矿山微震波异化基础研究

Coal resources are the main support for the national economy, but the frequent occurrences of mine disasters seriously restrict the mine production, whose monitoring, warning and management technology has been an important subject in the academic circles. Seismic monitoring technology is a multi-discipline monitoring technology developed in recent years. Through monitoring the location and energy of the rock mass fracture, it plays a very significant role in the monitoring and warning of mine disasters such as roof and floor water inrush, coal and gas outburst, coal bump (rock burst), etc. Due to the relatively complexity of geological structure, the dense distribution of goaf, the property differences of strata, filling and ore (coal), the complex environment of existing groundwater, goaf water and gas, huge differences exists in the propagation speed and characteristics of elastic wave in different propagation paths. It lead to the difficulty of accurate location of seismic events, which still lack relevant basic research. In this project, a three-dimensional entity model will be established for the study the seismic propagation law in defect medium, which aims to explore the seismic wave propagation characteristics and decay laws, so as to establish a dynamic model of seismic wave and improve the seismic monitoring positioning accuracy. Therefore, this project belongs to basic experimental research for the seismic monitoring technology solving the mine disasters, which has important scientific value and meaning in both theory and practice.

煤矿资源是国民经济的重要支柱，然而矿山灾害频发严重制约了矿山生产，其监测、预警与治理技术一直是学术界研究的重要课题。微震监测技术是近年来发展起来的多学科综合监测技术，通过监测岩体破裂位置和能量，在顶底板突水、煤与瓦斯突出、冲击地压（岩爆）等矿山灾害的监测预警中有着重要应用。由于矿山微震监测区域是一个地质构造相对复杂、空区分布密集、岩层、充填体和矿（煤）体性质差异较大、存在地下水、空区水、瓦斯等多种介质的复杂环境，弹性波传播速度和传播特征在各个传播路径存在较大差异，微震事件的精确定位异常困难，同时，相关基础研究相对匮乏。本项目拟在实验室环境下建立用于研究微震波在缺陷介质传播规律的三维实体模型，探索缺陷介质条件下的微震波传播特征及衰减规律，建立微震波传播动态波速模型，提高微震监测定位精度。因此，本项目属于基于微地震监测方法解决矿山灾害的基础实验研究，在理论和实践上具有重要的科学价值和意义。

本项目基于课题组研制的高精度微震监测系统，首先通过建立实体模型，分别模拟存在工程缺陷、地质缺陷、岩性异化条件下的微震波传播规律，以及工程缺陷、地质缺陷、岩性异化相互耦合条件下微震波异化规律，提出动态波速及动态定位的概念；其次，结合现场微震监测，研究大尺度范围内工程缺陷、地质缺陷、岩性异化对微震波异化的影响及微震波异化规律，修正动态定位模型；第三，结合实验室研究结果和现场监测结果，建立动态定位模型参数的确定方法。通过研究，为提高震源定位精度提供理论基础和方法，为矿山动力灾害监测预警提供基础。得到的主要创新性研究成果如下：.（1）建立了基于相似材料模拟的微震波传播理想实体模型，进行了未开挖、开挖、开挖后充填三种条件下的弹性波传播规律研究，得到：.①深部采场影响波速的因素主要为岩体的密度、小型节理及小落差断层对波速的影响可以忽略，岩体介质越松散，对波的吸收越强，波的衰减越多；.②开挖距离越大，波速越小，但波速衰减速率有所降低，在开挖距离为无穷大时，波速将减小到0，符合指数函数下降规律；.③充填体对波形的影响较明显，松散的充填体由于水份含量大，内部存有较多气泡，对波的传播阻碍大，弹性波绕过空隙进行传播过程中产生了波速的急剧衰减。在矿山开采过程中，大面积充填体对弹性波传播的影响是不可忽略的；.（2）建立了基于实际工程的弹性波传播实体模型，进行了未开挖、开挖、开挖后充填三种条件下的弹性波传播规律研究，得到：.①波速在矿体模型中的速度明显比在下盘岩体中的大，可能原因是矿体模型的密度更大，导致波速传播的更快，并在现场得到了验证；；.②开挖的位置对检波器接收波形的质量与时间都有影响，离开挖距离越近，接收到波形的时间越晚，波形质量也较差，表现为波形尾部拉长，延续时间长，而能量衰减较之前增大；.（3）开展了微震传播规律的现场实测研究，得到了三山岛金矿深部采场微地震分布和传播规律，与实验结论有较高的一致性。. 本项目成果对矿山微震监测定位具有重要的现实意义，对提高微震监测定位精度及矿山动力灾害监测预警准确性等有着十分重要的意义，对微震监测技术应用于军事、石油、隧道、安保等领域，也有重要的参考价值。