本书主要内容包括：矿震概述、矿震监测仪器及原理、微震监测台网优化布置、矿震定位与能量计算、矿震震动波特征、采动煤岩冲击破裂的震动效应、矿山开采诱发矿震的活动规律、矿震与冲击的监测预警、冲击矿压震动波CT预测技术、矿震冲击远程监测网。 本书可供采矿工程专业本科生及研究生作为参考书，也可供相关科研及工程技术人员参考。

采矿地球物理学是采矿科学的一个新的分支,是利用岩体中自然的或人工激发的物理场来监测岩体动态变化和揭露已有地质构造的一门学科。采矿地球物理的范畴,包括采用所有的地球物理方法来研究与矿山开采有关的岩体物理活动过程和现象,特别是研究矿产资源的高效、安全开采。要安全、高效地开采矿物,首先必须详细了解矿床的赋存状况,如煤层的厚度、倾角等;其次要揭露和确定矿床周围的地质构造,以便进行矿床开采和解决与之有关的灾害问题,如冲击矿压、煤与瓦斯突出等矿山动力现象等。

一些特殊的采矿地质问题可用采矿地球物理方法来解决,例如,与大地震动相类似的矿山震动现象的研究;岩体中弹性波传播过程的研究可采用采矿地球物理学中的微震方法、振动方法和声发射方法。从历史来看,采矿地球物理方法首先在世界上最深的矿井中用来观测矿山震动现象。1908年南非在Bochum建立了世界上第一台微震观测仪器,其任务是观测和记录矿山震动。结果表明,震动与矿山开采、岩柱的破裂、损坏有关。从那时起到现在,世界各采矿国家均在不同程度地使用采矿地球物理方法研究和预测岩体的震动和破坏,地质构造的变化等问题。

目前,矿震冲击矿压常用的监测预警方法可归结为以下三类:第一类是经验类比法,主要有综合指数法、计算机数值模拟法和多因素耦合法等;第二类是煤岩应力状态监测法,包括钻屑法、煤岩体变形观察法(顶板动、围岩变形)、煤岩体应力测量法(相对应力和绝对应力测量);第三类是采矿地球物理监测法,包括微震监测法、电磁辐射法、声发射法、声波探测法等方法,它们都是根据连续记录煤岩体内出现的动力现象,预测煤矿动力现象危险状态。

前两类方法在我国应用广泛,对冲击矿压的监测预报发挥了重要作用,但也暴露了很多问题,如经验类比法主要应用于矿井设计和开拓准备阶段的早期评估,在实际生产阶段适用性不强;传统煤体应力状态监测法则劳动量大,难以实现连续、大范围监测,精度不高。随着科技进步,各学科的不断融合,地球物理方法发展迅速。该方法具有不损伤煤体、劳动强度小、实时、连续、动态、非接触监测等优点,在国内外煤岩动力灾害监测、预测预报中具有很大的应用前景,尤其是矿山震动的微震监测能够对全矿范围进行实时监测,是一种区域性、及时监测方法,该方法目前被公认为煤岩动力灾害监测最有效和最有发展潜力的监测方法之一。因此,本书涉及的内容主要为采矿地球物理方法中的矿山震动监测在冲击矿压监测预警中的应用。

本书是在广泛参阅前人研究成果的基础上,根据笔者在采矿地球物理方面的研究成果与工程实践的基础上完成的。本书从矿山震动监测这一角度出发,具体介绍矿震监测仪器、定位及能量计算原理与方法,研究矿震监测台网的优化布置原理、矿震震动波特征、采动煤岩冲击破裂的震动效应、矿山开采诱发矿震的活动规律、矿震与冲击的监测预警、震动波CT技术以及矿震冲击远程监测技术及其在采矿生产实践中的应用。

全书共分10章,第1章简要介绍矿震的概念及其研究现状,以及矿震与冲击矿压的关系及其对环境的影响;第2章介绍矿震监测仪器及其监测原理;第3 章介绍微震监测台网布设的重要性、台网优化布置原则、优化方案理论求解的算法和模型及其在煤矿微震监测中的应用;第4章介绍矿震定位及能量计算的原理和方法;第5、6章分别介绍矿震震动波特征及其在煤岩体中的传播衰减规律和采动煤岩体冲击破裂的震动效应;第7、8章主要介绍矿山开采诱发矿震的活动规律和矿震与冲击的监测预警技术;第9章介绍煤岩变形破裂的声波探测理论与矿震震动波CT技术及其在煤矿冲击矿压预测中的应用;第10章介绍矿震冲击远程监测网络体系框架及其建设。

本书是作者负责和承担的国家重点基础研究发展计划(973项目)“深部煤岩动力灾害的前兆信息特征与监测预警理论”(项目编号:2010CB226805),国家重点研发计划项目(项目编号:2016YFC0801403),国家科技支撑计划项目“采动动力灾害监测、预警与控制关键技术”(项目编号:2006BAK04B02)、“岩爆与突出动力灾害监测预警关键技术研究”(项目编号:2012BAK09B01),国家自然科学基金和神华集团有限公司联合资助项目“采动动载对煤巷锚网支护结构稳定性损伤机理研究”(项目编号:51174285),国家自然科学基金项目“坚硬顶板

诱发冲击矿压机制及其预测研究”(项目编号:50474068)、“煤巷开掘加卸载路径下的冲击孕育机理与危险性判识”(项目编号:51674253)、“深部动压扰动下煤体致裂诱冲机制的试验研究”(项目:51204165)、“基于矿山被动CT监测的矿震冲击危险预警基础研究”(编号:51404269),中波政府间合作项目“采动覆岩运动型冲击矿压机理及防治研究”(项目编号:31-07A),江苏省高校优势学科建设工程资助项目,中国矿业大学“211工程”三期创新人才培养项目等课题研究成果的整理和总结。

本书的编写,参阅了大量的国内外有关采矿地球物理方面的专业文献,谨向文献的作者表示感谢。衷心感谢BernardDrzezla教授,JozefBubinski教授、WladyslawKonopko教授,JozefKabiesz教授,Adam Lurka教授,GrzegorzMutke教授的指导和帮助。衷心感谢钱鸣高院士,周世宁院士,谢和平院士,彭苏萍院士,袁亮院士,何满潮院士,蔡美峰院士,岑传鸿教授,何学秋教授,姜耀东教授,潘一山教授,鞠杨教授,周宏伟教授,王金安教授,纪洪广教授,姜福兴教授,刘长武教授,王恩元教授,齐庆新研究员,李世海研究员等老师、朋友的关

心和指导。同时感谢中国矿业大学矿业工程学院,煤炭资源与安全开采国家重点实验室,四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室,华亭煤业集团,兖州煤业集团,徐州矿务集团,义马煤业集团,鹤岗煤业集团,大同煤业集团,淮北煤业集团,大同煤电公司,抚顺煤业集团等单位的大力支持,本书中的许多实验室试验、现场试验和测试内容都是在这些单位完成的。感谢冲击矿压课题组的牟宗龙教授、陆菜平教授、刘海顺教授、贺虎副教授、王桂峰副研究员、何江老师、范军老师等在课题研究与成果总结等方面的付出与帮助。感谢课题组博士研究生李振雷、朱光安、沈威、王正义、张敏、刘广建、刘志刚及硕士研究生江衡、杜涛涛、陆振裕、卢新伟、王国瑞、郭晓强、吕长国、高京龙、孙兴林、刘礼鹏、刘辉、李许伟、乔秋秋、谢龙、刘阳、苏振国、王天柱、陈建君、张智勇、王志康、卢昊等同学们,由于他们在书稿的文字录入、绘图排版和校对等方面的辛勤劳动,使得本书得以尽快出版与大家见面。

本书有许多关于采矿地球物理方面的新思想和新观念,其中某些有待于进行更深入细致的研究。由于作者水平所限,书中难免有不足之处,敬请读者不吝指正。

著 者

2015年12月

1 矿震概述…………………………………………………………………………………… 1

1.1 矿震的概念………………………………………………………………………… 1

1.2 矿震与冲击矿压…………………………………………………………………… 2

1.3 矿震对环境的影响………………………………………………………………… 4

1.4 矿震研究现状……………………………………………………………………… 10

2 矿震监测仪器及原理……………………………………………………………………… 13

2.1 矿震监测…………………………………………………………………………… 13

2.2 仪器监测要求……………………………………………………………………… 14

2.3 仪器监测原理……………………………………………………………………… 16

3 微震监测台网优化布置…………………………………………………………………… 23

3.1 台网布设的重要性………………………………………………………………… 23

3.2 监测区域和台网候选点确定原则………………………………………………… 24

3.3 台网布设方案的理论求解………………………………………………………… 25

3.4 台网布设方案评价………………………………………………………………… 26

3.5 微震台网布置的现场应用………………………………………………………… 28

4 矿震定位与能量计算……………………………………………………………………… 35

4.1 波形的选取………………………………………………………………………… 35

4.2 矿震定位原理……………………………………………………………………… 36

4.3 矿震能量的计算…………………………………………………………………… 40

4.4 矿震震动能量与震级对应关系分析……………………………………………… 42

5 矿震震动波特征…………………………………………………………………………… 44

5.1 震动试验测试系统………………………………………………………………… 44

5.2 冲击震动波波形特征……………………………………………………………… 44

5.3 震动波传播的衰减规律…………………………………………………………… 46

5.4 震动波频谱特征…………………………………………………………………… 54

5.5 震动波波形图示例………………………………………………………………… 59

6 采动煤岩冲击破裂的震动效应…………………………………………………………… 63

6.1 采动煤岩诱发矿震的震动位移波场特征分析…………………………………… 63

6.2 煤岩冲击破裂微震特征的实验研究……………………………………………… 73

6.3 采动煤岩震源破裂机理的矩张量反演分析……………………………………… 81

6.4 冲击震动波在采动煤岩体中传播的微震效应研究……………………………… 86

6.5 矿震动载的冲击破坏效应及其影响因素分析…………………………………… 91

7 矿山开采诱发矿震的活动规律…………………………………………………………… 98

7.1 采掘工作面的冲击矿震规律……………………………………………………… 98

7.2 覆岩关键层破断及其诱发矿震规律…………………………………………… 105

7.3 深孔断顶及周期来压与矿震规律……………………………………………… 111

7.4 开采与掘进相互影响区域的矿震规律………………………………………… 112

7.5 矿震活动性与开采速度的关系………………………………………………… 114

7.6 矿震活动性与开采作业的关系………………………………………………… 115

7.7 断层附近采掘活动诱发的矿震活动规律……………………………………… 118

7.8 工作面过褶曲时矿震活动规律………………………………………………… 119

7.9 巨厚火成岩下开采的矿震活动规律…………………………………………… 121

8 矿震与冲击的监测预警………………………………………………………………… 124

8.1 冲击矿压的微震前兆规律/信息………………………………………………… 124

8.2 矿震冲击危险预警模型及参量选取…………………………………………… 141

8.3 冲击矿压的监测预警…………………………………………………………… 151

8.4 矿震与冲击的监测预警实例…………………………………………………… 154

9 冲击矿压震动波CT预测技术………………………………………………………… 160

9.1 煤岩样受载与纵波波速的试验研究…………………………………………… 160

9.2 震动波CT模型和求解原理…………………………………………………… 161

9.3 提高震动波CT输入数据精度的研究………………………………………… 162

9.4 震动波CT预测技术的理论基础及评价指标………………………………… 169

9.5 震动波CT技术预测冲击危险实践…………………………………………… 172

10 矿震冲击远程监测网…………………………………………………………………… 190

10.1 矿井矿震监测台网建设………………………………………………………… 190

10.2 矿震远程平台整体框架………………………………………………………… 191

10.3 矿震远程平台客户端与服务端软件编制……………………………………… 193

10.4 冲击矿压危险专家诊断系统…………………………………………………… 196

参考文献……………………………………………………………………………………… 197