胡靜云，林 峰，彭府華，沈慧明，李庶林，3

（1.長沙礦山研究院 采礦工程中心，湖南 長沙 410012；2.江西修水香爐山鎢業(yè)有限責任公司，江西 九江 332438；3.廈門大學建筑與土木工程學院，福建 廈門 361005）

0 前言

香爐山鎢礦位于江西省九江市修水縣城北西35km，礦區(qū)面積 5.3km2，礦體賦存于坡度為 25°～30°的山坡中，為緩傾斜、厚度為中厚的礦體，平硐開拓。礦體為白鎢礦鈣硅角巖礦石，頂板圍巖為含炭硅泥質灰?guī)r，底板為細粒黑云母花崗巖，礦體及頂?shù)装鍑鷰r總體穩(wěn)固，礦體分布范圍廣，連續(xù)性好，礦床水文地質條件簡單。礦山1993年開采之初設計的生產能力為150t/d，后由于資金與經營困難，修水縣政府于2000年對香爐山鎢礦整體接收后進行對外招商引資，把主礦體東段分別承包給10多個民營采礦企業(yè)，由于技術裝備比較低，采富棄貧，采易棄難，企業(yè)之間相互偷采，缺乏總體規(guī)劃，導致形成的采空區(qū)面積大、相互貫通與重疊、形狀復雜且沒有進行處理。2003年中國五礦有色金屬股份有限公司對香爐山鎢礦進行了控股，對礦體資源開發(fā)進行了統(tǒng)籌規(guī)劃，加強了礦山井下生產的安全管理工作，但是由于2000～2003年多家民營采礦企業(yè)的開采已經使香爐山鎢礦礦體的整體性遭到了質的破壞，目前所采用的采礦方法基本上為留點柱、條柱的空場法，對采空區(qū)的頂板、底板和邊角富礦進行殘采，無軌設備運輸。截止到2010年井下采空區(qū)體積已經達到了200×104m3，礦柱所占體積與采空區(qū)體積之比不到20％，且采空區(qū)的體積以每年近20×104m3的速度增加，已經形成的采空區(qū)采場最大凈空跨度超過20m，礦柱高度5～20m，平均采深150m，目前東部殘采生產能力要保持在 1800～2000 t/d。

由于香爐山鎢礦東部采空區(qū)體積大、相互貫通與重疊且形狀復雜，局部區(qū)域已經發(fā)生過較大面積的冒頂?shù)鹊貕簽暮?。同時由于礦山采用空場法，人員和設備必須長時間暴露在空場下進行作業(yè)，隨著東部殘采的進一步進行，勢必會使頂板連續(xù)暴露面積、礦柱高度進一步增加，有可能產生大面積頂板冒落或由于一個礦柱垮塌導致連續(xù)多個礦柱呈“多米諾骨牌”效應垮塌與由此誘發(fā)的空氣沖擊波等嚴重的地壓災害。為了避免與降低地壓災害對人員與設備的損害，對殘采區(qū)域頂板與礦柱結構系統(tǒng)進行全天候實時的監(jiān)測是礦山進行安全生產的必要的條件。

多通道微（地）震監(jiān)測技術是目前全球最先進的巖體穩(wěn)定性狀態(tài)監(jiān)測技術，它包括聲發(fā)射與地震學理論，涵蓋了聲發(fā)射與微地震監(jiān)測頻率段，是以巖體微破裂時由巖體彈性應變能釋放轉化的地震波為監(jiān)測對象的。多通道微（地）震監(jiān)測技術集合了計算機、通信等技術，實現(xiàn)了對覆蓋區(qū)域的實時全天候自動化監(jiān)測和對監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動收集與預處理。多通道微（地）震監(jiān)測技術能對巖體破裂源進行定位，同時通過對能反映巖體破裂源物理力學狀態(tài)的聲發(fā)射/微震參數(shù)進行分析來評價巖體的穩(wěn)定性狀態(tài)。本文將結合香爐山鎢礦殘采區(qū)已建立投入使用的多通道微（地）震監(jiān)測系統(tǒng)來進行微震監(jiān)測技術在香爐山鎢礦殘采區(qū)的應用技術的研究。

1 多通道微震監(jiān)測系統(tǒng)簡介

1.1 系統(tǒng)組成［1，2］

香爐山鎢礦多通道微震監(jiān)測系統(tǒng)為全數(shù)字型48通道微震監(jiān)測系統(tǒng)，為目前國際上最先進、國內通道數(shù)最大的全數(shù)字型微震監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由井下傳感器、井下微震數(shù)據(jù)采集儀、地表數(shù)據(jù)處理站三大部分組成。48個傳感器分布在礦區(qū)東部的700m×800m的殘采區(qū)域，主要監(jiān)測東部殘采區(qū)的地壓活動，同時對西部采區(qū)的地壓也有較好的監(jiān)測效果。8臺微震數(shù)據(jù)采集儀（paladin）分別安裝在兩個坑口，一坑口和五坑口各安裝4臺paladin。地表數(shù)據(jù)處理站建在地表公司辦公樓內。在每個傳感器與Paladin系統(tǒng)之間為模擬信號傳送，采用信號電纜線相連，Paladin與地表處理站之間數(shù)據(jù)先從數(shù)字信號轉換成光信號，經光纜傳輸至地表，再由光信號轉換成數(shù)字信號到達處理器。系統(tǒng)組成如下圖1所示。

圖1 多通道微（地）震監(jiān)測系統(tǒng)組成圖Fig.1 Layout of multi-channel microseismic monitoring system

圖2 定位誤差等值云圖Fig.2 The contour diagram of location error

系統(tǒng)硬件主要包括傳感器、數(shù)據(jù)采集儀、數(shù)據(jù)處理儀和時間同步源發(fā)生器。傳感器為加速度型傳感器，輸出信號為電壓值，靈敏度平均為30V/g，響應頻率范圍為50～5000Hz。一個數(shù)據(jù)采集儀可以同時采集6個通道（傳感器）的模擬信號，并采用10kHz的采樣頻率，數(shù)字信號的精度為24bit。該系統(tǒng)采用了GPS授時的時間同步源發(fā)生器，同步授時精度為1×10-6秒。光電轉換器把數(shù)據(jù)采集儀處理得到的數(shù)字信號轉化為光信號，光信號通過光纖傳送到數(shù)據(jù)處理儀。系統(tǒng)軟件包括數(shù)據(jù)網絡采集軟件（Hnas），事件三維可視化軟件（SeisVis），波形可視化軟件（WaveVis）、Paladin診斷軟件（Paladin Diagnostics）和事件處理器軟件（SeisProcTree）等。運用這些軟件使該系統(tǒng)具有“全天候實時監(jiān)測、全數(shù)字化數(shù)據(jù)采集、對事件進行定位處理和地震學參數(shù)計算、對定位事件進行三維可視化顯示、對事件波形進行可視化顯示與分析處理和遠程故障自檢測”等功能。

1.2 傳感器布置與優(yōu)化

傳感器空間布置有兩個重要指標：對重點監(jiān)測區(qū)域的定位誤差較小和對較小震級事件具有較高的靈敏度。同時傳感器的布置還應考慮到現(xiàn)場布置條件的限制。通過對傳感器布置方案的不斷調整與優(yōu)化，綜合考慮而得到最恰當?shù)膫鞲衅鞑贾梅桨浮D2是傳感器最終布置方案的定位誤差等值云圖，從該圖上可以看出傳感器陣列具有較大的監(jiān)測覆蓋范圍，并且在采區(qū)目標監(jiān)測范圍內具有較高的定位精度。

1.3 定位效果分析［3］

系統(tǒng)自2010年8月15日開始投入運行以來，共監(jiān)測到包括生產爆破和放礦在內的15558個定位事件，圖3是定位事件在事件三維可視化軟件里的水平位置圖。通過對所有定位事件定位誤差的統(tǒng)計得到了如圖4的定位誤差分布圖。圖4表明超過68％定位事件的定位誤差在10m以內，表明系統(tǒng)對目標監(jiān)測區(qū)域內的微震事件有較高的定位精度，滿足工程要求。

圖3 事件三維可視化圖Fig.3 The 3-D visual of seismic event

2 地壓微震監(jiān)測初步應用

2.1 殘采區(qū)地壓監(jiān)測分析［4］

2.1.1 定位事件分析

定位事件表示破裂源釋放能量足夠大，被不少于5個傳感器接收到，發(fā)生定位事件反映破裂源所在巖體已經處于不平衡狀態(tài)。圖5a與5b分別是井下典型的一天內和一周內的定位事件分布圖。由圖5a可以看出井下定位事件主要集中于上午7時至10時、下午13時至15時和晚上17時至18時，這些時段是井下主要的生產作業(yè)時間，定位事件主要為生產爆破和放礦。晚上20時至次日凌晨6時沒有定位事件發(fā)生。圖5b定位事件的分布也呈現(xiàn)同樣的特點。說明在截止到定稿日期的監(jiān)測時間內井下沒有大的地壓活動，井下巖體處于相對穩(wěn)定期。

圖4 定位誤差分布圖Fig.4 The distribution of location error

2.1.2 非定位事件分析

非定位事件是指被單個傳感器接收到的微震事件，通常反映了單個傳感器附近巖體的微震活動性。微震事件率是指在一段時間內發(fā)生的事件總數(shù)，是評價巖體微震活動性最重要也是最常用的一個參數(shù)。

1395 Effect of attachment patterns on post-traumatic stress disorders of parents who lost their only child

在監(jiān)測過程中，發(fā)現(xiàn) 40#、21#、16#與 15#傳感器監(jiān)測到的微震事件數(shù)較多，同時在這些傳感器所在區(qū)域的巖體也出現(xiàn)了礦柱劈裂、頂板開裂與偏幫等地壓顯現(xiàn)現(xiàn)象。說明微震監(jiān)測系統(tǒng)能很好地反映井下圍巖體的活動狀態(tài)，同時起到了對井下危險區(qū)域進行準確的預警的作用。下面將詳細分析利用非定位事件預警危險區(qū)域的方法和過程。

（1）40#傳感器微震事件時間序列分析

40#傳感器微震事件率在8月30日出現(xiàn)了突增現(xiàn)象，具體見圖6。由圖6可以看出，40#傳感器微震事件率在8月29日及以前都小于10個/d，在8月30日突然增加到60個/d，并在8月31日繼續(xù)增加至最高值79個/d，出現(xiàn)這一情況后監(jiān)測技術人員向礦方發(fā)出了預警信息。隨后40#傳感器微震事件率便從9月1日開始持續(xù)下降。通過對40#傳感器所在礦柱及附近區(qū)域的現(xiàn)場勘查得知，40#傳感器所在礦柱于9月1日發(fā)生了劈裂地壓現(xiàn)象，同時在該礦柱附近頂板發(fā)生了冒頂與開裂，圖7為對40#傳感器所在礦柱發(fā)生的劈裂地壓顯現(xiàn)繪制的素描圖。

通過上述實例我們可以看到微震事件率與巖體破裂行為很好地吻合起來，微震事件數(shù)的突增表明巖體內部微破裂的快速增加，巖體宏觀破裂的顯現(xiàn)發(fā)生在事件率峰值之后，在上面的實例中即是微震事件率峰值發(fā)生在8月31日，巖體宏觀破裂顯現(xiàn)發(fā)生在微震事件率開始下降的9月1日，證明了巖體宏觀破裂發(fā)生在微震事件率相對平靜期之后。

圖5 定位事件時間分布圖Fig.5 The distribution on time of location events

（2）21#等傳感器微震事件時間序列分析

圖6 40#傳感器微震事件率隨時間的變化過程Fig.6 The process of seismic even t rate of number 40 sensor

圖7 40#傳感器所在礦柱地壓顯現(xiàn)素描圖Fig.7 The sketch of fracture in pillar

21#、16#與15#傳感器分別位于407北采、南2與南1采區(qū)域（圖8）。通過系統(tǒng)成功建立投入使用后一段時間的監(jiān)測，圖8所示區(qū)域的微震事件數(shù)較多，在井下整個監(jiān)測區(qū)域范圍內微震活動性是處于最高水平的。圖9為21#、16#與15#傳感器的微震事件率隨時間的變化圖。由圖9可以看出，21#傳感器微震事件率變化劇烈，在8月23日達到一個峰值59個/d后，又于8月31日達到一個峰值33個/d。在8月23日向礦方發(fā)出了21#傳感器所在的407北采區(qū)域可能為危險區(qū)域的預警后，礦方安全人員在407北區(qū)域發(fā)現(xiàn)了頂板開裂、采場冒落和巷道偏幫的地壓顯現(xiàn)現(xiàn)象，見圖10。

圖8 井下微震活動性較活躍區(qū)域Fig.8 The area with high seismic activity

圖9 各主要傳感器微震事件率隨時間變化Fig.9 The process of seismic event rate

圖10 407北采場地壓顯現(xiàn)現(xiàn)象Fig.10 The appearances of ground pressure in 407 north stope

由圖6和圖9中40#傳感器與16#傳感器最大微震事件率所對應的不同的巖體力學行為說明利用微震事件參數(shù)預測巖體穩(wěn)定性狀態(tài)的復雜性和規(guī)律的多樣性與不統(tǒng)一性。在具有相同微震事件率水平的條件下，同一礦山不同區(qū)域的巖體的力學行為不一樣［5］。

2.2 西部采區(qū)大爆破余震監(jiān)測分析［6，7］

西部采區(qū)采用中深孔爆破，目前已投產，是香爐山鎢礦以后主要的資源接替區(qū)。由于西部采區(qū)爆破作業(yè)一次裝藥量大、爆破頻繁，因此監(jiān)測西部大爆破對東部殘采區(qū)域的影響范圍和程度是十分重要的。

圖11 西部大爆破定位圖Fig.11 The location of great b lasting in west

圖11是微震監(jiān)測系統(tǒng)對8月31日18時51分西部一次大爆破的監(jiān)測圖，圖中顯示了大爆破發(fā)生的空間位置和爆破在巖體中產生的質點峰值速度（PPV）分布圖。

通過對本次西部大爆破后14個小時內各傳感器微震事件數(shù)進行的統(tǒng)計，得到了圖12。由圖12可以知道，微震事件數(shù)比較多的傳感器有16#、21#與40#，其他傳感器微震事件數(shù)很少或沒有。所有傳感器中與大爆破位置相距最近的是4#傳感器，距離是309m，但在大爆破后沒有監(jiān)測到微震事件。16#、21#與40#傳感器與大爆破位置的距離分別是402m、508m和700m。16#與21#傳感器微震事件率在大爆破后呈下降趨勢，表明這兩個傳感器所在區(qū)域的巖體的微震活動性受西部大爆破影響較大。40#傳感器微震事件率在大爆破后保持了一個較平穩(wěn)的過程，同時由本文的3.1節(jié)的論述可知，40#傳感器在大爆破前就已經處于微震活動性活躍期，表明該傳感器所在區(qū)域巖體的微震活動性受大爆破影響較小。

圖12 西部大爆破后主要受影響傳感器微震事件率隨時間的變化過程Fig.12 The process of seismic event rate of sensors which influenced by great blasting in west

通過對比各傳感器所在區(qū)域巖體在大爆破后的微震活動性可知，西部大爆破對東部殘采區(qū)域的地壓有影響，影響程度主要與巖體本身的破裂損傷程度有關，與距離西部大爆破位置的遠近程度沒有明顯關系。

3 巖體破裂形式分析［8］

香爐山采區(qū)巖體破裂形式主要有壓剪型與張拉型。壓剪型破裂產生的彈性波具有較明顯的P波與S波，見圖13a；而張拉型破裂產生的彈性波則只有P波，見圖13b。圖13另外還給出了兩種典型波形的頻譜圖，可知香爐山鎢礦典型的壓剪型破裂產生的彈性波的主頻為630Hz，張拉型破裂產生的彈性波的主頻為2100Hz。

4 結論

（1）針對香爐山鎢礦東區(qū)殘采區(qū)地壓問題成功地建立了48通道微震監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有全天候實時監(jiān)測功能，對殘采區(qū)目標監(jiān)測區(qū)域內的破裂源定位誤差在10m以內。

（2）40#、21#、16#與 15#等傳感器單通道微震事件較多，說明這些傳感器相對應所在采場微震活動性相對突出。傳感器微震事件率時間序列能與巖體破裂過程很好地吻合起來，能實現(xiàn)對井下危險區(qū)域進行預警的作用。

圖13 香爐山鎢礦巖體主要破裂形式及其波形Fig.13 The main fracture type and waveform in Xianglushan mine

（3）西區(qū)大爆破對東區(qū)地壓有影響，影響程度主要與巖體本身破損程度有關，與距離西區(qū)大爆破位置的遠近程度關系不大。

（4）通過對監(jiān)測到的巖體破裂波形分析可知，香爐山鎢礦東區(qū)殘采區(qū)巖體破裂形式主要有壓剪型和張拉型，破裂產生的彈性波所處的頻率段分別為630Hz與 2100Hz。

（5）初步的地壓微震監(jiān)測與分析結果表明，微震監(jiān)測技術在香爐山鎢礦殘采區(qū)的地壓監(jiān)測中顯現(xiàn)出較好的應用效果，可以預見該技術將在今后的應用中起到更加重要的作用。

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