的液压支架及其方差是作为主要的指数来判断周期性的压力。它可以计算的 在哪里σ_P是均值方差的平均end-cycle支架阻力;n是周期的数量;P_{“透明国际”}end-cycle支持抵抗吗我th周期;电阻的平均值end-cycle支持。

屋顶的标准权重可以表示为

计算后,每个支持的权重标准如表所示4。

图13显示了周期性的变化特征end-cycle支架阻力的支持。红色线表示权重标准,绿色线表示权重的位置。

表5显示每个支持的周期性加权统计时间,6月和图14显示了每日的数量和能量女士事件之前和之后的三个周期权重乘以6月。列代表每日总能量和红线代表女士的日常数据事件。周期性加权的三次II226工作面是6月5日,13日,23日,分别。从数据13和14,断裂发生在主要的屋顶,液压支架压力增加定期在屋顶的时间权重。前两天这段时间权重,每日平均数量的振动监测是11倍,和振动的数量均呈增长趋势;日常监测振动总能量约为4500 J,每日最大振动的能量是1800 J和整体振动能量也均呈增长趋势。增加振动频率和能量可以屋顶的前兆信息的压力。随着工作面推进的,女士能量周期性分布的特点,符合周期性加权透露的工作阻力的支持。

5。讨论

压裂过程中滑动的煤和岩石开采扰动下,微震的波浪有着一定的频率就会传播到周围的岩石,也伴随着积累能量的释放。波的振幅和频率取决于强度、应力状态、裂缝大小和煤和岩石的变形速度(35]。岩爆的孵化过程的过程实际上是裂缝或次生裂缝的发生和扩大煤炭和岩体结构,这是能量积累的过程。岩爆的发生是骨折和不稳定破坏岩石结构的过程,是能量释放的过程(36]。屋顶的振动能量很大,压力信号和信号的振幅大约是10⁴,这是由于大变形和破坏区域的岩体在屋顶破裂,和大量的弹性能量被释放了出来。实际上,对断层活化过程中,围岩的初始不稳定压实故障是断层活化的初始阶段,和单一振动能量产生很大,但频率较低。然后,围岩的弹性粘滑振荡过程是最重要的阶段,断层活化能量的释放,和振动频率高。振动频率和能量很低的过程中塑料粘滑运动的失败。的振动能量和频率restabilization阶段的围岩围岩的失败,释放的能量很大(37]。可以看出,本文的分析结果与以前的研究一致。此外,煤岩体的能量积累逐渐增加,能量释放稳定状态。推进速度达到一定程度时,这种稳定状态将被摧毁,突然释放的能量将会导致大型能源事件的发生。因此,女士能源和事件的分布特征可以反映出屋顶运动。

6。结论

(1)有大型女士信号的波形和频谱特征的差异在不同的能级。高级能源地震信号具有大的振幅,频率低,相对集中分布、振动持续时间长,衰减缓慢。能量减小,振动衰减率逐渐变得更快,和信号持续时间变得更短。此外,主频率逐渐发展从浓度扩散。(2)由于不同的断裂机制的岩石或煤炭质量,不同类型的地下采矿活动引起的振动是不同的。有一种强烈的影响风险在断层活化,因为它更多的释放能量。相比之下,更少的能量将被释放在屋顶下降。(3)随着工作面推进的,女士能量周期性分布的特点,符合周期性加权透露的工作阻力的支持。前1 - 2天的周期性加权工作面,女士事件会增加。结合液压支架的实时监控,这些女士的特征可以被视为周期性加权的前兆信息。

数据可用性

本文报告的数据可以从相应的作者。

信息披露

与此同时,赞助商没有参与这项研究的设计;在收集、分析或解释数据;写的手稿;并决定发表的结果。

的利益冲突

作者声明没有利益冲突,手稿批准所有作者出版。

确认

这项工作由辽宁振兴财政支持人才项目(批准号XLYC 1907168)和辽宁省自然科学基金(2019 - ms - 163)。

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