黄土丘陵煤矿区采动地裂缝早期发育规律与实时监测方法研究

Because of specific characteristics of geology and geomorphology, as well as coalmine high strength exploitation, several serious problems on geological disasters, mining safety and ecological degradation have been caused in loess hill area. This project plans to center around the scientific matter of mining ground fissure early development mechanism by using micro seismic wave field multi-component separation and analysis method, in order to reveal the rule of early fissure development patterns and realize real-time monitoring of fissure development. Specifically include 4 aspects: Based on micro seismic wave field sensing technologies, establish micro seismic wave field signal acquisition system; According to pressure wave field signal processing and analysis mechanisms, study and realize the wave field signal multi-component separation and feature recognition; Together with the geological, mechanical and physical properties of cover loess medium, reveal the medium vibration propagation and energy transfer rules of wave signal components; Study and reveal the changing rules of wave filed signal components during early fissure development process, realize the recognition of the fissure developing patterns, fissure strike and extent, and the navigation of the fissure development source, finally reveal the early development rules of different ground fissures. This research has wide significance on ground fissure restoration, geological and ecological safety in loess hill coalmine area.

地质地貌特殊性与高强度煤矿开采的共同作用造成黄土丘陵煤矿区地裂缝广泛发育，并引发地质灾害、煤矿安全以及生态退化等严重问题。本项目拟围绕黄土丘陵煤矿区采动地裂缝早期发育规律这一科学问题，提出基于地裂缝发育过程引起的微震波场信号实时采集与多分量解析的方法，揭示研究区域采动地裂缝早期发育规律，提出实时监测方法。具体包括四个方面：基于微震波场传感技术，构建地裂缝发育微震波场信号实时采集系统；基于应力波与振动信号分析原理，开展微震波场信号多分量解离与特征识别方法研究；结合研究区黄土覆盖层介质体的力学和理化特性，研究微震波场信号各分量在覆盖层介质中的振动传播与能量传递规律；研究早期地裂缝形成与发育过程中微震波场信号各分量特征的变化规律，识别地裂缝的发育类型、走向与程度，并定位地裂缝发育源，揭示不同类型采动地裂缝的早期发育规律。研究成果对黄土丘陵煤矿区地裂缝治理、地质灾害防治及生态恢复具有重要意义。

本项目通过井工煤矿采动-地裂缝发育的研究，设计了基于自组网系统，MEMS传感技术与链路传输加密技术的矿区地裂缝发育实时监测与数据采集系统；借助实验室的地裂缝发育模拟实验与全过程的振动波场信号采集与分析，解析了波场分量在黄土介质层中的传播规律与能量传递，偏振规律，为地裂缝发育初期的快速识别建立了理论基础；通过研究区现场的实地勘测与研究，确定了现场主要地裂缝发育的位置，速率以及与煤层采动以及地质条件的相关性，为现场实地传感器的布置与监测提供了技术依据。研究解决了三个关键科学和技术问题：①采动地裂缝最初期的发育过程中的微震波场传递规律。②黄土丘陵沟壑区不同种类的采动地裂缝最初期的发育规律监测与识别技术原理。③基于现代传感技术的采动地裂缝实时采集，监测与分析的技术手段。本项目以工、农业生产具有重要地位的黄土丘陵沟壑高强度开采煤矿区作为研究区，系统分析了高强度开采条件下黄土覆盖层介质的地裂缝发育规律与类型，探究通过矿生微震波的传播与能量传递规律为依据，通过进行连续在线监测各类型地裂缝早期发育过程，并通过波场分析实现矿生地裂缝的发育类型的最初期识别。研究揭示了微震波场在黄土覆盖层介质体中的传播，偏振，能量传递的时频域分布与变化规律，并据此为时间序列上的地裂缝发育连续监测提供了技术方法；同时项目组研发了一种基于MEMS传感技术与自组网数据传输的矿区地裂缝发育连续监测与数据传输系统，实现了远距离（10km）范围内的地裂缝发育多元数据实时的监测，分析与传输，为后续的矿区地裂缝与矿生地质灾害的监测与管控提供了技术基础。研究所得出的理论方法、数学模型、技术装备、软件手段、实测数据和实验室检测数据等，可为国家制定矿区土地复垦技术标准及复垦工程的设计实施提供数据支持和科学指导，可为矿区塌陷土地修复治理措施的制定提供参考，并可为开展矿山环境测评与修复、生态环境安全保障提供应用方案，从而丰富和扩展矿区绿色与可持续发展的内涵与应用技术。