研究岩爆风险演化的深层长壁板基于被动地震速度层析成像

文摘

监测和预警至关重要岩爆的预防和控制煤矿深处。在这项研究中,岩爆风险评估准则是建立基于地震速度之间的相互关系,在煤岩体应力状态。被动地震速度使用采动断层地震波进行定期和持续。岩爆风险的演化和范围的深度长壁板折叠和相邻采空区决心。减压措施对岩爆风险的影响进行了分析。研究结果表明,破裂的风险水平和范围在小组撤退先增加,然后下降,达到高峰时,位于1 #向斜轴区域。当接近十字头、高破裂风险区域分布沿十字头,进一步与1 #向斜轴相交区域。破裂风险区域倾斜的面板显示出明显的分区特征。断层扫描结果与钻头的结果有很好的一致性,岩爆发生,微震的活动和液压支架的工作阻力。减压措施和矿业布局有明显的破裂影响长壁板的风险。 For prevention and controlling of rock burst risk in deep coal mining, pressure-relief measures should be optimized based on passive tomography results.

1。介绍

由于长期开采,煤炭资源在浅深度逐渐枯竭,煤炭开采深度不断增加。开采深度在海外包括波兰、德国、英国、日本和法国已经超过1000早在1980年代,现在,它已经达到了15001,2]。目前,47个煤矿在中国有超过1000 m [3]。随着开采深度增加,围岩的应力状态是不断恶化和岩爆发生更频繁(4,5]。

各种岩爆机制提出了不同的方法(6- - - - - -9]。一个举世公认的观点是岩爆引起的动态和静态应力的叠加,如图1。的“贡献率”静态载荷和动态载荷对岩爆风险随开采深度。由于高静态应力在深部开采,采动引起的轻微的动态载荷增量震颤可以叠加应力超过临界值,甚至导致岩爆。应力场和岩爆风险预测方法在深埋不确定的环境在未来应进一步研究[10]。

地震层析成象速度,一个新的地球物理勘查方法推断波传播速度通过结构,是一种新颖的测量方法,地下煤炭开采应力再分配。比先前的方法如钻头(11),压力传感器(12,13),电磁辐射(14),而声发射(15)、地震速度层析成像可以提供全面、连续的应力再分配的地震波速度在煤岩体。关于地震的来源,这个方法可以分为两种类型,即主动速度层析成象和被动速度层析成像(16,17]。活跃断层扫描速度一直在地质构造和应力场进行检测,取得了好的结果(18- - - - - -22]。然而,由于额外的劳动和经济成本,活动速度层析成像的应用在一定程度上是有限的。另外,被动地震断层扫描速度可以迅速,不断呈现在煤矿利用采动应力再分配地震的地震波(来源23- - - - - -27]。被动地震速度层析成像在现有文献主要是用于表示应力再分配。波速之间的关系变化和岩爆风险是很少的。

在这项研究中,定量评估标准建立了岩爆风险基于压力和波速之间的关系(28- - - - - -31日]。岩爆风险和范围的确定长壁板折叠和相邻采空区不断和视觉基于被动地震速度层析成像。此外,减压措施的影响岩爆风险分析是基于断层扫描结果。

2。理论被动地震速度断层岩爆风险

在地震波的传播,纵波是第一监控它传播速度快23]。纵波速度与压力变化在不同的加载方案已经在实验室进行28),这表明压力和纵波速度之间的正相关关系。纵波速度可以反映应力状态和破裂岩石和煤质量的风险。

矿区的三维网状网络是必要的被动地震速度层析成像,和矿区分为体素 , ,和方向(25,31日]。地震射线传播期间,将通过压沿射线路径从震源到传感器。

假设的射线路径th地震波是和旅行时间 ,然后,旅行的时间th地震波从源到传感器缓慢的积分(或速度的倒数),可表达的情商。1情商。(3)[31日- - - - - -33]。 在哪里 是速度(米/秒),的射线路径吗地震波(m),旅行时间(s), 缓慢(s / m),的距离吗th射线的体素,射线的总数,是像素点的数量。

一般来说,地震的位置和使用一个初始速度模型计算射线路径(31日]。由于未知的速度,距离,时间在一个单独的体素,因此,矩阵表达的情商。4)可以构建体素缓慢,距离和时间。然后,速度可以由下面的矩阵(33]。 在哪里旅行时间/射线矩阵( ), 是距离每射线立体像素矩阵( ),和每个网格单元矩阵是缓慢( )。

最后,地震速度层析成象的关键问题是解决缓慢向量 。解决这个问题最有效的方法是通过一个迭代过程,并同时迭代重建技术(SIRT) [16,29日,34)是著名的和有效的,采用。

这些体素的速度可以由地震层析成象速度上面的介绍。地震速度异常和压力系数之间的关系是(30.,31日]。在深煤矿,破裂的风险主要是由静态压力。因此,一个破裂的风险评估标准表1是建立。速度异常是由

在哪里是纵波速度在某些体素,然后呢的平均速度模型。应该注意的是,与正异常和负异常区是压力过大和pressure-relieved,分别为(31日]。摘要矿区是归类为None,弱,中间,和强大的破裂风险区域根据岩爆风险评估标准表1。

3所示。网站的特点选择长壁板

3.1。地质条件

面板204第四机械化放顶煤开采面临的第二大矿区深部煤矿在陕西,中国。煤矿被岩石破裂的严重威胁。面板204是1455米长,200米宽的倾向,如图2(b), 4号煤层单一可采煤层,厚度为5.9 - -15.0米,最大深度超过1000米。煤层海拔是+ 72,+ 147米。小组204年生产2018年10月,暂停从2018年10月到2019年4月由于矿井水的问题。在复制2019年5月和2020年2月停止850进步。存在两个向斜(命名为1 #和2 #)和一个背斜。1 #和2 #向斜几乎是垂直与平行小组204年的罢工,分别。罢工的背斜是45°斜板。

主要有两个亚关键层和一个关键层煤层上方,如图2(c),关键层的厚度是21.1米,54.0米,101.3米,和煤层的距离是13.4米,139.1米,193.1米,分别。

4号煤层的强烈倾向,和岩层的地板和屋顶都是弱破裂的倾向。最大主应力达到38.2 - -44.8 MPa,煤的平均单轴抗压强度为19.3 MPa;因此,应力集中系数是1.98 - -2.32,这表明其高破裂风险(35]。

3.2。微震的数据采集和处理

微震监测系统叫做“SOS”,由中央矿业研究所的波兰,是安装在煤矿和最大定位误差在水平方向20米、30米在垂直方向,分别。2019年7月地震监测网络如图3。系统优化三次小组204年撤退,确保监测精度。在2019年4月至2020年3月,超过3800年第二矿区采动震动被SOS记录。第一个p波到达的时间在每个传感器校准手动直到和理论计算值之间的误差小于20毫秒。一些典型的地震204年面板见图4 (b)。地震波变弱幂函数的情商。6)。地震波与更高的能量衰减较慢和旅行得更远,这与先前的研究一致(36,37]。因此,微震事件的数量和精度可以满足断层。

在哪里地震和传感器之间的距离,和分别在震颤和粒子速度传感器,然后呢衰减系数。

3.3。反演参数

断层面积2200米长,2560米宽,360米高,分为压20米和方向和30米方向,分别如图3。更多的射线路径使计算的精度高(38]。因此,只有震动超过六个传感器被认为是地震记录的来源,和体素与10多个射线被认为是可靠的。改善反演和源定位的效率和精度,采用SIRT重新计算地震的位置,和各体素缓慢地震射线被迭代修改直到达到阈值。开始第一次迭代,降低不确定性,p波初始速度的范围被认为4.48公里/秒和3.5 km / s - 6.5公里/秒,分别从P-velocity获得数据图5。

4所示。被动地震速度层析成像的结果

4.1。岩爆风险演化与长壁面板撤退

被动地震速度层析成像在矿区进行了定期与2019年5月以来每月2次。其中,8层析结果面板见图2046。采动震动在接下来的一个月或一个月有一半是策划同时验证突出了断层破裂的风险区域。在图6,速度异常( )在绿色、黄色和红色区域是0.05 - -0.15,0.15 - -0.25,> 0.25,和相应的破裂风险是弱,中间,和强劲,分别基于岩爆风险标准表1。

值得注意的是,小组205年生产2019年11月以来,和震动诱发采空区的面板204和支承面积前面板205,这将带来地震射线和整个采空区高破裂风险区域。板204年和205年之间的距离总是超过700米。因此,205年面板提取不会干扰本研究。说明204年前面板破裂风险显然,破裂区域在采空区消除人为风险。

显然,如图6,岩爆风险和范围的一般进化前的脸线面板的撤退204密切相关。高破裂风险区域规模领先的脸线罢工,包括中间和强劲的破裂风险区域,见图7。由于日益扩大采空区面板背后204年,203年面板采空区,折叠,高破裂风险区域规模的脸行首先从60米增加,达到了410的峰值,然后逐渐减少到80米。达到峰值时面板位于1 # 2019年10月向斜轴区域(如图6(e))。当时破裂风险是最高的。当面对线接近十字头,沿着十字头高破裂风险区域分配,进一步与破裂风险区域1 #向斜区,这表明高应力区毗邻十字头的水平。

高破裂风险的204年面板沿倾向,破裂风险的范围区域通风巷道一侧总是大于运输巷道一侧。然而,高破裂风险的发展显示了明显的分区特征。因此,小组204年的采矿过程可以沿走向分为三个阶段,如图8。(我)第一阶段。2019年5月——2019年7月,在此期间,高破裂风险区域(区域1)主要是躺在运输巷道,如图6(一)和6(b),这可能是造成2 #向斜构造应力、煤层倾角变化(2)第二阶段。2019年8月——2019年12月,在这一阶段,高破裂风险区域(区域2和3)主要是躺在通风巷道和附近的横航向和1 #向斜轴在运输巷道,分别见图6(c) -6(f)。带2可以构造应力造成的1 #向斜,支承压力的面板203采空区,十字头的支承压力。区3可以构造应力造成的1 #向斜和十字头的支承压力(3)第三阶段。2020年1月- 2020年3月,至于这个阶段,高破裂风险区域(4区)主要运输巷道,躺在身边的人物6(g)和6(h),这可能是由构造应力引起的背斜和煤层倾角变化

此外,震动程度超过e4 J的分布在以下开采期间(一个月或一个月后一半断层扫描)也相应高破裂风险区域由先前的断层。

4.2。断层扫描结果的验证

4.2.1。准备钻头

2019年4月30日断层扫描结果(图6(一)表明,沿通风巷道破裂风险区域主要位于95米- 255米和340米- 560米的脸。特别是,强劲的破裂风险区域约200离的脸。

共16个钻头钻孔深度10米和42毫米直径钻在15 m - 255 m的脸线在通风巷道1 - 2 2019年5月。煤粉结果见图9高粉区(b)。在110 - 170米和180米- 230米的脸线,分别。峰位于210米的脸。钻头的结果以及相应的破裂风险区域图6(一)。

4.2.2。岩爆发生

岩爆发生在20 m - 140 m 2019年9月21日,与此同时,地震 被记录在18米的面前行运输巷道一侧,如图10。的地板运输巷道起伏在平均1.5米和巷道截面急剧收缩,导致204年面板4天关闭。此外,地震是弱和中等风险之间的交叉区域,中间和岩石破裂区域和强劲的破裂风险区域由断层2019年9月15日。典型的岩爆区域匹配和断层扫描的结果。

4.2.3。微震的活动

根据图6节4.1,震动程度超过e4 J在以下时间对应于前断层扫描结果。此外,微震的活动面板204从2019年5月到2020年3月在图中进行了描述11。自204年面板,它逐渐增加繁殖,2019年10月达到峰值,然后迅速降低。2019年10月,面板204是1 #向斜轴地区撤退。微震的活动是与岩爆风险演化时间序列一致。

4.2.4。液压支架的工作阻力

工作阻力线液压支持204年面板如图12。应该注意的是,小组204年的工作从2020年1月至2020年2月3日的21岁。液压支架的工作阻力,总的来说,随后逐渐增加和减少沿走向方向,这是类似于微震活动图11。此外,从5月到2019年6月,高工作阻力区主要位于运输巷道的一面,它是相同的数据的高破裂风险区域6(一)和6(b),从2019年9月至11月,高工作阻力区主要分布在通风巷道端,它是相同的数据的高破裂风险区域6(c) -6(f)。从1月到2020年3月,高工作阻力区主要运输巷道一侧,这是相同的高破裂风险区域图6(g)和6(h)。

总之,现场钻头结果,岩爆发生,微震活动,和液压支架工作阻力与断层扫描结果相同,这表明被动地震速度的可行性和准确性岩爆风险的断层。

4.3。减压措施对岩爆的影响的风险

区204年0 m - 250 m前面板与深预裂爆破、加强pressure-relieved煤煤炭爆破墙和地板由于岩爆发生2019年9月21日。2019年11月,面板204提取加剧减压区,和微震的活动明显减少(如图11),这表明减压措施对岩爆风险产生重大影响。

调查的影响减压措施岩爆风险可视化和定量,减压措施和区204年小组分析了从2018年9月到2019年5月,和三个被动断层在2019年5月初进行。

大直径钻孔prerelief法是主要的压力。二次大水井或煤炭爆破钻孔将再次实现区间的主要水井如果风险没有有效地消除。大直径钻孔直径153毫米,深度25米,在间隔1米。煤矿爆破钻孔是42毫米直径10米的深度,在间隔5米,1.2米从地板上,并被指控犯有3公斤炸药,如图13。

如图14(一个),在2019年5月1日之前,区域0 - 255米和295米- 490米的脸线运输巷道一侧和0 m - 165 m和270 m - 320 m的脸线通风巷道一侧pressure-relieved大水井。进一步,区域125米- 285米的脸线运输巷道一侧pressure-relieved煤矿爆破。断层扫描结果4月30日、5月6日和2019年5月12日在图所示14。图14(a)说明pressure-relieved区域匹配和低破裂风险区域,除了前面的区域0 m - 200 m线运输巷道一侧。在接下来的六天,33岁和30大水井进行运输和通风巷道,分别。然后,相应的高爆发风险区域消除显然,如图14(b)。从5月7日到5月12日,47岁,30水井钻探在运输和通风巷道,分别。同样,相应的爆炸危险区域消除,尤其是通风巷道一侧的区域,如图14(c)。

一般来说,与生产、应力场调整;高压力和破裂风险区域转移接近罢工的脸线方向和运输或通风巷道方向倾斜。同时压力和破裂风险增加。然而,破裂风险区域通风巷道一侧,相反,正在远离线。破裂风险消除区域匹配pressure-relieved区域,这表明减压措施和通风巷道的强度可以有效降低破裂的风险。然而,高爆发的风险区域200年的前脸线运输巷道一侧不是大幅消除,这进一步证明了未来地震在2019年5月,如图6(a)。因此,更多的减压措施,如煤炭爆破或深预裂爆破在屋顶,应采用到风险是彻底消除。因此,有明显的减压措施对应力场的影响和破裂风险的面板中,可以考虑没有或弱爆炸危险区域密切的脸线在图6。之前和之后,此外,被动地震层析成象速度减压措施可以是新颖和有效的方法来评估减压效果。

5。结论

基于被动地震速度层析成像结果和岩爆风险评估标准,破裂的风险和范围的进化深确定长壁板,和减压措施破裂风险的影响进行了分析。主要结论如下:(1)地震波传播速度在岩石和煤质量是与应力水平正相关。地震波速度分布的岩石和煤质量可以用来评估岩爆风险深陷煤矿。,因此,岩爆风险评估准则与速度类比(2)被动断层扫描结果表明,由于构造应力,支承压力,和矿业布局,岩爆风险和一系列深面板首先增加,然后下降,到达峰值在1 #向斜轴区域小组撤退。高破裂风险区域倾斜的面板显示出明显的分区特征。当面板接近十字头、高破裂风险区域沿着十字头分发和进一步相交破裂区1 #向斜轴区域的风险(3)高破裂风险区域被被动地震层析成象速度也与钻探结果,岩爆记录,微弱的震动活动,和液压支架的工作阻力,这表明被动的实用性和准确性在深层煤矿断层岩爆风险(4)减压措施和矿业的布局面板对岩爆风险有明显的影响,可以评估被动地震速度层析成像。减压措施和强度在不同开采阶段应及时根据断层扫描结果进行了优化

数据可用性

数据和表用于支持本研究的结果都包含在这篇文章。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

我们感激地承认金融支持这项工作提供由中国国家自然科学基金(51934007,51874292)和中国博士后科学基金会(2019 m661991)。

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