礦山動力災害前兆規律及微震監測分析技術研究

摘要：礦山動力災害包括礦山開采與地下工程活動誘發的衝擊地壓、煤與瓦斯突出、突水等，是國內外礦山特別是 煤礦開采過程中常見的工程誘發災害。作者認為，不管是非 煤礦山的礦山動力災害、衝擊地壓、礦震等災害問題，還是 煤礦的煤與瓦斯突出或突水問題，都是礦山開采過程中的應力場擾動所誘發的微破裂萌生、發展、貫通等岩石破裂過程失穩的結果。微破裂前兆是衝擊地壓、突水、煤與瓦斯突出等礦山動力災害的共性特征。對於礦山動力災害的監測預報而言，在原有瓦斯、水信息監測的基礎上，更應從尋找誘發礦山動力災害的本質機理和微破裂前兆規律入手，開展礦山動力災害 03manbetx 預報方法的研究。基於上述學術思想，作者突破以瓦斯、水等表象信息監測為依據進行礦山動力災害預報的傳統思路，提出從開采應力擾動誘發微破裂導致地質環境劣化的動力災害本質出發，以微震監測和大規模科學計算技術為手段，以災害孕育的內在動因和前兆規律研究為核心，以礦山動力災害的實時預報為目標，為我國礦山日常 安全 管理提供一種有效的手段。 1.引言礦山動力災害包括礦山開采與地下工程活動中誘發的衝擊地壓、煤與瓦斯突出、突水等礦山災害，是國內外礦山特別是 煤礦開采過程中常見的工程誘發災害。 煤礦動力災害是我國礦山動力災害中最主要的部分。我國井工煤礦占95%，平均井深在400m以上。與世界主要產煤國相比，我國煤礦地質構造複雜，礦井 02manbetx.com 多發，平均百萬噸死亡率在6左右，是美國的145倍，年死亡人數6000人左右，是全球其他產煤國家死亡人數總和的3倍。與同屬發展中國家的鄰國印度(百萬噸死亡率0.42)相比，我國煤礦百萬噸死亡率仍高出13倍。近年來，雖然關閉了數萬個鄉鎮煤礦，但我國煤礦傷亡 02manbetx.com 嚴重的局麵仍然沒有得到有效控製。礦井因采動引起的煤與瓦斯突出、突水、衝擊地壓冒頂等 02manbetx.com 仍然頻繁發生，死亡超過10人的重大瓦斯爆炸和透水 02manbetx.com 在地方煤礦和部分國有重點煤礦中頻繁發生。尤其近幾年國有煤礦在裝備投入不足的(特別是 安全檢測和決策手段短缺)情況下盲目擴大生產，發生了幾十起傷亡數十人到數百人的重大惡性事故。僅自2004年10月以來，中國已先後有鄭煤集團大平煤礦、銅川陳家山煤礦、阜新孫家灣煤礦、黑龍江七台河煤礦等四家大型國有煤炭企業相繼發生特大瓦斯爆炸事故，每次事故死亡人數都在百人以上；2005年8月廣東省梅州市大興煤礦發生突水事故，死亡123人。2005年我國礦難發生的一個重要特點：南部地下突水，北部瓦斯爆炸。國有大中型煤礦發生動力災害事故所占的比重明顯加大，“大礦大難”已顯現為一種趨勢，其他非煤礦山動力災害事故也有日益嚴重的趨勢。 隨著我國人口的持續增長，國民經濟的高速發展，人們對礦產資源的需求量也日益增加，複雜難采和深部開采誘發的 安全問題日益突出，岩爆、煤與瓦斯突出、滑坡等重大的工程地質災害和事故隱患嚴重，嚴重製約著礦產資源合理的開發與利用。多年來盡管我國已經開展了大量的礦山動力災害機理和防治技術的研究，但目前我國礦山 安全生產形勢依然嚴峻，如果短期內不能在礦山動力災害機理、預測預報和控製方麵有所突破，勢必成為製約礦山(特別是煤礦)發展乃至我國國民經濟可持續發展的瓶頸。這種趨勢和現狀，已經引起黨中央和國務院的高度重視。國務院總理溫家寶2005年在阜新孫家彎“2．14”礦難後(2005年2月23日)主持召開國務院常務會議上，研究部署加強 煤礦安全生產工作，痛下決心，標本兼治，采取七項 措施開展瓦斯集中整治，堅決防範煤礦重特大事故的發生。其中主要有三項 技術 措施： (1)對瓦斯災害嚴重和存在重大隱患的煤礦逐個進行安全評估，幫助製定具體的防範 措施； (2)推廣數字化瓦斯遠程監控係統，高瓦斯和高突出礦井一律建立瓦斯抽放和監測係統； (3)加快煤與瓦斯突出機理及預測預報科研攻關。 作者通過對目前礦山動力災害監測預報中存在問題的 03manbetx ，基於微破裂是衝擊地壓、突水、煤與瓦斯突出等礦山動力災害共性特征的基本認識，突破以瓦斯、水等表象信息監測為依據進行礦山動力災害預報的傳統思路，提出從開采應力擾動誘發微破裂導致地質環境劣化的動力災害本質出發，以微震監測和大規模科學計算技術為手段，以探索災害孕育的內在動因和前兆規律為核心，以礦山動力災害的實時預報為目標，從理論上 總結 03manbetx 煤與瓦斯突出、衝擊地壓、突水等礦山動力災害機理，揭示礦山動力災害孕育的內在動因和前兆規律，構建礦山動力災害預測預報的理論體係，為建立具有可操作性的礦山動力災害 03manbetx 預報方法奠定科學基礎。 2.存在的問題2.1傳統的礦山動力災害預報方法以瓦斯、水等表觀信息為監測對象，需要加強礦山動力災害微破裂前兆規律的研究。 礦山動力災害的研究表明，不管是非煤礦山的礦山動力災害、衝擊地壓、礦震等災害問題，還是煤礦的煤與瓦斯突出(或湧出)和煤礦底板突水等問題，都是與礦山開采過程中的應力場擾動所誘發的微破裂萌生、發展、貫通等岩石破裂過程失穩的結果。即使是不伴隨煤層突出的瓦斯爆炸事故，也多是因為含瓦斯煤層中因應力場的變化誘發了大量微裂紋的萌生或貫通所造成的。煤層中微裂紋的大量萌生造成大量瓦斯的析出，而大量微裂紋的貫通則導致大量瓦斯的溢出，直至誘發瓦斯事故，或煤與瓦斯突出，或瓦斯爆炸等。因此，不管是哪種礦山動力災害，在多數情況下，在動力災害出現之前，都有微破裂(微震活動)前兆。而誘發微破裂活動(微震活動)的直接原因則是岩層或煤層中應力或應變增加的結果。特別是煤礦瓦斯災害事故的預測，除了不能僅走隻關注瓦斯濃度監測的老路，更不能就瓦斯災害問題而單一地監測瓦斯濃度和壓力，必須尋找誘發瓦斯突出的本質機理和前兆規律，加強開采誘發高應力擾動的微震活動性規律研究。 2.2微震監測技術已成為國外礦山 安全 管理的有機組成部分,我國礦山缺乏高素質微震分析人才 在國外，微震監測技術的發展已使礦山微破裂的監測從“難以實現的奢望”轉變為采礦 安全 管理的一個有機組成部分。如南非、美國、加拿大、俄羅斯和澳大利亞等國的深井礦山。由於微震監測係統監測範圍可大可小，且具有較高的定位精度，已成為礦山開采誘發動力災害監測的主要技術手段。利用微震監測係統，在發生微震活動的礦內布設傳感器，探測微破裂所發射出的地震波，確定發生地震波的位置，還可以給出地震活動性的強弱和頻率，通過微震監測獲得的微破裂分布位置，判斷潛在的礦山動力災害活動規律，通過識別礦山動力災害活動規律實現預警。 在我國，早在1959年，北京門頭溝礦曾用當時的中科院地球物理所研製的581微震儀(哈林地震儀改裝)，監測衝擊地壓活動；20世紀70年代，國內開始以耳機收聽或錄音機記錄岩石聲發射頻度的便攜式地音儀，長沙礦山研究院開發了DYF-1、DYF-2型便攜式智能地音分析儀及STL-1、STL-12型多通道聲發射監測係統，用於微震監測；華豐煤礦在1995年與中國地球物理學會合作 設計安裝了微震監測係統，通過十年來的連續監測，積累了大量的數據資料。1984年後，門頭溝、房山、陶莊、北票、龍鳳等煤礦曾陸續引進波蘭地音-微震監測定位係統(SAK-SYLOK)，但操作條件困難，均沒有堅持連續監測，絕大多數礦山的礦震是由區域地震監測台網觀測而得到觀測資料很難用於研究礦震的空間域規律。凡口鉛鋅礦從加拿大引進我國井下微震監測係統，但目前該係統沒有完全取得應有的作用；山東 科技大學與澳大利亞聯邦科學院聯合，就煤礦災害的預測及防治工作進行 科技攻關， 設計了井下微震定位監測係統，用於實時監測岩體破裂及災變過程。 盡管我國一些礦山已經采用了微震監測技術，但由於現場缺乏高素質的微震信息處理和分析人員，未能形成完整的監測分析和預報思路。因此，目前微震技術在我國的應用缺乏成功的示例。由於衝擊地壓、煤(岩)與瓦斯突出和突水等動力災害現象的機理尚未弄清楚，因此，麵對先進監測係統得到的繁多的監測數據，如何充分利用和開發這些第一手資料並進行合理的解釋，從中得到可以預測未來煤礦瓦斯突出、突水等動力活動的信息，則是衝擊地壓、煤與瓦斯突出和突水等動力災害預警技術工作中的難點。 2.3傳統礦山動力災害理論缺乏對“孕育過程”時空演化規律的認識，難以掌握災害預報所必需的“前兆特征” 傳統的衝擊地壓、煤與瓦斯突出和突水等礦山動力災害的研究大都隻是關注瓦斯壓力、濃度、水位等表觀信息的變化，而從本質上說，衝擊地壓、煤與瓦斯突出和突水等礦山動力災害是一個非平衡條件下，由漸進破壞誘發突變的非線性失穩過程。因此，為了準確預報礦山動力災害的研究，就必須研究災害孕育過程中微破裂的時空演化及其前兆特征。針對深部岩體破壞、失穩機製的複雜性，緊緊抓住岩石變形和破裂“過程”這個涉及失穩問題的本質，從岩石的"非均勻性和非連續性"兩個關鍵特征入手，在充分考慮岩石介質力學性質、環境因素和開采過程時空演化過程複雜性的基礎上，從探索動力災害孕育的內在動因和微破裂演化入手，建立這些岩石破裂過程失穩機理、成因、特征的描述方法，揭示采動應力場與微震活動性之間的時空內在聯係和前兆規律，為建立具有可操作性的礦山動力災害分析預報方法奠定科學基礎。 3.在本領域取得突破的機遇3.1國家高度重視礦山安全工作，為礦山動力災害機理和預報方法研究提供了良機 近十多年來，以衝擊地壓、煤與瓦斯突出、突水為主的礦山動力災害已成為我國工業安全領域的主要災害，已成為製約我國煤炭產業健康發展的關鍵因素，國家領導人及全社會都對此給予了高度關注，為本項目研究提供了足夠的動力。國民經濟的快速發展，對煤炭能源的需求激增，行業經濟形勢看好，如果不能有效控製礦山動力災害，煤炭能源的供給將難以保證。研究礦產資源開采過程誘發動力災害的前兆規律及其監測預報的關鍵科學問題，建立並完善礦山動力災害預測預報基礎理論和方法，是保障我國能源安全和實現十六大提出的"高度重視安全生產、保護國家財產和人民生命安全"國家戰略目標的重大需求，也是全麵建設小康和諧社會的必要條件。 3.2現代非線性科學、破壞力學、計算力學、信息科學的結合為礦山動力災害機理的研究奠定了堅實基礎 礦山動力災害是具有強非均勻性、強非連續性、強非線性的複雜工程地質介質在水、氣、熱、化學等多場耦合作用下的損傷演化和漸進破裂誘發災變的過程，開展礦山動力災害機理和監測預報分析方法的研究，涉及非線性科學、破壞力學、計算力學、信息科學等現代係統科學知識。近年來，現代係統科學包括突變理論、分形理論、協同學、局部化理論、細觀力學方法等的發展，為礦山動力災害孕育機製的研究奠定了堅實的理論基礎。 3.3微震監測技術、網絡傳輸技術、大規模並行計算技術的發展為礦山動力災害分析預報方法的研究提供了技術保障 實現礦山動力災害預測的可能性首先是得益於微震(聲發射)監測技術的出現。在國外，它已使礦山微破裂發展的監測從“難以實現的奢望”轉變為采礦過程的一個有機組成部分，成為礦山開采誘發動力災害監測的主要技術手段。實現礦山動力災害預測的可能性的另一個重要因素則是礦山整體結構應力場分析的大規模科學計算技術的發展。大規模數值計算技術在國民經濟建設中的作用，已普遍地為人們所共識。從傳統科學與工程領域如航空航天、地震預報、天氣與氣候預測、大型水利建設和石油地質勘探，到大型基因組測試、新藥 設計和新材料合成等新興科學研究領域，無處不需要大規模數值試驗和科學計算。由於礦山動力災害問題所涉及的因素多且複雜、規模巨大，僅僅依靠現有的數值計算方法和分析工具，很難開展高水平的分析預報工作。隨著我國礦山動力災害事故的日益嚴峻，在礦山動力災害分析預報中，與現場微震監測緊密結合，運用大規模科學計算技術來分析複雜應力場的分布，實現礦山動力災害誘發機理及其分析預測預報，無疑將是一條有效的途徑。 4.基於微震監測與應力計算技術的礦山動力災害分析預報係統4.1基本思路 基於微破裂是衝擊地壓、突水、煤與瓦斯突出等礦山動力災害共性特征的基本認識，從探索動力災害孕育的內在動因和前兆規律入手，通過微震監測和應力場分析大規律科學計算，揭示采動應力場與微震活動性之間的時空內在聯係，發展微破裂過程中的多場耦合分析理論，突破傳統數值計算方法在非均勻、非連續介質破裂過程分析中的局限性，建立基於細觀統計損傷力學原理的煤岩破裂及礦山動力災害數值分析的新方法，為建立具有可操作性的礦山動力災害分析預報方法奠定科學基礎。 4.2技術途徑 基於“開采擾動應力場誘發微震活動性是礦山動力災害前兆共性本質特征”這一學術思路，圍繞礦山動力災害孕育的“地質背景、演化機理、仿真預報方法”三個關鍵科學問題，依托示範工程，采用地質構造逐級控製理論、地球物理學理論、多物理過程耦合力學理論、大規模並行計算科學等理論和現代測量技術、信息技術和控製技術手段，在深層次上對采動過程高應力區逐級地質構造背景特征、災害微震活動前兆信息和大規模多場耦合數值仿真結果進行綜合反演，揭示預報礦山動力災害前兆規律，為建立礦山動力災害預測模型和預報係統奠定理論基礎。具體的技術途徑如下： (1)礦山動力災害構造背景控製特征：運用板塊和區域構造理論，通過構造演化分析，結合先進的探測技術手段，查明深部含瓦斯煤體、含水岩體應力應變特征、分布規律和煤與瓦斯突出、礦井突水前兆控製因素。從而達到有目的設立微震監測網，為實現礦山動力災害中、長期預報奠定基礎。 (2)礦山動力災害微震活動前兆規律和失穩模式：提出開采誘發煤岩體漸進破裂誘發失穩的突變模型，探討原岩及其擾動條件下背景應力場積累、釋放、轉移的基本規律，建立背景應力場演化與微震活動性的關係，揭示礦山動力災害孕育過程中的微震活動時空演化規律，探尋岩爆、煤與瓦斯突出、突水等礦山動力災害的微震前兆信息和失穩模式，為建立短臨和臨震預報模型提供理論依據。 (3)礦山動力災害監測預報示範基地：依托實例工程，建立微震監測試驗基地，形成礦山微震數據采集係統，並通過網絡技術將現場數據向數據處理中心進行實時遠距離傳送，實現對煤礦井工作麵微震活動進行24小時連續監測，獲取大量的微震活動性時空分布數字化記錄，並實現將微震監測的結果(輸出)作為修正模型的原始數據(輸入)，使分析模型能夠依據現場變化動態調整，實現分析預報係統的初步運轉，為在我國實施礦山動力災害分析預報提供理論、技術支持和示範作用。 5.結論作者根據目前我國礦山微震技術應用落後的實際，提出了將微震的監測工作與分析預報工作分離，由現場和具有實力的研究機構分別實施，認為這是符合我國國情的礦山動力災害監測、分析、預報新思路。建議在科研實力雄厚的高等院校、研究機構或礦務局，建立我國礦山動力災害分析預報研究平台和示範基地，形成輻射區域內各大礦區的礦山動力災害分析預報係統，運用網絡技術，將現場獲得的微震活動性信息實時傳遞到礦山動力災害分析預報中心，在實測微震活動性信息基礎上，通過背景應力場分析，獲得預報礦山動力災害可能性的應力場分布信息，長期不間斷地向入網礦山發布動力災害危險性的預警報告，實現對入網礦山動力災害的實時監測、即時分析和及時通報(象天氣預報一樣)，為礦山安全生產提供更加科學的技術保障，為全國礦山動力災害分析預報工作發揮示範作用。與此同時，運用示範基地和研究平台進行長期的、係統的礦山動力災害分析預報方法的研究工作，在我國形成邊研究、邊應用的礦山動力災害分析、預報和研究機製。