微震自动监测技术在荆门市A石膏矿采空区地面塌陷预警中的应用.pdf
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1、第30卷第3期2023年 5月Vo l.30 No.3Ma y 2023妥全与环境工程Sa f et y a nd Env iro nment a l Enginee ring引用格式:杨宜军,李业,梁巍,等.微震自动监测技术在荆门市A石膏矿采空区地面塌陷预警中的应用J.安全与环境工程,2023,30(3):190-196.Ya ng Y J,Li Y,Lia ng W,et a l.Applic a t io n o f mic ro s eis mic a ut o ma t ic mo nit o ring t ec h no lo gy in ea rly wa rning o f g
2、ro und c o lla ps e in A gyps um mining go a f o f Jingmen Cit yQJ.Safety and EnvironmentaI Engineering 12023,30(.3)190-196.微震自动监测技术在荆门市A石膏矿采空区地面塌陷预警中的应用杨宜军,李业,梁巍,石长柏(湖北省地质局水文地质工程地质大队,湖北荆州434031)摘要:湖北省石膏矿产资源丰富,历史开采遗留下大面积采空区,地面塌陷时有发生,严重威胁到人民的生命和 财产安全,因此开展有效的石膏矿采空区地面塌陷监测预警工作对防灾减灾救灾至关重要。传统的石膏矿采空区 地面塌陷监
3、测方法,如大地形变测量法、遥感测量法等,因其时效性有限难以提前预警。以荆门市A石膏矿为研究 对象,引入微震自动监测技术用于该矿采空区地面塌陷预警,通过对微震信号分析,发出地面塌陷的预警信息。结果 表明:2021年2月16 0 22:00-23:00时间段利用微震自动监测技术监测到大量的震动、微震事件,而地面塌陷于次 日10:00才表现出来,即采空区地下塌陷源开始时间比地面塌陷显现早10 h,说明通过对微震事件和微震波形的分析 和判断,可以提前发布采空区地面塌陷的预警信息,为救灾工作赢得充足的时间。微震自动监测技术在湖北省A石 膏矿采空区地面塌陷预警中的成功应用,对我国其他石膏矿采空区地面塌陷的
4、预警具有示范应用效果。关键词:石膏矿;采空区;地面塌陷;微震自动监测技术中图分类号:X43;P642.26 文章编号:1671-1556(2023)03-0190-07 收稿日期;2022-11-14DOI:10.13578/ki.issn.1671-1556.20221519 开放科学(资源服务)标识码(OSID):Applicatio n o f Micro seismic Auto matic Mo nito ring Tech no lo gy in Early Warning o f Gro und Co llapse in A Gypsum Mining Go af o f J i
5、ngmen CityYANG Yijun,LI Ye,LIANG We i,SHI Ch a ngba i(Hyd ro g eo lo g y Eng ineering Geo lo g y Brig ad e o f Hubei Geo lo g ic al Bureau,Jing zh o u 434031,Ch ina)Abst r ac t:Hubei Pro v inc e is ric h in gyps um minera l res o urc es,wit h la rge a rea s o f go a f lef t by h is t o ric a l minin
6、g.Gro und c o lla ps e h a s o c c urred f ro m t ime t o t ime,s e rio us ly t h rea t ening peo ples liv es a nd pro pert y.Th eref o re,ef f ect iv e mo nit o ring a nd ea rly wa rning o f gro und c o lla ps e in gyps um mining go a f is c ruc ia l f o r dis a s t er prev e nt io n,mit iga t io n
7、 a nd relief.Tra dit io na l mo nit o ring met h o ds f o r gro und s ubs idenc e in gyps um mine,s uc h a s geo det ic def o rmat io n mea s urement,remo t e s ens ing mea s urement?et c.,a re dif f ic ult t o pro v ide a dv a nc e wa rning due t o t h eir 丘mit ed t imelines s.Ta k ing A gyps um mi
8、ne in Jingmen a s t h e res ea rc h o bjec t,mic ro s eis mic a ut o ma t ic mo nit o ring t ec h no logy is int ro duc e d f o r ea rly wa rning o f gro und c o lla ps e in t h e qua rry a rea.Th ro ugh t h e a na lys is o f t h e mic ro s&s mic s igna l,t h e ea rly wa rning inf o rma t io n f o r
9、 gro und c o lla ps e is is s ued A la rge number o f s h a k ing a nd mic ro s eis mic ev ent s were det ec t ed us ing mic ro s eis mic a ut o ma t ic mo nit o ring t ec h no lo gy f ro m 22:00 t o 23:00 o n Februa ry 16,2021,t h e c o lla ps e o f t h e gro und did no t ma nif es t it s elf unt i
10、l 10:00 t h e next da y.Th e res ult s s h o w t h a t t h e undergro und c o lla ps e s o urc e in t h e go a f s t a rt s 10 h ea rlier t h a n t h e s urf a c e c o lla ps e indic a t ing t h a t t h ro ugh t h e a na lys is a nd judgment o f mic ro s eis mic ev ent s a nd mic ro s eis mic wa v e
11、f o rms t h e ea rly wa rning inf o rma t io n o f gro und c o lla ps e in t h e go a f c a n be is s ued in a dv a nc e t o win s uf f ic ient t ime f o r dis a s t er relief wo rk.Th e s uc c es s f ul a pplic a t io n o f mi-作者简介:杨宜军(1971),男,副高级工程师,主要从事水工环地质方面的研究工作。E-ma il:393995475qq.c o m 通讯作者:
12、李 业(1982),男,高级工程师,主要从事水工环地质方面的研究工作。E-ma il:505798269qq.c o m第3期杨宜军等:微震自动监测技术在荆门市A石膏矿采空区地面塌陷预警中的应用191c ro s eis mic a ut o ma t ic mo nit o ring t ec h no lo gy in t h e ea rly wa rning o f gro und c o lla ps e in gyps um mining go a f in Hubei Pro v inc e h a s a demo ns t ra t io n a pplic a t io n
13、 ef f ec t o n t h e ea rly wa rning o f gro und c o lla ps e in o t h er gyps um mining go a f in Ch ina.Key wo r ds:gyps um mine;mined-o ut go a f;gro und c o lla ps e;mic ro s eis mic a ut o ma t ic mo nit o ring t ec h no lo gy我国石膏矿资源非常丰富,大多为沉积型矿床,顶板一般为泥质砂岩或泥岩,强度非常低,易发生大 面积采空区地面塌陷事故。此外,石膏矿大多为房柱
14、法E开挖,早期管理不足,滥挖滥采的现象导致了大 面积、不规则的石膏矿采空区,进而造成大范围的 地面塌陷时。湖北省荆门市掇刀区石膏矿自20世 纪90年代建矿以来,地面塌陷时有发生,造成了极大 的经济损失。截止到2018年12月年底,区内石膏矿 采空区共发生地面塌陷45次,塌陷区面积为41.59 万m2,造成直接经济损失约2亿元,故对荆门市石膏 矿采空区开展地面塌陷预警监测工作是非常必要的。为了对石膏矿采空区地面塌陷进行有效的监测 和预警,诸多学者对其监测方法和技术进行了研究。例如:穆家雷利用InSAR技术对安徽省恒泰石膏 矿因开采引起的地表形变进行了监测,通过将Sen-t ine l-lA数据提
15、取对应时间段地表的时序形变值,来反映地表变形速率;马福义等皈利用高精度全球 导航卫星系统(GNSS)实时监测技术对鹤岗矿区益 新煤矿工业广场地表形变进行了监测,得到了地表 变形方向和沉降量;胡华宗利用无人机遥感系统,通过实测不同阶段无人机遥感数据记录,精准掌握 了矿井地面塌陷及地面震荡规律,明确了地表位移 与侵蚀情况等;郭芳等利用遥测技术获取了动态 的石膏矿采空区监测数据,能实时地掌握采空区顶 板及围岩的变形情况,从而采取相应的措施。上述研究方法虽在监测采空区地表形变方面起 到了一定的作用,但仍然存在一些局限性如:仅 能反映矿区地表整体变形情况,难以实施精细监测 且监测误差较大,无法得知地下采
16、空区形变;预警 时效性较差,无法在地面发生变形前的一定时间内 发出有效预警信息。鉴于此,本文以荆门市A石膏 矿为研究对象,通过引入微震自动监测技术,成功监 测到在地面塌陷前岩层断裂产生的微震波,以及石 膏矿采空区从岩层断裂一采空区垮落一上覆岩层大 面积破坏一地表变形全过程的微震波信号,并通过 对微震波信号的分析,发出地面塌陷的预警信息。此次预警分析,旨在为其他石膏矿采空区地面塌陷 短期精准预警起到引领作用。1研究区概况1.1矿区概况湖北省荆门市A石膏矿位置为东经11215 北纬3059z(图1),属低缓丘陵地貌,区内最高海拔 图1湖北省荆门市A石膏矿区位置示意图Fig.1 Mine locat
17、ion of A g ypsum mining area in Jing men City,Hubei Province192妥全与猱就工程 ht t p:/水t aq c bpt.c 第30卷标的高为+104.5 m,最低海拔标高为+60.3 m,相 对高差为44.2 m,山体坡度为510,地面主要为 林地、农田、道路、居民房屋和小型堰塘。A石膏矿采空区上部覆岩物质组成主要为第四 系冲洪积(Q)松散土类、古近系下统龚家冲组(Eg)极软-较软砂岩岩组、白垩系上统跑马岗组(K2R极 软-软泥质粉砂岩、粉砂质泥岩岩组(图2)。A石膏 矿采空区上部覆盖层厚度为35.8238.5 m,总体呈20 60
18、 100 140 180 220 260 300 340 380 420 460 500 540 580 620 660 700 740 780 820 860 900 940 98010201060 平距/m 图|Eg|古近系下统龚家冲组三*泥质砂岩|K0|白垩系上统跑马岗组泥岩展茅石膏矿层|I_I|膏矿采空区 pxj断层图2湖北省荆门市A石膏矿区地质剖面图Fig.2 Geolog ical profile of A g ypsum mining area in Jing men City,Hubei Province北东薄南西厚,中部局部地段呈中间厚南北薄,受断 层错动和地表起伏的影响,采
19、空区覆岩厚度为95 155 m0区内开采矿层为X膏矿组层和W膏矿组层,采 用房柱法开采,采用斜井开拓,至目标矿层后,沿矿 层走向分中段开拓水平运输巷。区内X膏矿组层厚 为1.9112.98 m,w膏矿组层厚为1.274.32 m,矿层走向为247Z8,赋存标高具有东北高西南 低的特点,造成采空区的分布呈东北高西南低的特 点。l.2地面塌陷区概况2021年2月17日上午10时左右,A石膏矿采 空区发生地面塌陷,地面塌陷区中心地理坐标为东 经 11215z35.70、北纬 305933 15。主变形区内发育一处椭圆形塌陷坑,面积约为 595.4血,长轴约为50 m,走向为40,短轴约为30m,地面
20、塌陷最深达810 m,该塌陷坑导致约667 in?葡萄园地毁坏(图3)。主变形区外围裂缝发育,主控裂缝呈环形贯通,其中塌陷坑东南侧裂缝(LF1.LF2)规模最大、下坐最为明显,裂缝整体宽(a)地面塌陷前(b)地面塌陷后图3荆门市A石膏矿采空区地面塌陷前后对比图Fig.3 Comparison chart before and after g round collapse in A g ypsum mining g oaf of Jing men City第3期杨宜军等:微震自动监测技术在荆门市A石膏矿采空区地面塌陷预警中的应用193为0.20.3 m,下坐0.51.0 m形成陡坎,呈东高 西低
21、,可见深约1.5 m;塌陷坑北西侧裂缝(LF3)宽 为0.10.2 m,下坐为0.10.2 m,呈南高北低,可见深约0.5 m;塌陷坑东侧裂缝(LF4)宽约为3 c m,主要表现为荆革路路面隆起、拉裂。2微震自动监测技术2.1微震监测方法在内力或外力作用下大多数固体材料会发生形 变或者断裂,并以弹性波形式向外界释放应变能,这 种现象称为微震活动,简称“微震o高灵敏检波 器可以自动采集岩体破裂过程的微震信息则,并通 过软件对其进行记录、处理和分析,最后可用于推断 和分析微震事件发生的时间、位置、能量等震源特 征,这种技术称为微震自动监测技术鉴于微震 自动监测技术的高灵敏性、实时、动态等优点,该技
22、 术已被诸多学者用于矿区地面塌陷的监测,并取得 了一定的研究成果M闵。石膏矿采空区地面塌陷孕育过程微震监测系统 示意图,如图4所示。石膏矿采空区地面塌陷孕育 的本质是从塌陷源发展的一系列岩体破裂事件,即:岩体破裂发生后,所产生的振动波通过周围介质向 外传播,紧贴岩壁的单轴与三轴传感器将接收到的 原始微震信号转变为电信号,实时传递到井下数据 交换中心,并通过通讯系统将数据信号发送到地面 监测站中心服务器,由专业人员操作分析处理软件 对微震数据进行多方面、多层次的提取分析,最终推 断出微震事件发生的时间、位置、趋势,得到石膏矿 采空区地面塌陷孕育过程如。通过实时分析石 膏矿采空区的微震事件数量以及
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