本書主要內容包括：礦震概述、礦震監(jiān)測儀器及原理、微震監(jiān)測臺網優(yōu)化布置、礦震定位與能量計算、礦震震動波特征、采動煤巖沖擊破裂的震動效應、礦山開采誘發(fā)礦震的活動規(guī)律、礦震與沖擊的監(jiān)測預警、沖擊礦壓震動波CT預測技術、礦震沖擊遠程監(jiān)測網。 本書可供采礦工程專業(yè)本科生及研究生作為參考書，也可供相關科研及工程技術人員參考。

采礦地球物理學是采礦科學的一個新的分支,是利用巖體中自然的或人工激發(fā)的物理場來監(jiān)測巖體動態(tài)變化和揭露已有地質構造的一門學科。采礦地球物理的范疇,包括采用所有的地球物理方法來研究與礦山開采有關的巖體物理活動過程和現象,特別是研究礦產資源的高效、安全開采。要安全、高效地開采礦物,首先必須詳細了解礦床的賦存狀況,如煤層的厚度、傾角等;其次要揭露和確定礦床周圍的地質構造,以便進行礦床開采和解決與之有關的災害問題,如沖擊礦壓、煤與瓦斯突出等礦山動力現象等。

一些特殊的采礦地質問題可用采礦地球物理方法來解決,例如,與大地震動相類似的礦山震動現象的研究;巖體中彈性波傳播過程的研究可采用采礦地球物理學中的微震方法、振動方法和聲發(fā)射方法。從歷史來看,采礦地球物理方法首先在世界上最深的礦井中用來觀測礦山震動現象。1908年南非在Bochum建立了世界上第一臺微震觀測儀器,其任務是觀測和記錄礦山震動。結果表明,震動與礦山開采、巖柱的破裂、損壞有關。從那時起到現在,世界各采礦國家均在不同程度地使用采礦地球物理方法研究和預測巖體的震動和破壞,地質構造的變化等問題。

目前,礦震沖擊礦壓常用的監(jiān)測預警方法可歸結為以下三類:第一類是經驗類比法,主要有綜合指數法、計算機數值模擬法和多因素耦合法等;第二類是煤巖應力狀態(tài)監(jiān)測法,包括鉆屑法、煤巖體變形觀察法(頂板動、圍巖變形)、煤巖體應力測量法(相對應力和絕對應力測量);第三類是采礦地球物理監(jiān)測法,包括微震監(jiān)測法、電磁輻射法、聲發(fā)射法、聲波探測法等方法,它們都是根據連續(xù)記錄煤巖體內出現的動力現象,預測煤礦動力現象危險狀態(tài)。

前兩類方法在我國應用廣泛,對沖擊礦壓的監(jiān)測預報發(fā)揮了重要作用,但也暴露了很多問題,如經驗類比法主要應用于礦井設計和開拓準備階段的早期評估,在實際生產階段適用性不強;傳統(tǒng)煤體應力狀態(tài)監(jiān)測法則勞動量大,難以實現連續(xù)、大范圍監(jiān)測,精度不高。隨著科技進步,各學科的不斷融合,地球物理方法發(fā)展迅速。該方法具有不損傷煤體、勞動強度小、實時、連續(xù)、動態(tài)、非接觸監(jiān)測等優(yōu)點,在國內外煤巖動力災害監(jiān)測、預測預報中具有很大的應用前景,尤其是礦山震動的微震監(jiān)測能夠對全礦范圍進行實時監(jiān)測,是一種區(qū)域性、及時監(jiān)測方法,該方法目前被公認為煤巖動力災害監(jiān)測最有效和最有發(fā)展?jié)摿Φ谋O(jiān)測方法之一。因此,本書涉及的內容主要為采礦地球物理方法中的礦山震動監(jiān)測在沖擊礦壓監(jiān)測預警中的應用。

本書是在廣泛參閱前人研究成果的基礎上,根據筆者在采礦地球物理方面的研究成果與工程實踐的基礎上完成的。本書從礦山震動監(jiān)測這一角度出發(fā),具體介紹礦震監(jiān)測儀器、定位及能量計算原理與方法,研究礦震監(jiān)測臺網的優(yōu)化布置原理、礦震震動波特征、采動煤巖沖擊破裂的震動效應、礦山開采誘發(fā)礦震的活動規(guī)律、礦震與沖擊的監(jiān)測預警、震動波CT技術以及礦震沖擊遠程監(jiān)測技術及其在采礦生產實踐中的應用。

全書共分10章,第1章簡要介紹礦震的概念及其研究現狀,以及礦震與沖擊礦壓的關系及其對環(huán)境的影響;第2章介紹礦震監(jiān)測儀器及其監(jiān)測原理;第3 章介紹微震監(jiān)測臺網布設的重要性、臺網優(yōu)化布置原則、優(yōu)化方案理論求解的算法和模型及其在煤礦微震監(jiān)測中的應用;第4章介紹礦震定位及能量計算的原理和方法;第5、6章分別介紹礦震震動波特征及其在煤巖體中的傳播衰減規(guī)律和采動煤巖體沖擊破裂的震動效應;第7、8章主要介紹礦山開采誘發(fā)礦震的活動規(guī)律和礦震與沖擊的監(jiān)測預警技術;第9章介紹煤巖變形破裂的聲波探測理論與礦震震動波CT技術及其在煤礦沖擊礦壓預測中的應用;第10章介紹礦震沖擊遠程監(jiān)測網絡體系框架及其建設。

本書是作者負責和承擔的國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973項目)“深部煤巖動力災害的前兆信息特征與監(jiān)測預警理論”(項目編號:2010CB226805),國家重點研發(fā)計劃項目(項目編號:2016YFC0801403),國家科技支撐計劃項目“采動動力災害監(jiān)測、預警與控制關鍵技術”(項目編號:2006BAK04B02)、“巖爆與突出動力災害監(jiān)測預警關鍵技術研究”(項目編號:2012BAK09B01),國家自然科學基金和神華集團有限公司聯合資助項目“采動動載對煤巷錨網支護結構穩(wěn)定性損傷機理研究”(項目編號:51174285),國家自然科學基金項目“堅硬頂板

誘發(fā)沖擊礦壓機制及其預測研究”(項目編號:50474068)、“煤巷開掘加卸載路徑下的沖擊孕育機理與危險性判識”(項目編號:51674253)、“深部動壓擾動下煤體致裂誘沖機制的試驗研究”(項目:51204165)、“基于礦山被動CT監(jiān)測的礦震沖擊危險預警基礎研究”(編號:51404269),中波政府間合作項目“采動覆巖運動型沖擊礦壓機理及防治研究”(項目編號:31-07A),江蘇省高校優(yōu)勢學科建設工程資助項目,中國礦業(yè)大學“211工程”三期創(chuàng)新人才培養(yǎng)項目等課題研究成果的整理和總結。

本書的編寫,參閱了大量的國內外有關采礦地球物理方面的專業(yè)文獻,謹向文獻的作者表示感謝。衷心感謝BernardDrzezla教授,JozefBubinski教授、WladyslawKonopko教授,JozefKabiesz教授,Adam Lurka教授,GrzegorzMutke教授的指導和幫助。衷心感謝錢鳴高院士,周世寧院士,謝和平院士,彭蘇萍院士,袁亮院士,何滿潮院士,蔡美峰院士,岑傳鴻教授,何學秋教授,姜耀東教授,潘一山教授,鞠楊教授,周宏偉教授,王金安教授,紀洪廣教授,姜福興教授,劉長武教授,王恩元教授,齊慶新研究員,李世海研究員等老師、朋友的關

心和指導。同時感謝中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院,煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,四川大學水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室,華亭煤業(yè)集團,兗州煤業(yè)集團,徐州礦務集團,義馬煤業(yè)集團,鶴崗煤業(yè)集團,大同煤業(yè)集團,淮北煤業(yè)集團,大同煤電公司,撫順煤業(yè)集團等單位的大力支持,本書中的許多實驗室試驗、現場試驗和測試內容都是在這些單位完成的。感謝沖擊礦壓課題組的牟宗龍教授、陸菜平教授、劉海順教授、賀虎副教授、王桂峰副研究員、何江老師、范軍老師等在課題研究與成果總結等方面的付出與幫助。感謝課題組博士研究生李振雷、朱光安、沈威、王正義、張敏、劉廣建、劉志剛及碩士研究生江衡、杜濤濤、陸振裕、盧新偉、王國瑞、郭曉強、呂長國、高京龍、孫興林、劉禮鵬、劉輝、李許偉、喬秋秋、謝龍、劉陽、蘇振國、王天柱、陳建君、張智勇、王志康、盧昊等同學們,由于他們在書稿的文字錄入、繪圖排版和校對等方面的辛勤勞動,使得本書得以盡快出版與大家見面。

本書有許多關于采礦地球物理方面的新思想和新觀念,其中某些有待于進行更深入細致的研究。由于作者水平所限,書中難免有不足之處,敬請讀者不吝指正。

著 者

2015年12月

1 礦震概述…………………………………………………………………………………… 1

1.1 礦震的概念………………………………………………………………………… 1

1.2 礦震與沖擊礦壓…………………………………………………………………… 2

1.3 礦震對環(huán)境的影響………………………………………………………………… 4

1.4 礦震研究現狀……………………………………………………………………… 10

2 礦震監(jiān)測儀器及原理……………………………………………………………………… 13

2.1 礦震監(jiān)測…………………………………………………………………………… 13

2.2 儀器監(jiān)測要求……………………………………………………………………… 14

2.3 儀器監(jiān)測原理……………………………………………………………………… 16

3 微震監(jiān)測臺網優(yōu)化布置…………………………………………………………………… 23

3.1 臺網布設的重要性………………………………………………………………… 23

3.2 監(jiān)測區(qū)域和臺網候選點確定原則………………………………………………… 24

3.3 臺網布設方案的理論求解………………………………………………………… 25

3.4 臺網布設方案評價………………………………………………………………… 26

3.5 微震臺網布置的現場應用………………………………………………………… 28

4 礦震定位與能量計算……………………………………………………………………… 35

4.1 波形的選取………………………………………………………………………… 35

4.2 礦震定位原理……………………………………………………………………… 36

4.3 礦震能量的計算…………………………………………………………………… 40

4.4 礦震震動能量與震級對應關系分析……………………………………………… 42

5 礦震震動波特征…………………………………………………………………………… 44

5.1 震動試驗測試系統(tǒng)………………………………………………………………… 44

5.2 沖擊震動波波形特征……………………………………………………………… 44

5.3 震動波傳播的衰減規(guī)律…………………………………………………………… 46

5.4 震動波頻譜特征…………………………………………………………………… 54

5.5 震動波波形圖示例………………………………………………………………… 59

6 采動煤巖沖擊破裂的震動效應…………………………………………………………… 63

6.1 采動煤巖誘發(fā)礦震的震動位移波場特征分析…………………………………… 63

6.2 煤巖沖擊破裂微震特征的實驗研究……………………………………………… 73

6.3 采動煤巖震源破裂機理的矩張量反演分析……………………………………… 81

6.4 沖擊震動波在采動煤巖體中傳播的微震效應研究……………………………… 86

6.5 礦震動載的沖擊破壞效應及其影響因素分析…………………………………… 91

7 礦山開采誘發(fā)礦震的活動規(guī)律…………………………………………………………… 98

7.1 采掘工作面的沖擊礦震規(guī)律……………………………………………………… 98

7.2 覆巖關鍵層破斷及其誘發(fā)礦震規(guī)律…………………………………………… 105

7.3 深孔斷頂及周期來壓與礦震規(guī)律……………………………………………… 111

7.4 開采與掘進相互影響區(qū)域的礦震規(guī)律………………………………………… 112

7.5 礦震活動性與開采速度的關系………………………………………………… 114

7.6 礦震活動性與開采作業(yè)的關系………………………………………………… 115

7.7 斷層附近采掘活動誘發(fā)的礦震活動規(guī)律……………………………………… 118

7.8 工作面過褶曲時礦震活動規(guī)律………………………………………………… 119

7.9 巨厚火成巖下開采的礦震活動規(guī)律…………………………………………… 121

8 礦震與沖擊的監(jiān)測預警………………………………………………………………… 124

8.1 沖擊礦壓的微震前兆規(guī)律/信息………………………………………………… 124

8.2 礦震沖擊危險預警模型及參量選取…………………………………………… 141

8.3 沖擊礦壓的監(jiān)測預警…………………………………………………………… 151

8.4 礦震與沖擊的監(jiān)測預警實例…………………………………………………… 154

9 沖擊礦壓震動波CT預測技術………………………………………………………… 160

9.1 煤巖樣受載與縱波波速的試驗研究…………………………………………… 160

9.2 震動波CT模型和求解原理…………………………………………………… 161

9.3 提高震動波CT輸入數據精度的研究………………………………………… 162

9.4 震動波CT預測技術的理論基礎及評價指標………………………………… 169

9.5 震動波CT技術預測沖擊危險實踐…………………………………………… 172

10 礦震沖擊遠程監(jiān)測網…………………………………………………………………… 190

10.1 礦井礦震監(jiān)測臺網建設………………………………………………………… 190

10.2 礦震遠程平臺整體框架………………………………………………………… 191

10.3 礦震遠程平臺客戶端與服務端軟件編制……………………………………… 193

10.4 沖擊礦壓危險專家診斷系統(tǒng)…………………………………………………… 196

參考文獻……………………………………………………………………………………… 197