煤矿突水井下全空间实时连续监测预警方法.pdf

本发明公开了一种煤矿突水井下全空间实时连续监测预警方法，包括如下步骤：（1）将一组微震检波器布置在煤矿井下采掘工作面或构造薄弱带附近，对监测区内一定时间段内所有的微震事件进行全空间实时连续监测；（2）对所有微震事件进行时间定位和空间定位；（3）根据步骤（2）中的空间剖面分布图，对水源层内微震事件密集分布区作潜伏期蓝色预警，将隔水层内微震事件密集分布区作发展期黄色预警，将采掘工作面附近微震事件密集分布区作突出期红色预警；本方法能够对水源层、隔水层、采掘层进行全方位实时连续监测及有效预警，从而实现突水时间、突水点位置、突水类型的实时判断，对减少和避免突水事故以及突水的快速治理具有重要意义。

1.  一种煤矿突水井下全空间实时连续监测预警方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）将一组微震检波器布置在煤矿井下采掘工作面或构造薄弱带附近，对监测区内一定时间段内所有的微震事件进行全空间实时连续监测；
（2）对所有微震事件进行时间定位和空间定位；分别绘制不同时段、不同层位微震事件平面分布图和微震事件空间剖面分布图；
（3）根据步骤（2）中的空间剖面分布图，对水源层内微震事件密集分布区作潜伏期蓝色预警，将隔水层内微震事件密集分布区作发展期黄色预警，将采掘工作面附近微震事件密集分布区作突出期红色预警。

2.   根据权利要求1所述的煤矿突水井下全空间实时连续监测预警方法，其特征在于所述步骤（2）的具体方法为：
（a）将监测区内所有微震事件分别按照空间和时间序列进行定位，空间上依次按照水源层、隔水层、采掘工作面顺序自下而上进行定位，时间上按照先后顺序进行定位；
（b）将所有微震事件划分为若干时间段，将每一时间段内微震事件按照不同岩层层位进行平面投影，得到每一时间段、每一层段内微震事件平面分布图；
（c）平行或垂直主要目标地质体的走向做垂向切面，投影步骤（b）中平面分布图中的相关微震事件，得到每一时间段的空间剖面分布图。

3.   根据权利要求1所述的煤矿突水井下全空间实时连续监测预警方法，其特征在于所述步骤（1）中微震检波器的布置方式包括全包围式和半包围式。

4.   根据权利要求1所述的煤矿突水井下全空间实时连续监测预警方法，其特征在于监测对象包括华北型煤田煤层下方隐伏陷落柱、断层、裂隙带等导水通道突水引发的采掘工作面下方奥灰含水层突水。

5.   根据权利要求1所述的煤矿突水井下全空间实时连续监测预警方法，其特征在于所述步骤（3）中进行突水监测预警的评判参数包括空间不同位置的微震事件分布的密度以及微震事件发生的频度。

6.   根据权利要求1所述的煤矿突水井下全空间实时连续监测预警方法，其特征在于所述步骤（3）中潜伏期监测预警周期为一周，发展期监测预警周期为1-2天，突出期监测预警周期为1-2小时。

7.   根据权利要求1所述的煤矿突水井下全空间实时连续监测预警方法，其特征在于所述步骤（3）中突出期监测预警的判断方法是，微震事件沿某一空间位置自下而上不断向上集中发生、不断接近采掘工作面为突水危险信号，判断为突出期红色预警。

煤矿突水井下全空间实时连续监测预警方法
技术领域
本发明涉及煤矿突水监测技术领域。
背景技术
煤矿突水监测预警，是关乎煤矿生产安全，预防和避免煤矿重特大突水事故的一项重要技术。
常规监测技术包括接触式和非接触式两类监测技术。接触式监测技术包括水压、水质、应力等监测分析技术，非接触式监测技术包括矿井电法等监测技术。
接触式监测技术只有在突水事故已发展到一定程度，地下水已接触到监测探头时，才能进行预警。很多情况下常因来不及采取措施，而造成突水淹井事故，因此，存在监测时效性差的问题；
非接触式监测技术，具有一定前瞻性，但无法进行连续监测，且监测范围较小，只能对预埋电极组下方一定深度范围内是否突水进行定期、不定期监测，最大监测距离不超过150-200m，连续性差、空间范围小。
微震监测技术是近年来发展起来的一种新的物探技术，通过在煤矿井下提前埋设的高灵敏度检波器监测、接收岩石破裂产生的微小震动信号，通过专门软件将这些信息解码为有效的微震信号，进而通过微震事件发生的时间、位置、频度、能量等分析。由于微震检波器具备“遥感”功能，可以捕捉到周围空间范围内（监测半径400-600m）微小的震动信号，因此，这种非接触式监测方法，具有监测范围大、全空间监测、时效性强等优点，可有效解决煤矿突水全空间、实时、连续监测、提前预警等问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种煤矿突水井下全空间实时连续监测预警方法，能够对水源层、隔水层、采掘层进行全方位实时连续监测及有效预警，从而实现突水时间、突水点位置、突水类型的实时判断，对减少和避免突水事故以及突水的快速治理，具有重要的现实意义。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
一种煤矿突水井下全空间实时连续监测预警方法，包括如下步骤：
（1）将一组微震检波器布置在煤矿井下采掘工作面或构造薄弱带附近，对监测区内一定时间段内所有的微震事件进行全空间实时连续监测；
（2）对所有微震事件进行时间定位和空间定位；分别绘制不同时段、不同层位微震事件平面分布图和微震事件空间剖面分布图；
（3）根据步骤（2）中的空间剖面分布图，对水源层内微震事件密集分布区作潜伏期蓝色预警，将隔水层内微震事件密集分布区作发展期黄色预警，将采掘工作面附近微震事件密集分布区作突出期红色预警。
进一步的技术方案，所述步骤（2）的具体方法为：
（a）将监测区内所有微震事件分别按照空间和时间序列进行定位，空间上依次按照水源层、隔水层、采掘工作面顺序自下而上进行定位，时间上按照先后顺序进行定位；
（b）将所有微震事件划分为若干时间段，将每一时间段内微震事件按照不同岩层层位进行平面投影，得到每一时间段每一层段内微震事件平面分布图；
（c）平行或垂直主要目标地质体的走向做垂向切面，投影步骤（b）中平面分布图中的相关微震事件，得到每一时间段的空间剖面分布图。
进一步的技术方案，所述步骤（1）中微震检波器的布置方式包括全包围式和半包围式。
进一步的技术方案，监测对象包括华北型煤田煤层下方隐伏陷落柱、断层、裂隙带等导水通道突水引发的采掘工作面下方奥灰含水层突水。
进一步的技术方案，所述步骤（3）中进行突水监测预警的评判参数包括空间不同位置的微震事件分布的密度以及微震事件发生的频度。
进一步的技术方案，所述步骤（3）中潜伏期监测预警周期为一周，发展期监测预警周期为1-2天，突出期监测预警周期为1-2小时。
进一步的技术方案，所述步骤（3）中突出期监测预警的判断方法是，微震事件沿某一空间位置自下而上不断向上集中发生、不断接近采掘工作面为突水危险信号，判断为突出期红色预警。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明能够对水源层、隔水层、采掘层进行全方位实时连续监测及有效预警，从而实现突水时间、突水点位置、突水类型的实时判断，对减少和避免突水事故以及突水的快速治理，具有重要的现实意义。可根据实际情况将微震检波器布置为全包围式或半包围式；能够对不同突水类型，如隐伏陷落柱、断层、裂隙带突水等进行判断；采用突水三级预警图进行突水判断，三级预警图既有空间性，又有时间性，能够监测不同时间段，不同层位的微震事件分布情况，从而实现突水时间、突水点位置、突水类型的实时判断；对微震事件进行实时连续监测，进一步提高检测结果的准确性，能够对突水事件进行及时有效的预警。
附图说明
图1是本发明微震检波器全包围式布置图；
图2是本发明井下检波器半包围式布置图；
图3是本发明煤矿突水机理图；
图4是本发明煤矿突水三级预警图；
图5是本发明陷落柱突水机理及微震事件分布图；
图6是本发明断层突水机理及微震事件分布图；
图7 是本发明裂隙带突水机理及微震事件分布图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
煤矿突水井下全空间实时连续监测预警方法，包括如下步骤：
（1）将一组微震检波器布置在煤矿井下采掘工作面或构造薄弱带附近，对监测区内一定时间段内所有的微震事件进行全空间实时连续监测。全空间指的是微震检波器的最大监测范围所构成的空间。
根据监测范围和现有巷道空间关系，将微震检波器布置分为两种模式：全包围式（如图1所示）和半包围式（如图2所示），两种模式均要求微震检波器尾端指向被监测区域。全包围式对内部空间监测精度高，向外部逐渐降低，适用于被监测区域外围存在可用巷道，现有微震检波器能够满足最小间距要求，且保证有一定的空间分布（主要表现为高程差异）。当不具备全包围式布置要求时，可利用采区轨道巷、皮带巷进行半包围式布置，所有微震检波器均布置在同一巷道，并根据监测区范围要求，进行同向式或相向式（底部指向两侧）布置微震检波器。
（2）对所有微震事件进行时间定位和空间定位；分别绘制不同时段、不同层位微震事件平面分布图和微震事件空间剖面分布图。具体步骤为：
（a）系统正常运行后，提取噪音文件，通过对现场噪音分析，确定干扰波类型，合理选择滤波器、调整滤波器参数，尽量压制、消除噪音以提高信噪比，获取高质量微震信号。将监测区内所有微震事件分别按照空间和时间序列进行定位，空间上依次按照水源层、隔水层、采掘工作面顺序自下而上进行定位，时间上按照先后顺序进行定位；
（b）将所有微震事件划分为若干时间段，将每一时间段内微震事件按照不同岩层层位进行平面投影，得到每一时间段每一层段内微震事件平面分布图；主要用于判定目标层位内部的事件走向，从宏观上了解事件的分布范围和展布。
（c）平行或垂直主要目标地质体的走向做垂向切面，投影步骤（b）中平面分布图中的相关微震事件，得到每一时间段的空间剖面分布图，进一步了解事件群体的空间发育形态及延伸发展方向。
（3）根据对煤矿突水机理的研究，煤矿突水必须具备三个条件——水源（含水层）、导水通道、溃水空间。微震事件发生的层位以及距采掘工作面的远近，决定了突水的危险性大小。因此，不同时期、不同阶段监测预警周期也不尽相同，根据步骤（2）中的空间剖面分布图中微震事件时空分布特点可对煤矿突水作三级预警：如图4所示，对水源层内微震事件密集分布区作潜伏期（地下水活跃期）蓝色预警，将隔水层内微震事件密集分布区作发展期（突水通道形成期）黄色预警，将采掘工作面附近微震事件密集分布区作突出期（突水发生期）红色预警。
（1）含水层内微震事件密集发生，预示着地下水径流状态及含水层岩体稳定性发生异常，地下水由自然状态下二维层流演变为三维紊流，含水层储水结构发生破坏，地下水正在发生向顶部隔水层运移的变化，为突水的初期阶段。这个阶段突水危险（威胁）相对较小，可做潜伏期蓝色预警，预警周期为一周（每周进行一次突水预警分析），微震事件密集分布区即为突水危险地段。
（2）隔水层内微震事件密集发育，尤其自下而上呈递进式密集发育时，预示着突水通道正在形成，突水危险正在一步一步加大，可做发展期黄色预警，周期为1-2天。根据微震事件空间展布位置及形态特征，可进一步确定突水通道位置及类型。
（3）微震事件沿某一空间位置自下而上集中发生，预示着高压地下水沿着某一岩层薄弱带不断向上运移，围岩产生劈裂、破碎、掉块、应力释放等，引发一系列微震事件发生，一旦地下水冲破隔水层与采掘工作面底板裂隙带（包括原生裂隙和采动裂隙）沟通，就会发生突水事故。因此，微震事件沿某一位置自下而上、自远而近递进式密集发生，不断接近采掘工作面，为突水危险信号。可做突出期红色预警，预警周期1-2小时。
突水通道主要包括陷落柱、断层、裂隙带等。导水陷落柱一般呈近似圆柱体状铅直方向发育（图5），且向含水层深部延伸较远，属于“有根式”通道；导水断层则呈倾斜板状展布（图6），沿走向方向延伸较远；导水裂隙带空间上呈不规则状展布（图7），向含水层深部延伸较小。
根据上述三级预警结果，煤矿企业应及时采取有针对性的措施，提前进行预防和治理，尽量避免突水事故的发生，确保生产安全，将损失降到最低。
本方法能够对煤矿底板突水时间、突水点位置、突水类型进行全空间实时连续监测预警，对减少和避免突水事故以及突水的快速治理，具有重要的现实意义。
本方法将监测控制范围内空间不同位置微震事件分布的密度和发生的频度作为突水监测预警的两个主要参数。密度指示最可能发生突水的突水通道及突水点位置，频度则指示地下水变化的剧烈程度和可能发生突水的时间。
本监测方法主要针对华北煤田煤层下方隐伏陷落柱、断层、裂隙带等导水通道引发的采掘工作面下方奥灰含水层突水（如图3所示）的监测预警。