矿山动力灾害前兆规律及微震监测分析技术研究

矿山动力灾害前兆规律及微震监测分析技术研究
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矿山动力灾害前兆规律及微震监测分析技术研究
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摘要:矿山动力灾害包括矿山开采与地下工程活动诱发的冲击地压、煤与瓦斯突出、突水等, 是国内外矿山特别是煤矿开采过程中常见的工程诱发灾害。

作者认为, 不管是非煤矿山的矿山动力灾害、冲击地压、矿震等灾害问题, 还是煤矿的煤与瓦斯突出或突水问题, 都是矿山开采过程中的应力场扰动所诱发的微破裂萌生、发展、贯通等岩石破裂过程失稳的结果。

微破裂前兆是冲击地压、突水、煤与瓦斯突出等矿山动力灾害的共性特征。

对于矿山动力灾害的监测预报而言, 在原有瓦斯、水信息监测的基础上, 更应从寻找诱发矿山动力灾害的本质机理和微破裂前兆规律入手, 开展矿山动力灾害分析预报方法的研究。

基于上述学术思想, 作者突破以瓦斯、水等表象信息监测为依据进行矿山动力灾害预报的传统思路, 提出从开采应力扰动诱发微破裂导致地质环境劣化的动力灾害本质出发, 以微震监测和大规模科学计算技术为手段, 以灾害孕育的内在动因和前兆规律研究为核心, 以矿山动力灾害的实时预报为目标, 为我国矿山日常安全管理提供一种有效的手段。

1.引言
矿山动力灾害包括矿山开采与地下工程活动中诱发的冲击地压、煤与瓦斯突出、突水等矿山灾害, 是国内外矿山特别是煤矿开采过程中常见的工程诱发灾害。

煤矿动力灾害是我国矿山动力灾害中最主要的部分。

我国井工煤矿占95%, 平均井深在400m以上。

与世界主要产煤国相比, 我国煤矿地质构造复杂, 矿井事故多发, 平均百万吨死亡率在6左右, 是美国的145倍, 年死亡人数6000人左右, 是全球其他产煤国家死亡人数总和的3倍。

与同属发展中国家的邻国印度(百万吨死亡率0.42)相比, 我国煤矿百万吨死亡率仍高出13倍。

近年来, 虽然关闭了数万个乡镇煤矿, 但我国煤矿伤亡事故严重的局面仍然没有得到有效控制。

矿井因采动引起的煤与瓦斯突出、突水、冲击地压冒顶等事故仍然频繁发生, 死亡超过10人的重大瓦斯爆炸和透水事故在地方煤矿和部分国有重点煤矿中频繁发生。

尤其近几年国有煤矿在装备投入不足的(特别是安全检测和决策手段短缺)情况下盲目扩大生产, 发生了几十起伤亡数十人到数百人的重大恶性事故。

仅自2021年10月以来, 中国已先后有郑煤集团大平煤矿、铜川陈家山煤矿、阜新孙家湾煤矿、黑龙江七台河煤矿等四家大型国有煤炭企业相继发生特大瓦斯爆炸事故, 每次事故死亡人数都在百人以上；2021年8月广东省梅州市大兴煤矿发生突水事故, 死亡123人。

2021年我国矿难发生的一个重要
特点:南部地下突水, 北部瓦斯爆炸。

国有大中型煤矿发生动力灾害事故所占的比重明显加大, “大矿大难”已显现为一种趋势, 其他非煤矿山动力灾害事故也有日益严重的趋势。

随着我国人口的持续增长, 国民经济的高速发展, 人们对矿产资源的需求量也日益增加, 复杂难采和深部开采诱发的安全问题日益突出, 岩爆、煤与瓦斯突出、滑坡等重大的工程地质灾害和事故隐患严重, 严重制约着矿产资源合理的开发与利用。

多年来尽管我国已经开展了大量的矿山动力灾害机理和防治技术的研究, 但目前我国矿山安全生产形势依然严峻, 如果短期内不能在矿山动力灾害机理、预测预报和控制方面有所突破, 势必成为制约矿山(特别是煤矿)发展乃至我国国民经济可持续发展的瓶颈。

这种趋势和现状, 已
经引起党中央和国务院的高度重视。

国务院总理温家宝2021年在阜新孙家弯“2．14”矿难后(2021年2月23日)主持召开国务院常务会议上, 研究部署加强煤矿安全生产工作, 痛下决心, 标本兼治, 采取七项措施开展瓦斯集中整治, 坚决防范煤矿重特大事故的发
生。

其中主要有三项技术措施:
(1)对瓦斯灾害严重和存在重大隐患的煤矿逐个进行安全评估, 帮助制定具体的防范措施；
(2)推广数字化瓦斯远程监控系统, 高瓦斯和高突出矿井一律建立瓦斯抽放和监测系统；
(3)加快煤与瓦斯突出机理及预测预报科研攻关。

作者通过对目前矿山动力灾害监测预报中存在问题的分析, 基于微破裂是冲击地压、突水、煤与瓦斯突出等矿山动力灾害共性特征的基本认识, 突破以瓦斯、水等表象信息监测为依据进行矿山动力灾害预报的传统思路, 提出从开采应力扰动诱发微破裂导致地质环境劣化的动力灾害本质出发, 以微震监测和大规模科学计算技术为手段, 以探索灾害孕育的内在动因和前兆规律为核心, 以矿山动力灾害的实时预报为目标, 从理论上总结分析煤与瓦斯突出、冲击地压、突水等矿山动力灾害机理, 揭示矿山动力灾害孕育的内在动因和前兆规律, 构建矿山动力灾害预测预报的理论体系, 为建立具有可操作性的矿山动力灾害分析预报方法奠定科学基础。

2.存在的问题
2.1传统的矿山动力灾害预报方法以瓦斯、水等表观信息为监测对象, 需要加强矿山动力灾害微破裂前兆规律的研究。

矿山动力灾害的研究表明, 不管是非煤矿山的矿山动力灾
害、冲击地压、矿震等灾害问题, 还是煤矿的煤与瓦斯突出(或涌出)和煤矿底板突水等问题, 都是与矿山开采过程中的应力场扰动所诱发的微破裂萌生、发展、贯通等岩石破裂过程失稳的结果。

即使是不伴随煤层突出的瓦斯爆炸事故, 也多是因为含瓦斯煤层中因应力场的变化诱发了大量微裂纹的萌生或贯通所造成的。

煤层中微裂纹的大量萌生造成大量瓦斯的析出, 而大量微裂纹的贯通则导致大量瓦斯的溢出, 直至诱发瓦斯事故, 或煤与瓦斯突出, 或瓦斯爆炸等。

因此, 不管是哪种矿山动力灾害, 在多数情况下, 在动力灾害出现之前, 都有微破裂(微震活动)前兆。

而诱发微破裂活动(微震活动)的直接原因则是岩层或煤层中应力或应变增加的结果。

特别是煤矿瓦斯灾害事故的预测, 除了不能仅走只关注瓦斯浓度监测的老路, 更不能就瓦斯灾害问题而单一地监测瓦斯浓度和压力, 必须寻找诱发瓦斯突出的本质机理和前兆规律, 加强开采诱发高应力扰动的微震活动性规律研究。

2.2微震监测技术已成为国外矿山安全管理的有机组成部分,我国矿山缺乏高素质微震分析人才
在国外, 微震监测技术的发展已使矿山微破裂的监测从“难以实现的奢望”转变为采矿安全管理的一个有机组成部分。

如南非、美国、加拿大、俄罗斯和澳大利亚等国的深井矿山。

由于微震监测系统监测范围可大可小, 且具有较高的定位精度, 已成为矿山开采诱发动力灾害监测的主要技术手段。

利用微震监测系统, 在发生微震活动
的矿内布设传感器, 探测微破裂所发射出的地震波, 确定发生地震波的位置, 还可以给出地震活动性的强弱和频率, 通过微震监测获得的微破裂分布位置, 判断潜在的矿山动力灾害活动规律, 通过识别矿山动力灾害活动规律实现预警。

在我国, 早在1959年, 北京门头沟矿曾用当时的中科院地球物理所研制的581微震仪(哈林地震仪改装), 监测冲击地压活动；20世纪70年代, 国内开始以耳机收听或录音机记录岩石声发射频度的便携式地音仪, 长沙矿山研究院开发了DYF-1、DYF-2型便携式智能地音
分析仪及STL-1、STL-12型多通道声发射监测系统, 用于微震监测；华丰煤矿在1995年与中国地球物理学会合作设计安装了微震监测系统, 通过十年来的连续监测, 积累了大量的数据资料。

1984年后, 门头沟、房山、陶庄、北票、龙凤等煤矿曾陆续引进波兰地音-微震监测定位系统(SAK-SYLOK), 但操作条件困难, 均没有坚持连续监测, 绝大多数矿山的矿震是由区域地震监测台网观测而得
到观测资料很难用于研究矿震的空间域规律。

凡口铅锌矿从加拿大引进我国井下微震监测系统, 但目前该系统没有完全取得应有的作用；山东科技大学与澳大利亚联邦科学院联合, 就煤矿灾害的预测及防治工作进行科技攻关, 设计了井下微震定位监测系统, 用于实时监测岩体破裂及灾变过程。

尽管我国一些矿山已经采用了微震监测技术, 但由于现场缺乏高素质的微震信息处理和分析人员, 未能形成完整的监测分析和预报思路。

因此, 目前微震技术在我国的应用缺乏成功的示例。

由于冲击地压、煤(岩)与瓦斯突出和突水等动力灾害现象的机理尚未弄清楚, 因此, 面对先进监测系统得到的繁多的监测数据, 如何充分利用和开发这些第一手资料并进行合理的解释, 从中得到可以预测未来煤矿瓦斯突出、突水等动力活动的信息, 则是冲击地压、煤与瓦斯突出和突水等动力灾害预警技术工作中的难点。

2.3传统矿山动力灾害理论缺乏对“孕育过程”时空演化规律的认识, 难以掌握灾害预报所必需的“前兆特征”
传统的冲击地压、煤与瓦斯突出和突水等矿山动力灾害的研究大都只是关注瓦斯压力、浓度、水位等表观信息的变化, 而从本质上说, 冲击地压、煤与瓦斯突出和突水等矿山动力灾害是一个非平衡条件下, 由渐进破坏诱发突变的非线性失稳过程。

因此, 为了准确预报矿山动力灾害的研究, 就必须研究灾害孕育过程中微破裂的时空演化及其前兆特征。

针对深部岩体破坏、失稳机制的复杂性, 紧紧抓
住岩石变形和破裂“过程”这个涉及失稳问题的本质, 从岩石的”非均匀性和非连续性”两个关键特征入手, 在充分考虑岩石介质力学性质、环境因素和开采过程时空演化过程复杂性的基础上, 从探索动力灾害孕育的内在动因和微破裂演化入手, 建立这些岩石破裂过程失稳机理、成因、特征的描述方法, 揭示采动应力场与微震活动性之间的时空内在联系和前兆规律, 为建立具有可操作性的矿山动力灾害分析预报方法奠定科学基础。

3.在本领域取得突破的机遇
3.1国家高度重视矿山安全工作, 为矿山动力灾害机理和预报方法研究提供了良机
近十多年来, 以冲击地压、煤与瓦斯突出、突水为主的矿山动力灾害已成为我国工业安全领域的主要灾害, 已成为制约我国煤炭产业健康发展的关键因素, 国家领导人及全社会都对此给予了高度关注, 为本项目研究提供了足够的动力。

国民经济的快速发展, 对煤炭能源的需求激增, 行业经济形势看好, 如果不能有效控制矿山动力灾害, 煤炭能源的供给将难以保证。

研究矿产资源开采过程诱发动力灾害的前兆规律及其监测预报的关键科学问题, 建立并完善矿山动力灾害预测预报基础理论和方法, 是保障我国能源安全和实现十六大提出的”高度重视安全生产、保护国家财产和人民生命安全”国家战略目标的重大需求, 也是全面建设小康和谐社会的必要条件。

3.2现代非线性科学、破坏力学、计算力学、信息科学的结
合为矿山动力灾害机理的研究奠定了坚实基础
矿山动力灾害是具有强非均匀性、强非连续性、强非线性的复杂工程地质介质在水、气、热、化学等多场耦合作用下的损伤演化和渐进破裂诱发灾变的过程, 开展矿山动力灾害机理和监测预报分
析方法的研究, 涉及非线性科学、破坏力学、计算力学、信息科学等现代系统科学知识。

近年来, 现代系统科学包括突变理论、分形理论、协同学、局部化理论、细观力学方法等的发展, 为矿山动力灾害孕育机制的研究奠定了坚实的理论基础。

3.3微震监测技术、网络传输技术、大规模并行计算技术的发展为矿山动力灾害分析预报方法的研究提供了技术保障
实现矿山动力灾害预测的可能性首先是得益于微震(声发射)监测技术的出现。

在国外, 它已使矿山微破裂发展的监测从“难以实现的奢望”转变为采矿过程的一个有机组成部分, 成为矿山开采诱发动力灾害监测的主要技术手段。

实现矿山动力灾害预测的可能性的另一个
重要因素则是矿山整体结构应力场分析的大规模科学计算技术的发展。

大规模数值计算技术在国民经济建设中的作用, 已普遍地为人们所共识。

从传统科学与工程领域如航空航天、地震预报、天气与气候预测、大型水利建设和石油地质勘探, 到大型基因组测试、新药设计和新材料合成等新兴科学研究领域, 无处不需要大规模数值试验和科学计算。

由于矿山动力灾害问题所涉及的因素多且复杂、规模巨大, 仅仅依靠现有的数值计算方法和分析工具, 很难开展高水平的分析预报工作。

随着我国矿山动力灾害事故的日益严峻, 在矿山动力灾害分析预报中, 与现场微震监测紧密结合, 运用大规模科学计算技术来分析复杂应力场的分布, 实现矿山动力灾害诱发机理及其分析预测预报, 无疑将是一条有效的途径。

4.基于微震监测与应力计算技术的矿山动力灾害分析预报系统
4.1基本思路
基于微破裂是冲击地压、突水、煤与瓦斯突出等矿山动力灾害共性特征的基本认识, 从探索动力灾害孕育的内在动因和前兆规律入手, 通过微震监测和应力场分析大规律科学计算, 揭示采动应力场与微震活动性之间的时空内在联系, 发展微破裂过程中的多场耦合分析理论, 突破传统数值计算方法在非均匀、非连续介质破裂过程分析中的局限性, 建立基于细观统计损伤力学原理的煤岩破裂及矿山动力灾害数值分析的新方法, 为建立具有可操作性的矿山动力灾
害分析预报方法奠定科学基础。

4.2技术途径
基于“开采扰动应力场诱发微震活动性是矿山动力灾害前兆共性本质特征”这一学术思路, 围绕矿山动力灾害孕育的“地质背景、演化机理、仿真预报方法”三个关键科学问题, 依托示范工程, 采用地质构造逐级控制理论、地球物理学理论、多物理过程耦合力学理论、大规模并行计算科学等理论和现代测量技术、信息技术和控制技术手段, 在深层次上对采动过程高应力区逐级地质构造背景特征、灾害微震活动前兆信息和大规模多场耦合数值仿真结果进行综合反演, 揭
示预报矿山动力灾害前兆规律, 为建立矿山动力灾害预测模型和预
报系统奠定理论基础。

具体的技术途径如下:
(1)矿山动力灾害构造背景控制特征:运用板块和区域构造理论, 通过构造演化分析, 结合先进的探测技术手段, 查明深部含瓦斯煤体、含水岩体应力应变特征、分布规律和煤与瓦斯突出、矿井突水前兆控制因素。

从而达到有目的设立微震监测网, 为实现矿山动力灾害中、长期预报奠定基础。

(2)矿山动力灾害微震活动前兆规律和失稳模式:提出开采诱发煤岩体渐进破裂诱发失稳的突变模型, 探讨原岩及其扰动条件下
背景应力场积累、释放、转移的基本规律, 建立背景应力场演化与微震活动性的关系, 揭示矿山动力灾害孕育过程中的微震活动时空演
化规律, 探寻岩爆、煤与瓦斯突出、突水等矿山动力灾害的微震前兆
信息和失稳模式, 为建立短临和临震预报模型提供理论依据。

(3)矿山动力灾害监测预报示范基地:依托实例工程, 建立微震监测试验基地, 形成矿山微震数据采集系统, 并通过网络技术将现场数据向数据处理中心进行实时远距离传送, 实现对煤矿井工作面微震活动进行24小时连续监测, 获取大量的微震活动性时空分布数字化记录, 并实现将微震监测的结果(输出)作为修正模型的原始数据(输入), 使分析模型能够依据现场变化动态调整, 实现分析预报系统的初步运转, 为在我国实施矿山动力灾害
分析预报提供理论、技术支持和示范作用。

5.结论
作者根据目前我国矿山微震技术应用落后的实际, 提出了将微震的监测工作与分析预报工作分离, 由现场和具有实力的研究机构分别实施, 认为这是符合我国国情的矿山动力灾害监测、分析、预报新思路。

建议在科研实力雄厚的高等院校、研究机构或矿务局, 建立我国矿山动力灾害分析预报研究平台和示范基地, 形成辐射区
域内各大矿区的矿山动力灾害分析预报系统, 运用网络技术, 将现场获得的微震活动性信息实时传递到矿山动力灾害分析预报中心, 在实测微震活动性信息基础上, 通过背景应力场分析, 获得预报矿山动力灾害可能性的应力场分布信息, 长期不间断地向入网矿山发布动力灾害危险性的预警报告, 实现对入网矿山动力灾害的实时监测、即时分析和及时通报(象天气预报一样), 为矿山安全生产提供更加科学的技术保障, 为全国矿山动力灾害分析预报工作发挥示范作用。

与此同时, 运用示范基地和研究平台进行长期的、系统的矿山动力灾害分析预报方法的研究工作, 在我国形成边研究、边应用的矿山动力灾害分析、预报和研究机制。