沖擊破壞過程中微震活動規(guī)律研究

沖擊破壞過程中微震活動規(guī)律研究

1微震作用監(jiān)測分析結(jié)果表明，頂板結(jié)構(gòu)，尤其是煤層上方的硬質(zhì)和厚砂巖，是影響影響礦山壓力的主要因素之一。主要原因是，堅硬厚砂巖的頂板容易聚集大量彈性能。在中國，影響巖石壓力嚴(yán)重的地區(qū)經(jīng)常使用硬屋頂結(jié)構(gòu)。例如，大同礦區(qū)以其堅硬的板塊結(jié)構(gòu)和堅硬的煤層的“兩種情況”而聞名。其中，隨州耀峰煤礦8929個工作面的舊頂部為中厚砂巖，單軸抗壓強度超過150mpa，總厚度平均為18.1m。在開采過程中，該工作面多次受到影響。新樊華峰煤礦4號有一層厚厚的500米厚的硬質(zhì)砂礫巖，單軸抗壓強度為137.5米。4級地層開采過程中曾多次受到影響?；幢钡V業(yè)集團海孜煤礦的厚土巖為117.136m，單軸抗壓強度為102.3.161.9mpa。巖芯的動態(tài)脈沖失真導(dǎo)致了多起強震流。微震技術(shù)作為監(jiān)測預(yù)報礦井煤巖動力災(zāi)害的一種區(qū)域性的監(jiān)測手段,具有譜成分豐富、頻帶較寬的特性,能夠?qū)崟r監(jiān)測采場圍巖空間破裂形態(tài)、頂板活動以及沖擊礦壓等釋放的能量,并對震動事件進行準(zhǔn)確定位.利用微震監(jiān)測系統(tǒng)對堅硬頂板巖層的活動狀態(tài),特別是誘發(fā)煤體沖擊破壞的微震前兆效應(yīng)進行研究能夠有效地診斷沖擊礦壓的危險程度以及檢驗治理的效果.目前國內(nèi)外對堅硬頂板破斷的微震效應(yīng)已經(jīng)進行了大量的研究.如姜福興等研究結(jié)果表明,微地震定位監(jiān)測技術(shù)能夠準(zhǔn)確定位煤層上覆頂板的破斷位置及其方式,在空間上展示了頂板、底板、煤體的破裂形態(tài)及其與應(yīng)力場分布的關(guān)系.成云海等采用微地震定位監(jiān)測技術(shù),對華豐煤礦開采三面采空工作面(沖擊地壓解放層)的巖層運動進行了巖體三維空間的破裂成像描述,證實了三面采空孤島工作面老頂上方形成C型的空間結(jié)構(gòu).Shen等研究了澳大利亞某長壁工作面頂板垮落時位移、應(yīng)力以及微震監(jiān)測結(jié)果,發(fā)現(xiàn)微震信息較位移、應(yīng)力更能揭示頂板垮落的過程,并研究了頂板垮落時的微震前兆信息.Brady等研究了硬巖礦井沖擊礦壓前兆的微震事件,并分析了煤礦頂板垮落的數(shù)個微震事件,發(fā)現(xiàn)微震一開始首先增加,當(dāng)頂板巖層破斷之前,微震產(chǎn)生突降.Frid等在澳大利亞Moonee煤礦利用電磁輻射以及微聲發(fā)射監(jiān)測頂板的垮落過程時,發(fā)現(xiàn)頂板垮落前超過1h監(jiān)測到異常高頻的電磁輻射信號,較低頻微聲發(fā)射信號提供了明顯的時間優(yōu)勢.LurkaA利用層析成像技術(shù)研究了波蘭ZabrzeBielszowice礦區(qū)306長壁工作面頂板破斷的沖擊礦壓危險性以及危險區(qū)域,發(fā)現(xiàn)P波波速與區(qū)域的礦震危險性呈正相關(guān).綜上所述,國內(nèi)外對于頂板破斷的微震定位、破斷方式及其與區(qū)域應(yīng)力場之間的耦合關(guān)系、破斷前后的微震效應(yīng)等進行了研究.但對堅硬頂板誘發(fā)煤體沖擊破壞的微震前兆效應(yīng)缺乏深入的研究.本文利用TDS-6微震系統(tǒng)測試了忻州窯煤礦組合煤巖試樣變形破裂直至沖擊破壞過程中的微震效應(yīng).采用SOS微震監(jiān)測系統(tǒng)研究了忻州窯煤礦8929工作面堅硬頂板誘發(fā)煤體沖擊的微震活動規(guī)律,揭示了堅硬頂板型沖擊礦壓的微震前兆效應(yīng).2聯(lián)合煤樣的影響和破壞試驗2.1近50mm100mm試樣的試樣從忻州窯煤礦8929工作面采集煤巖樣,遵照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)將煤巖塊加工成直徑為50mm的試樣,鋸成高20、30、35、70mm的圓柱體,并將兩端磨平.按不同的高度比以及“頂板-煤層-底板”的組合形式,粘合成近50mm×100mm的試樣.圖1所示為組合試樣的實物照片,表1所示為組合試樣中各亞層的高度之比.2.2試驗裝置和加載方式.試驗過程基本加載加載裝置采用高精度能控制加載速度的SANS材料試驗機(見圖2),用于進行組合試樣加載和應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)糖€的測定.試驗采用循環(huán)方式進行加載,首先以0.5kN/s的速度加載到試樣單軸抗壓強度的70%左右,然后開始卸載,一直卸載到1.0kN左右,最后再次加載直至試樣沖擊破壞.微震信號由中國礦業(yè)大學(xué)與國家地震局地球物理研究所共同研制的TDS-6微震系統(tǒng)進行采集,系統(tǒng)由6個采集分站和1個中心主站組成,可完成對微震信號的采集、記錄和分析.2.3事件數(shù)據(jù)的采集系統(tǒng)選擇頻段1～100Hz,設(shè)定STA/LTA=1.2.掃描時間設(shè)定為1s.設(shè)置最大采樣電壓值為5000mV.記錄方式采用觸發(fā)記錄,分站的采集數(shù)據(jù)大于設(shè)定觸發(fā)閾值時開始記錄,從事件開始前10s記錄,事件結(jié)束后30s停止記錄.2.4小尺度高頻特性分析圖3所示為組合煤巖試樣沖擊破壞過程中采集的微震信號振幅-時間曲線.因篇幅限制,文中只給出其中具有代表性的部分試樣1個分站的采集結(jié)果.首先利用帶阻濾波器對原始信號進行除噪.根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測不同類型微震信號的頻譜范圍,考慮實驗試樣的小尺度高頻特性,選擇前兆、主震、余震信號分析時窗為0～500Hz.通過時-頻分析,得到組合煤巖試樣沖擊破壞過程中微震信號的頻譜分布.圖4、5所示分別為RCF1與RCF4試樣沖擊破壞過程中微震信號的頻譜.由圖3可知,試樣沖擊破壞之前存在明顯的前兆信號.從頻譜分布來看,前兆信號的頻率較低,其中RCF1試樣前兆信號的主頻為0～50Hz,RCF4前兆信號的主頻為50～100Hz.依據(jù)前兆與主震信號間隔的時間,說明隨著載荷的增加,試樣內(nèi)部微裂紋擴展、匯合,微震信號的主頻逐漸向低頻段移動.而主震信號的頻譜分布較廣,但低頻(0～50Hz)的成份顯著增加,主要由于宏觀破裂的產(chǎn)生.沖擊破壞之后,由于煤巖試樣的內(nèi)部重新萌生了大量的微裂紋,故余震信號的頻譜又開始呈現(xiàn)高頻特性.3硬屋頂對礦壓的輕微振動影響3.1沖擊礦壓監(jiān)測系統(tǒng)的建立大同煤礦集團忻州窯煤礦8929綜放工作面走向長度1504m,傾斜長度120m.煤層厚度為5.4～10.1m,平均7.0m.傾角平均3°,大致呈一單斜構(gòu)造,分布為南部較厚,向北部逐漸變薄.該工作面與相鄰的8927工作面之間的區(qū)段煤柱寬度為20m,造成了煤柱區(qū)的應(yīng)力集中,尤其是8929工作面的軌道順槽.煤層經(jīng)沖擊傾向性鑒定屬強沖擊危險.直接頂為粉細(xì)砂巖,厚度為3.26～26.81m,老頂為中粗砂巖,厚度為8.51～27.73m.該工作面曾發(fā)生過沖擊礦壓,主要由于堅硬頂板的活動誘發(fā)了高應(yīng)力集中的區(qū)段煤柱發(fā)生沖擊破壞.表2所示為8929工作面煤層及頂?shù)装迩闆r.為了實時監(jiān)測整個礦區(qū)特別是8929工作面沖擊礦壓的危險性,2008年5月引進并安裝了波蘭SOS微震監(jiān)測系統(tǒng),該系統(tǒng)主要由實時監(jiān)測的記錄儀、分析儀、微震探頭和數(shù)字傳輸系統(tǒng)等組成,微震探頭本身具有信號除噪功能.6月初正式投入運行.在井下共布置了15個探頭,在地面布置了1個探頭.3.2最高能量微震信號的主軸圖6所示為8929工作面2008年6月11日至7月31日期間微震頻次及總能量與每日監(jiān)測到最大能量的微震信號主頻之間的關(guān)系曲線.圖中,當(dāng)微震信號頻次與總能量增加時,信號的主頻則呈降低的趨勢.特別當(dāng)工作面頂板活動以及誘發(fā)沖擊礦壓時,信號的最大有效主頻達到最低值.從三者的趨勢線可知,微震信號的頻次、總能量與主頻之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系.因此,可以利用最高能量微震信號的主頻預(yù)測沖擊礦壓的危險性.(2)沖擊礦壓重采過程微震信號分析忻州窯煤礦8929工作面2008年7月12日和17日分別發(fā)生了沖擊礦壓,給礦井的安全生產(chǎn)造成了一定的影響.兩次沖擊礦壓具體情況如下:1.2008年7月12日凌晨3:00～4:00,8929工作面5929巷超前支護30m范圍發(fā)生沖擊礦壓,巷道拋出煤量約50t,兩幫炸幫嚴(yán)重處約為2～3m,沖擊推倒單體支柱多達20根,其中3根變形扭曲,工字鋼棚受沖擊變形20余架,木背板大部分折斷.2.2008年7月17日早班9:00左右,8929工作面5929巷超前支護約25m范圍發(fā)生沖擊礦壓,兩幫炸幫較嚴(yán)重處約為1.5m,沖擊使10多根單體支柱發(fā)生傾斜,造成1根單體支柱折斷,2根單體支柱彎曲.經(jīng)微震監(jiān)測系統(tǒng)的定位和能量計算,7月12日和17日的沖擊震動能量分別達到2.5×107J、2.0×107J,遠遠超過沖擊礦壓發(fā)生的能量極限.圖7所示為兩次沖擊礦壓發(fā)生時距震源中心最近通道采集的微震完全波形圖.圖8所示為7月12日沖擊礦壓發(fā)生前后微震監(jiān)測系統(tǒng)2#通道采集的微震信號頻譜分布曲線.圖9所示為7月17日沖擊礦壓發(fā)生前后微震監(jiān)測系統(tǒng)2#通道采集的微震信號頻譜分布曲線.由圖7可知,沖擊礦壓前兆微震信號的頻譜主要分布在0～50Hz,且振動速度較低.說明8929工作面煤巖層內(nèi)部的微破裂逐漸匯合、貫通直至形成了宏觀主破裂.當(dāng)堅硬頂板破斷誘發(fā)煤體沖擊破壞時,主震信號頻譜較寬,其中低頻(0～20Hz)成份顯著增加,同時振幅達到極值.沖擊礦壓發(fā)生后,由于煤巖層內(nèi)部重新萌生了大量的微裂紋以及煤體產(chǎn)生強烈的振動卸壓,導(dǎo)致微震信號頻譜的高頻成份增加,主頻分布在0～200Hz,且振動速度較低.對比軟弱頂板而言,堅硬頂板的破斷主要表現(xiàn)為脆性斷裂,破斷之前能量總體處于不斷積聚階段,表現(xiàn)為微震信號較弱,且主頻較高.破斷時,能量迅速釋放,信號強度達到極值,主頻最低.破斷之后,微震信號振幅產(chǎn)生突降,主頻開始向高頻移動.因此,微震信號的頻譜演變可以評價頂板破斷誘發(fā)沖擊礦壓的危險性.4沖擊微震信號特性(1)煤巖試樣沖擊破壞存在明顯的前兆,且呈現(xiàn)低頻特征.隨著與主震間隔的時間越短,信號主頻越低.主震信號頻譜較寬,但低頻(0～50Hz)成份明顯增多.沖擊余震信號呈現(xiàn)