基于微震監(jiān)測數(shù)據(jù)的三維剖切方法及其在瓦斯抽采鉆孔空間布置中的應用

楊宏偉,王海東, 王俊紅, 高 宏, 錢志良, 韓 兵

(1. 華北科技學院 礦山安全學院,北京 東燕郊 065201；2. 晉能控股煤業(yè)集團成莊礦，山西 晉城 048000；3. 中煤科工集團沈陽院有限公司,遼寧 沈陽 110012)

0 引言

目前，微震監(jiān)測技術(shù)在預測煤與瓦斯突出、預測沖擊地壓、小煤柱的留設、導水裂隙帶的發(fā)育程度、煤巖體三維破裂監(jiān)測、露天礦邊坡滑移等煤礦方面得到了廣泛應用[1-2]。但是，面對海量的微震數(shù)據(jù)，如何對數(shù)據(jù)進行處理和解釋是科研人員和煤礦工作人員當前的最大挑戰(zhàn)。微震設備能夠監(jiān)測到巖體破裂的三維數(shù)據(jù)以及災害發(fā)生的前兆信息，需要業(yè)內(nèi)專家去分析。但是煤礦現(xiàn)場缺乏這方面的專業(yè)技術(shù)人才，導致微震監(jiān)測難以發(fā)揮出應有的作用，因此，如何顯示海量數(shù)據(jù)，使之更加能讓煤礦現(xiàn)場工作人員一目了然，是當前急需解決的問題，在這方面一些國內(nèi)外專家學者進行了一些工作。姜福興等[3-7]利用自研的微震設備把微震監(jiān)測技術(shù)在煤礦當中進行了廣泛的應用，揭示了覆巖空間裂隙場的演化過程，在微震數(shù)據(jù)的平面展示、剖面展示、按區(qū)域范圍展示、按時間范圍顯示、按能量范圍展示、巖層范圍等方面做了深入的研究。楊宏偉等[8]利用visual studio 平臺對AutoCAD進行二次開發(fā)，對微震數(shù)據(jù)進行了三維展示。孟祥軍[9]利用微震對覆巖“三帶”進行監(jiān)測，并將監(jiān)測結(jié)果應用到瓦斯抽采鉆孔的優(yōu)化當中。秦貴成[10]等利用微震監(jiān)測技術(shù)對鉆孔鉆進擾動范圍進行了深入的研究。

本文利用自行開發(fā)的程序?qū)δ郴夭晒ぷ髅娓矌r空間微震監(jiān)測數(shù)據(jù)進行三維立體剖切，顯示在不同的開采時間和不同的開采位置的三維破裂場的演化特征，并根據(jù)微震監(jiān)測數(shù)據(jù)時空間特征，對瓦斯抽采高低位長短鉆孔空間位置進行了優(yōu)化，提高了抽采效果。

1 微震監(jiān)測數(shù)據(jù)定位及顯示方法

根據(jù)文獻1-5所采用的定位方法，對任意一個檢波器，都有如下關(guān)系式:

(1)

式中，xi，yi，zi，ti為微震檢波器的空間坐標(m)和微震信號初始到時點(ms)，x，y，z，t為微震震源的空間坐標和微震發(fā)生的時間。取其中的四個方程組成一個方程組即可求出震源的空間位置及其發(fā)生時間。

圖1 微震定位示意圖

圖1中A、B、C、D為檢波器，E為微震震源，t為破裂發(fā)生的時間，t1、t2、t3、t4分別為微震波經(jīng)過巖層到達各檢波器的時間，V為微震波在巖石中的傳播速度。取微震震源與檢波器的走時關(guān)系中的四個組成一個方程組如下：

(2)

將方程組變形為可用牛頓迭代法求解的形式為：

(3)

由方程組可以看出，錄入檢波器的空間坐標和微震波的時間，就可以解出微震源的空間坐標和發(fā)生的時間。其中，坐標值可以預先測到，微震波的到時記錄在軟件當中。由牛頓迭代程序求得。有效數(shù)據(jù)為4個時，解一個震源坐標,有效數(shù)據(jù)為5個時，先對到時按從小到大排序，然后任意組合，解5個震源坐標；有效數(shù)據(jù)多于5個時，按到時從小到大排序(多于10個時，取前10個)，按4-4組合生成方程組。將數(shù)據(jù)導入到軟件當中，可得到巖體破裂的微震定位結(jié)果。

目前，微震數(shù)據(jù)的定位與展示軟件較多，有從國外直接引進過來的，有的是根據(jù)國外設備漢化或者自行研制的，這些軟件多數(shù)操作復雜，需要專業(yè)人士來分析。本文開發(fā)的定位與展示軟件是在AutoCAD基礎(chǔ)上開發(fā)的，操作簡單，具有較強的應用性。

2 微震監(jiān)測數(shù)據(jù)的剖切展示

根據(jù)編制軟件的剖切功能可以對微震信息任意解讀，研究煤巖體的切片，來解讀煤巖體的破裂特征和破裂時段，在某一點上進行X、Y、Z軸的三維立體剖切，分割后的模型，同樣展示微震分布特征，應用Visual studio構(gòu)建三個函數(shù)private bool IsThePointMid(string Direction,Point3d Startp, Point3d Endp, Point3d Cutp) /刪除實體。prPosRes = ed.GetPoint("拾取剖面位置： ");private void CutFuntion()/剖切量的大小。利用軟件程序?qū)δ彻ぷ髅嫖⒄鸨O(jiān)測數(shù)據(jù)進行了處理，某回采工作面微震剖切范圍如圖2所示。

圖2 微震剖切范圍

根據(jù)軟件對工作面范圍立面進行剖切，微震點的大小和顏色可以表示微震的能級。

利用軟件設置的三維剖切函數(shù)對工作面范圍進行微震數(shù)據(jù)的剖切，尋找微震數(shù)據(jù)密集區(qū)域，作為抽采范圍的分界，可以確定高低位鉆孔的布置范圍，基于微震數(shù)據(jù)的高低位鉆孔布置范圍如圖3所示。

圖3 基于微震數(shù)據(jù)的高低位鉆孔布置范圍

3 基于微震監(jiān)測數(shù)據(jù)的鉆場高低位長短鉆孔設計

應用開發(fā)軟件調(diào)取AutoCAD的繪圖函數(shù)進行三維建模，根據(jù)確定的頂?shù)装鍘r層信息，建立三維立體的礦體模型。

根據(jù)微震的破裂范圍以及某回采工作面上覆巖層的空間形態(tài)確定的瓦斯抽采范圍，并根據(jù)開發(fā)的軟件與CAD的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能，在CAD當中自動進行高位鉆孔的設計。CAD建模如圖4所示。

圖4 基于CAD建模

圖5 某工作面現(xiàn)場布置鉆孔示意圖

應用微震數(shù)據(jù)顯示的破裂高度和密集程度進行布孔，選擇鉆場的起始點和微震破裂密集處的終孔位置，以及考慮鉆孔經(jīng)過位置的煤巖體破裂程度，可以優(yōu)化具體的鉆孔參數(shù)，根據(jù)優(yōu)化出的鉆孔參數(shù)進行布孔，可以避免經(jīng)驗公式的誤差，應用微震數(shù)據(jù)設計和優(yōu)化高低位抽放鉆孔，從理論和實際解決了困擾礦山工作人員的高位鉆孔定位不合理、抽采不達標的問題。

基于微震數(shù)據(jù)和三維礦體模型的“高低位長短鉆孔”的優(yōu)化原理應用“區(qū)域定位法”進行瓦斯抽采立體空間的鉆孔設計，區(qū)域定位法就是首先確定微震密集(煤巖層破裂)區(qū)域，在礦圖上畫出破裂范圍。

參照上一工作面的微震監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用設計應用軟件對某回采工作面2號鉆場高低位鉆孔進行了優(yōu)化設計，某工作面現(xiàn)場布置鉆孔如圖5所示。通過軟件錄入?yún)?shù)，優(yōu)化得出了2號鉆場高低位長短鉆孔的參數(shù)，2號鉆場高低位鉆孔的優(yōu)化參數(shù)示意圖如圖6所示。

圖6 2號鉆場高低位長短鉆孔的優(yōu)化參數(shù)示意圖

通過微震數(shù)據(jù)對鉆場高低位長短鉆孔進行優(yōu)化設計，根據(jù)某回采工作面2號鉆場瓦斯抽采濃度數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，瓦斯抽采濃度較之前提高10%～30%。利用微震數(shù)據(jù)分析技術(shù)對高低位長短鉆孔進行優(yōu)化，對后續(xù)相似條件工作面高低位鉆孔設計具有現(xiàn)實指導意義。

4 結(jié)論

(1) 利用開發(fā)的程序加載AutoCAD讀取微震監(jiān)測數(shù)據(jù)，對某回采工作面微震數(shù)據(jù)進行了三維剖切，可以展示采掘時間、采掘進展、等時空間煤巖裂隙的分布特征，為煤礦相似條件的工作面鉆孔空間布置提供依據(jù)。

(2) 利用基于微震監(jiān)測數(shù)據(jù)的“區(qū)域定位法”對某回采工作面2號鉆場進行了高低位長短鉆孔的優(yōu)化設計，克服了經(jīng)驗公式的誤差性、人工計算的繁瑣性，也為微震數(shù)據(jù)的直接應用提供了一個便捷的方法。

(3) 通過對某回采工作面2號鉆場的優(yōu)化，瓦斯抽采濃度較之前提高10%～30%，成果應用到后續(xù)鉆場高低位長短鉆孔空間布置，可以做到精準抽采，為工作面回采保駕護航。