程 超，蘭曉平，吳水生，胡靜云，林 峰，彭府華，李庶林

（1.江西修水香爐山鎢業(yè)有限責(zé)任公司，江西 九江 332438；2.長沙礦山研究院國家金屬采礦工程技術(shù)中心，湖南 長沙 410012）

香爐山鎢礦為緩傾斜、中厚礦體，平硐開拓，礦體及頂?shù)装鍑鷰r總體穩(wěn)固，礦床工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件簡單。截至2010年井下采空區(qū)體積已經(jīng)達到了200萬m3，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20萬m3的速度增加，已經(jīng)形成的采空區(qū)采場最大凈空跨度超過20m，地壓形勢嚴峻。由于在歷史上長期由數(shù)十家民采企業(yè)進行過無序開采，香爐山鎢礦東部形成的采空區(qū)體積大且形狀復(fù)雜，局部區(qū)域曾發(fā)生過較大面積的冒頂?shù)鹊貕簽?zāi)害。同時礦山采用空場法，人員和設(shè)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(chǎn)生大面積頂板冒落或由于一個礦柱垮塌導(dǎo)致連續(xù)多個礦柱垮塌。為了避免與降低地壓災(zāi)害對人員與設(shè)備的損害，香爐山鎢礦采用國內(nèi)先進的全數(shù)字型多通道微震監(jiān)測系統(tǒng)，對東部殘采區(qū)域的地壓活動進行全天候?qū)崟r監(jiān)測［1］。

1 微震監(jiān)測系統(tǒng)簡介

1.1 微震監(jiān)測系統(tǒng)組成

香爐山鎢礦微震監(jiān)測系統(tǒng)為48通道全數(shù)字型微震監(jiān)測系統(tǒng)，于2010年8月建成并正式投入使用。監(jiān)測系統(tǒng)由井下分布式傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、地表監(jiān)測站三部分組成，攜帶48個單軸加速度傳感器。該監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時傳輸、處理與三維可視化顯示，數(shù)據(jù)的遠傳監(jiān)控等功能。采區(qū)內(nèi)，經(jīng)過優(yōu)化的48個傳感器布置在東部采空區(qū)內(nèi)，對東部采區(qū)實現(xiàn)了大范圍的覆蓋，傳感器的分布位置見圖1所示。

圖1 傳感器布置圖

1.2 微震監(jiān)測技術(shù)特點

與常規(guī)的地壓監(jiān)測技術(shù)手段相比，多通道微震監(jiān)測技術(shù)具有以下幾個特點［2］。

（1）該技術(shù)可實現(xiàn)對微震（微破裂）事件的全天候?qū)崟r監(jiān)測。

（2）突破了傳統(tǒng)監(jiān)測方法力（應(yīng)力）、位移（應(yīng)變）中的“點”或“線”意義上的監(jiān)測模式，實現(xiàn)對設(shè)計監(jiān)測范圍內(nèi)的巖體破壞（裂）過程在空間概念上的時間過程監(jiān)測，并可實現(xiàn)常規(guī)方法人不可達到地點的監(jiān)測，減輕了監(jiān)測人員的工作危險性與勞動強度。

（3）實現(xiàn)了對微震事件的高精度空間定位。

（4）可采用微震事件數(shù)、能量、震級、視應(yīng)力、動應(yīng)力降、靜應(yīng)力降、震源半徑等物理量的分析，實現(xiàn)從更多的角度來了解地壓情況。

（5）對監(jiān)測數(shù)據(jù)實現(xiàn)了全數(shù)字化采集、存儲與處理。

（6）實現(xiàn)了多用戶的遠程監(jiān)測。計算機遠程可視化監(jiān)控與分析，為建立專家診斷系統(tǒng)打下了基礎(chǔ)。

2 微震監(jiān)測應(yīng)用

2.1 地壓災(zāi)害預(yù)警實例

微震監(jiān)測可以有效地對冒頂、礦柱開裂垮塌等地壓災(zāi)害的前兆信息進行監(jiān)測，從而實現(xiàn)對地壓災(zāi)害的預(yù)警。自2010年8月15日微震監(jiān)測系統(tǒng)在香爐山鎢礦成功投入使用以來，已經(jīng)多次成功實現(xiàn)了對井下礦柱開裂、采場頂板冒頂、片幫的預(yù)警。現(xiàn)將一個典型的預(yù)警實例介紹如下。

2010年10月13日通過處理井下微震監(jiān)測數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn)，5坑口610四采的37#傳感器微震事件數(shù)突增，當天微震事件數(shù)達到130個，遠高于日常平均水平，顯示該區(qū)域出現(xiàn)異常，見圖2所示。于是監(jiān)測技術(shù)人員當天便發(fā)出了預(yù)警信息，對該區(qū)域進行了警戒封閉和人員撤離。進一步的微震監(jiān)測顯示37#傳感器微震事件率連續(xù)三天處于高水平，于10月16日發(fā)生了冒頂，冒頂發(fā)生后微震事件率便重新處于較低的日常平均水平，冒頂后的現(xiàn)場實際情況見圖3所示。

圖4是實時監(jiān)測界面和監(jiān)測到的冒頂前巖體破裂產(chǎn)生的微震信號波形。由圖可以明顯看出，信號波形只包含P波成分，對應(yīng)著巖體張拉破壞類型，這與現(xiàn)場巖體受力狀態(tài)一致。

圖2 冒頂前后37#個傳感器微震事件率變化圖

圖3 冒頂現(xiàn)場照片

圖4 2010年10月14日實時監(jiān)測的破裂信號波形

2.2 危險區(qū)域圈定

多通道微震監(jiān)測技術(shù)具有攜帶的傳感器數(shù)量多、監(jiān)測點分布廣泛、對巖體破裂的微震源有較高精度的定位功能以及大范圍巖體空間監(jiān)測等特點，它最適合對采礦動態(tài)過程的應(yīng)力重分布過程的實時監(jiān)測，及時反映出應(yīng)力重分布的集中區(qū)域，對因應(yīng)力集中而產(chǎn)生的危險區(qū)域能實現(xiàn)及時的監(jiān)測、定位與圈定［3］。2011年7月28日，在東部采區(qū)四坑口的東五與東六采場監(jiān)測到多個微震定位事件。由于微震定位事件一般代表強度較大的巖體破壞，因此微震監(jiān)測人員及時對該區(qū)域發(fā)出了預(yù)警。隨后安全人員對該區(qū)域進行了勘察，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了多次不同程度的冒頂。圖5是該區(qū)域微震定位事件的空間分布圖，根據(jù)圖5中微震定位事件的分布區(qū)域和現(xiàn)場的勘查情況，礦方對該區(qū)域圈定了危險區(qū)域，禁止人員進入。

圖6是該危險區(qū)域發(fā)現(xiàn)前后微震定位事件的事件率變化圖。圖7是典型的微震定位事件被多個通道監(jiān)測到的信號波形圖。

圖5 微震定位事件空間分布圖及危險區(qū)域的圈定

圖6 微震定位事件率變化圖

圖7 典型的微震定位事件信號波形圖

2.3 指導(dǎo)采礦設(shè)計

微震監(jiān)測數(shù)據(jù)能較好地反映出井下由于受持續(xù)開采擾動所產(chǎn)生的應(yīng)力重分布，對危險區(qū)域具有較好的定位與圈定作用，這種作用能指導(dǎo)礦山的采礦設(shè)計和優(yōu)化回采順序。通過微震監(jiān)測評定危險區(qū)域與指導(dǎo)殘采設(shè)計在該礦的生產(chǎn)實踐中取得了很好的應(yīng)用。

例如2.2中所述，由于西部持續(xù)高強度的開采，使得井下應(yīng)力轉(zhuǎn)移集中到東部與西部相接的區(qū)域。通過微震監(jiān)測，給出了應(yīng)力集中導(dǎo)致的危險區(qū)域微震事件源的空間定位（參見圖5），并且，通過進一步的現(xiàn)場勘查，發(fā)現(xiàn)這個區(qū)域內(nèi)確實產(chǎn)生了明顯的地壓顯現(xiàn)，如巖體破裂聲較為頻繁、礦柱開裂和巖體片冒等地壓顯現(xiàn)。根據(jù)微震監(jiān)測結(jié)果我們對該危險區(qū)域暫不進行回采，待西部進行充填后再結(jié)合微震監(jiān)測結(jié)果進行下一步的規(guī)劃。由此可見，通過微震監(jiān)測可以很好的指導(dǎo)采礦設(shè)計與優(yōu)化殘采順序。

2.4 礦區(qū)整體地壓活躍程度評價

微震監(jiān)測系統(tǒng)投入使用一年多來，指派專人堅持每天對微震監(jiān)測數(shù)據(jù)進行記錄、分析。除了對重點監(jiān)測區(qū)域的監(jiān)測之外，掌握東部殘采區(qū)的地壓總體發(fā)展趨勢、防止發(fā)生大規(guī)模地壓災(zāi)害的發(fā)生，是該礦微震監(jiān)測的一個最重要的內(nèi)容之一。微震監(jiān)測是通過對每天發(fā)生的微震事件的統(tǒng)計，分析每天微震事件率的變化情況來評價殘采區(qū)域的總體地壓現(xiàn)象。該日微震事件率反映整體礦區(qū)在殘采后應(yīng)力調(diào)整中微震活動情況，表明該期間整體礦區(qū)的地壓活躍情況。通過收集一年多的日平均微震事件率，可反映東區(qū)整體礦區(qū)在該時間段的地壓變化情況。

通過對一年多來的連續(xù)統(tǒng)計資料分析，自2011年6月起東部采區(qū)整體日平均微震事件率有明顯逐步增加的態(tài)勢。圖8對比了兩個不同日期在沒有明顯地壓顯現(xiàn)的情況下的微震監(jiān)測活動情況，（a）顯示上半年2011年3月26號微震事件率較少，（b）顯示近期2011年8月3號微震事件率處于較高水平。2010年8月至2011年5月日平均微震事件率均不超過30個，在2011年8月份超過了80個，如圖9所示。這說明由于東部殘采采空區(qū)逐步擴大促使井下地壓日益活躍，造成開采誘發(fā)的巖體微破裂增加，整個礦區(qū)微震活躍程度上升，地壓形勢日趨嚴重，開采環(huán)境不斷惡化，這一點值得引起礦山高度重視。

圖8 不同時期的兩個典型的日監(jiān)測結(jié)果圖

圖9 每個月日平均微震事件率變化圖

2.5 監(jiān)控民采盜礦

微震監(jiān)測對井下震動源具有較高精度的定位功能，可以實現(xiàn)對民采盜礦的時空監(jiān)控，這也是微震技術(shù)在該礦使用中的一個輔助功能。自微震監(jiān)測系統(tǒng)建立以來，已實現(xiàn)了多次對井下盜礦作業(yè)的有效監(jiān)控。現(xiàn)以一次典型的盜礦監(jiān)控過程為例，說明微震監(jiān)測在盜礦監(jiān)測中的應(yīng)用。

2010年11月7日23：02至8日凌晨00：16，9日凌晨03：06-03：12時間段內(nèi)，15#傳感器監(jiān)測到了似鑿巖施工作業(yè)波形，如圖10所示。而在該時間段井下已經(jīng)停止了正常作業(yè)。將該情況及時上報給相關(guān)部門后，確認為民采盜礦。

圖10 民采盜礦實時監(jiān)測界面及其信號波形圖

3 結(jié)語

多通道微震監(jiān)測系統(tǒng)在香爐山鎢礦一年多的應(yīng)用中，運行正常，在香爐山鎢礦殘采區(qū)地壓管理、地壓災(zāi)害預(yù)警、指導(dǎo)采礦設(shè)計等方面取得了較好的應(yīng)用效果，并成為該礦山殘采區(qū)地壓監(jiān)測、生產(chǎn)安全預(yù)警的主要手段。本文僅僅對微震監(jiān)測技術(shù)在監(jiān)測預(yù)警、危險區(qū)域評估、殘采區(qū)總體地壓嚴重程度評估、指導(dǎo)開采等幾個方面的應(yīng)用效果做了基本的介紹，在監(jiān)測預(yù)警方面所做的工作也還是基于監(jiān)測前兆數(shù)據(jù)信息基礎(chǔ)上的經(jīng)驗預(yù)警。在研究特大采空區(qū)巖體破壞失穩(wěn)模式的基礎(chǔ)上，對監(jiān)測的前兆數(shù)據(jù)信息進行監(jiān)測預(yù)警的理論探索還需進一步加強。值得肯定的是，微震監(jiān)測技術(shù)在香爐山鎢礦東區(qū)殘采地壓監(jiān)測應(yīng)用中取得了良好的效果，對于保證礦山的生產(chǎn)安全起到了重要的作用，還將在未來的地壓監(jiān)測與井下安全管理方面并將發(fā)揮更大的作用。

［1］胡靜云，林 峰，彭府華，等.香爐山鎢礦殘采區(qū)地壓災(zāi)害微震監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用分析［J］.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報，2010，21（4）：109-115.

［2］尹賢剛，李庶林，黃沛生，等.微震監(jiān)測系統(tǒng)在礦山安全管理中的應(yīng)用研究［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2006，26（1）：65-68.

［3］Varden R P.Seismic management and seismic hazard quanitification at kanow na bellemine［C］//Chun’an Tang.Controlling Seismic Hazard and Sustainable Development of Deep Mines.New York：Rinton Press，2009：831-838.