某金属矿山微震监测系统建设与应用_彭燕丽.pdf

某金属矿山微震监测系统建设与应用彭燕丽1,刘强2,王平2(1.云南金诚信矿业管理有限公司,云南 昆明 6 5 0 5 0 6;2.矿冶科技集团有限公司,北京 1 0 2 6 2 8)摘 要:为监测采空区围岩地压状况,某金属矿山设计并建设了一套微震监测系统。通过台网分析对设计方案进行了优化,并经过波速校正获得定位误差满足定位精度要求的速度模型。3个月的矿山微震事件监测数据分析结果表明,微震事件的时空聚集状态可用于表征空区围岩的破裂发育程度,深部集中爆破作业是影响浅部采空区岩体稳定性的主要因素,矿山需对微震事件聚集区加强巡查,并对已经有变形垮塌的区域进行及时治理。关键词:微震监测;台网优化;波速校正;数据分析 随着浅部矿产资源开采完毕,众多金属矿山逐步向深部转移,由此引起的地压灾害已成为矿山安全生产的重大威胁。由于矿山浅部开采留下大量空区,若不对采空区进行充填,其矿岩结构的支撑能力较弱,在原生构造的切割作用下,其支撑能力进一步被削弱,极易在局部区域形成应力集中,造成空区围岩及周边巷道的垮塌破坏,严重威胁深部采场的安全。诸多实践表明,通过建立地压监测系统可达到监测、预警地压灾害的目的13。在诸多监测手段中,微震监测系统以其区域性与实时性逐步成为矿山地压动态监测与风险预警的重要工具45。某金属矿山经过几十年的开采,其浅部5个中段已全部回采完毕,形成了大量的采空区。为了确保矿山深部资源的安全开采,该矿山矿建设了微震监测系统,通过监测采空区及其周边的微震事件,研究采空区矿岩结构地压活动规律,为矿山制定采空区地压治理措施提供了技术支撑69。1 矿山地压概况该金属矿采用浅孔留矿法开采,留下体积达百万立方米的采空区,顶板暴露面积超过2万m2。部分采空区出现垮塌情况,空区周边巷道局部收敛变形,矿山采用钢筋混凝土或钢轨支架进行支护,但多数支护结构已产生变形错位,混凝土支护体也出现裂缝或脱落,表明已开采完毕的5个中段已有较为强烈的地压显现。2 微震监测系统方案设计2.1 方案设计根据该金属矿山现阶段采掘计划与采空区地压显现情况,设计在第3、第4、第5三个中段建立一套微震监测系统(如图1所示)。微震监测系统由传感器、数据采集基站、时间授时服务器、地表工作站组成,通过布设在岩体的中传感器组成阶段收敛空间台网,对监测区域的破裂事件进行高精度震源定位,实现矿区范围内危险源的时空定位、安全预警。与传统的应力、位移和声发射监测技术相比,微震监测技术具备直接监测由点到面再到区域性的渐进性破坏过程的功能,能够监测到岩体中正在发生的渐进性破坏过程,更早地给出岩体的失稳预警,从而使矿山有更多的时间做出应对措施。该矿山微震监测系统包含4 0个微震传感器、5台八通道微震采集仪、1台微震采集与分析服务器。各中段的段高为4 0m,综合考虑传感器信号传输距离与监测范围,在第3、第5中段分别布置2台微震采集仪和1 6个微震传感器,在第4中段布置的1台微震采集仪和8个微震传感器,各采集仪之间通过光纤连接汇总至第3中段,再经副井连接至地表调度室的微震采集与分析服务器。微震传感器安装在采空区周边的穿脉围岩内,钻孔深度1 0m。如图2所示,第3中段与第5中段各1 6个传感器均匀布设在0#穿脉至7#穿脉之间,第4中段8个传感器布设在0#穿脉至3#穿脉之间,数据采集基站则安装在穿脉口,利用通信线缆与I S S N1 6 7 1 2 9 0 0C N4 3 1 3 4 7/T D采矿技术 第2 3卷 第2期M i n i n gT e c h n o l o g y,V o l.2 3,N o.22 0 2 3年3月M a r.2 0 2 3DOI:10.13828/ki.ckjs.2023.02.008图1 微震监测系统结构图2 传感器布置传感器相连。传感器与数据基站均可拆卸,具备将监测台网收敛至灾害区或随生产动态向深部调整的功能,提高监测针对性,降低监测成本和后期运维成本。按照以上传感器布设方案在三维分析软件中进行台网分析,得到微震监测系统定位误差云图,监测台网最大定位误差小于1 2m,完全能够满足矿山安全监测的需求。2.2 波速校正由于矿山岩性、采掘结构不同,采用默认波速进行定位会存在一定的误差,需通过定点爆破的方式模拟岩石破裂,利用微震监测系统采集标定爆破震动参数,获得符合现场地质情况的波速判据,使监测系统更精确定位微震事件和爆破事件。微震监测系统建成后,现场分别在第5中段0#穿脉、第4中段7#穿脉、第4中段1#穿脉3个位置进行了定点爆破,选取前两个定点爆破进行波速校正,再用第3个定点爆破进行结果验证。微震监测系统默认波速为Vp=5 0 3 8m/s,经过爆破波形标定,第5中段0#穿脉、第4中段7#穿脉两次定点爆破定位误差分别为8.9 6m和1 2.3 4m。经过爆破数据分析,计算得到珊瑚钨矿的速度模型Vp=4 9 0 7.9 8 9m/s。在此设置下,对第4中段1#穿脉爆破点进行定位验证,得到的数据见表1,定位误差为4.5 5m,满足系统定位精度要求。图3 波速校正结果表1 结果验证数据爆破地点各方向定位误差空间距离定位误差/m第4中段1#穿脉X=2.7 6mY=3.6 1mZ=0.2 9m4.5 52.3 微震事件识别与定位微震监测系统监测到震动信号后,需要对微震信号原始波形进行鉴别和处理。通常采用能量法中的S T A/L T A即长短时窗比法进行波形识别,S T A指信号在固定长度的短时窗,L T A指长时窗中的平均值,用二者比值来描述该段信号的振幅即能量的变化情况,以判定信号的类别以及P波与S波的到时。但在实际工程应用中微震信号自动处理效果不佳,仍需要人工处理干预,人工处理经验总结对于提高数据处理效率至关重要。矿山各种噪声信号波形不同,需将波形进行分类拾取,其主要目的是将微震事件和爆破事件识别区分开,提取真正岩体破坏的地震波的微震信息,将干扰噪音等波形事件剔除。图4为集中典型的波形信号,多段连续爆破在时间上有明显的连续性,一个窗口可监测到多个波形。单段爆破与微震信号往往容易混淆,需要利用拐角频率、振幅等参数进行更为细致的区分。微震事件的定位则需要进行P波与S波的到时拾取,P波到时位置一般振幅变化明显,人工拾取P波到时相对准确;S波到时是在第1次振幅变大之后,第2次振幅突增的时刻,其频率也有所变化,在视觉上S波到时前后波形横向疏密程度不同。在按照传感器触发时间排序的情况下,若有个别传感器采集的数据到时与整体趋势差别大,可将该通道屏蔽,使其不参与定位计算。在得到震源定位结果后,86采矿技术2 0 2 3,2 3(2)还需考虑定位结果误差是否在允许范围内,若误差较大,则需要重新调取各通道到时,直至定位误差符合要求。(a)微震信号(b)单段爆破信号(c)多段爆破信号图4 典型矿山震动波形2.4 微震监测数据分析通过对矿山微震事件的监测,分析微震事件时间与空间分布特征,并结合矿山地质、生产情况,掌握不同时间段监测区域的地压活动强度,划分出地压活动强度集中区域,从而得到矿山地压活动规律,进而对监测区域内的地压情况进行评价。图5为2 0 2 1年6月至2 0 2 1年8月期间微震事件空间分布,微震事件聚集区较多,主要分布在第3中段2#穿脉至4#穿脉、第4中段0#穿脉至1#穿脉、第5中段9#穿脉至6#穿脉区域,第5中段以下微震事件最为密集。根据现场巡查,第3中段4#穿脉2 7沿脉至3 6沿脉之间巷道收敛,第5中段7#穿脉5 1沿脉区域顶板有大面积石块冒落,第5中段4#穿脉4 6沿脉区域两帮垮落严重,表明上述微震事件聚集区的围岩出现了较强的破裂活动,其中第5中段地压问题比较严重,矿山应对现场已经有变形垮塌的区域及时治理,而对于尚未有地压显现的微震事件聚集区,围岩内部正处于破裂发育阶段,矿山应加强现场巡查。(a)俯视图(b)侧视图图5 微震事件空间分布图6为2 0 2 1年6月至2 0 2 1年8月期间累计微震事件数量每小时分布情况,微震事件主要集中在1 3:0 0至1 7:0 0时段,说明该时段生产作业对岩体稳定性影响较大。根据矿山现场生产作业情况,2#穿脉至6#穿脉为该时段第5中段主要生产区域,每日1 4:0 0至1 6:0 0为矿山集中爆破时段,由此可知,监测结果与现场生产作业情况相符,本时段该区域的微震事件主要是由爆破震动诱发的,岩体在爆破后出现集中错动与破裂,且第5中段以上采空区岩体也监测到一定数量的破裂信号,因此可判定矿山深部集中爆破作业是影响浅部采空区及深部采场附近岩体稳定性的主要因素。图6 累计微震事件数量时间分布微震监测系统只能监测部分应力或蠕变过程,96彭燕丽,等:某金属矿山微震监测系统建设与应用可由记录到的微震事件计算得到,微震波记录给出了震源应力和应变的变化。一个从软弱地质构造或岩体中的软弱夹层发出的微震事件的震源发生较慢,具有较小的应力差,每单位非弹性微震变形释放的微震能量也较少。反之,相同震源对高应力下的硬质岩体中可释放更大的能量。对于发生在一个矿山的不同的应力或应变区域内的具有相似震源参数的微震事件,其释放的微震能量的变化远大于监测的不确定性和信息处理中传递的误差,因此基于监测范围内的微震事件进行微震应力定量比较,可以定位应力相对较大的区域。图7为基于2 0 2 1年6月至2 0 2 1年8月第5中段监测到的微震事件得到的微震应力云图,2#穿脉至4#穿脉南部出现两个应力集中区,3#穿脉南部应力相对较大,但未出现应力峰值,应作为应力集中风险区域进行管控,矿山技术人员需及时查看对应区域岩体情况,做好支护工作。图7 基于微震事件的应力云图3 结论(1)根据采掘计划与采空区地压显现情况,通过台网分析优化设计并建设了一套高精度微震监测系统,波速校正后的系统定位误差可满足定位精度要求,能获得良好的监测效果。(2)微震事件聚集区表征着围岩出现了较强的破裂活动,深部集中爆破作业是影响浅部采空区及深部采场附近岩体稳定性的主要因素,矿山对现场已经有变形垮塌的区域及时治理,尚未有地压显现的微震事件聚集区围岩则是处于破裂发育阶段,矿山应加强现场巡查。参考文献:1 张苏闯,郭玉豹,蔡永顺,等.玲南金矿微震监测系统的建立及应用研究J.矿冶,2 0 1 5,2 4(0 4):5-9.2刘强,蔡永顺,石峰,等.微震监测技术在某金矿的应用与研究J.中国矿业,2 0 2 0,2 9(S 1):1 4 5-1 4 8.3李京濂,尚仕科,张君,等.统计地震学在矿山动力灾害预测中的应用J.有色金属(矿山部分),2 0 1 5,6 7(0 1):7-1 0+2 4.4张尔辉,朱权洁,缪华祥,等.基于微震技术的矿山地压活动监测及预警研究J.金属矿山,2 0 2 0(0 8):1 7 2-1 8 1.5郭晓强,王果,唐绍辉,等.基于微震的地压灾害预警体系构建与应用研究J.金属矿山,2 0 2 0(0 8):1 6 4-1 7 1.6杨承祥,罗周全,唐礼忠.基于微震监测技术的深井开采地压活动规律研究J.岩石力学与工程学报,2 0 0 7(0 4):8 1 8-8 2 4.7蒋金泉,张培鹏,秦广鹏,等.高位主关键层破断失稳及微震活动分析J.岩土力学,2 0 1 5,3 6(1 2):3 5 6 7-3 5 7 5.8王平,张洋,黄发凯,等.亚克斯铜镍矿复杂采空区稳定性规律研究J.有色金属(矿山部分),2 0 1 8,7 0(0 6):2 4-2 8.9程超.金属矿山采场顶板冒顶微震短临预警前兆模式研究J.矿业研究与开发,2 0 2 0,4 0(0 5):9 8-1 0 2.(收稿日期:2 0 2 2-0 8-1 9)作者简介:彭燕丽(1 9 8 4),女,云南大理人,工程师,主要从事电气工程研究与应用工作,E-m a i l:p e n g y a n l i j c h x m c.c o m。07采矿技术2 0 2 3,2 3(2)