盧海珠

（中金嶺南凡口鉛鋅礦，廣東仁化 512300）

IMS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在礦山中的應(yīng)用設(shè)計(jì)

盧海珠

（中金嶺南凡口鉛鋅礦，廣東仁化 512300）

針對(duì)我國金屬礦山在向深部開采過程中存在的地壓顯現(xiàn)問題，通過對(duì)微震技術(shù)工作原理分析及微震技術(shù)對(duì)地壓災(zāi)害預(yù)警應(yīng)用的可行性分析，確定采用IMS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)凡口鉛鋅礦應(yīng)用微震監(jiān)測(cè)應(yīng)用設(shè)計(jì)，確定IMS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器、工作臺(tái)站及井下數(shù)據(jù)中心的布局，為凡口礦設(shè)計(jì)出有效井下地壓微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為進(jìn)一步開展地壓災(zāi)害預(yù)警及防控研究奠定基礎(chǔ)。

IMS；微震；監(jiān)測(cè)；應(yīng)用

近年，我國部分金屬礦山已進(jìn)入深部開采，此類礦山在開采過程中存在著多冒頂片幫、巖爆、礦震和采場(chǎng)大脫盤等嚴(yán)重地壓問題，深部開采中高應(yīng)力地壓環(huán)境導(dǎo)致的地壓問題已成為深井開采亟待解決的問題之一［1］，近年隨著微震技術(shù)發(fā)展，利用微震技術(shù)對(duì)地壓災(zāi)害預(yù)警在國外已有廣泛應(yīng)用，因此，建立有效井下地壓微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并開展地壓災(zāi)害預(yù)警及防控研究，實(shí)現(xiàn)以主礦體及深部礦體為重點(diǎn)的井下地壓監(jiān)測(cè)及控制，對(duì)于礦山安全生產(chǎn)意義重大。

1 微震監(jiān)測(cè)技術(shù)原理

1.1 微震監(jiān)測(cè)原理

微震信號(hào)的特征取決于震源性質(zhì)、巖體性質(zhì)及監(jiān)測(cè)點(diǎn)到震源的距離等，在震源周圍布置一定數(shù)量的傳感器，組成傳感器網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示，當(dāng)巖體內(nèi)部產(chǎn)生微震事件時(shí)，傳感器拾取微震應(yīng)力波信號(hào)，通過多點(diǎn)同步采集測(cè)定各傳感器接收信號(hào)的時(shí)間，連同傳感器坐標(biāo)及所測(cè)波速代入計(jì)算，即可確定震源時(shí)空參數(shù)，實(shí)現(xiàn)震源定位目的［2，3］。

圖1 微震定位原理

通常采用4個(gè)獨(dú)立特征參量（ΣE，ΣM，X，t）的對(duì)數(shù)形式對(duì)微震事件進(jìn)行量化和定義。其中，t為事件間的平均時(shí)間，X為相臨事件之間的平均距離（包括震源大小），ΣM為微震矩之和，ΣE為發(fā)射能量之和?；?個(gè)獨(dú)立特征參量，可求得如微震應(yīng)變?chǔ)舠、微震應(yīng)力σs、視體積VA、微震Schmidt數(shù)Scs等其它微震參數(shù)，由此得到同震變形及其應(yīng)變率、應(yīng)力和流變性的統(tǒng)計(jì)特征［4～6］。

1.2 微震與巖體穩(wěn)定性的關(guān)系

圖2是一個(gè)典型的巖石壓縮試驗(yàn)過程示意圖，在t1之前試樣處于應(yīng)變硬化階段，狀態(tài)穩(wěn)定；當(dāng)經(jīng)過t1后應(yīng)變?cè)黾佣鴳?yīng)力不再增大，試樣開始進(jìn)入軟化階段，當(dāng)通過t2后，開始進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)，應(yīng)力降Δσ加速而應(yīng)變?chǔ)う虐l(fā)展加快，能量ΔU加速釋放，試樣發(fā)生破壞。

圖2 巖石應(yīng)力應(yīng)變破壞過程

本次微震監(jiān)測(cè)采用IMS微震監(jiān)測(cè)技術(shù)，IMS利用上述原理由監(jiān)測(cè)到的微震事件計(jì)算出伴隨能量的釋放而產(chǎn)生的應(yīng)力降（用能量指數(shù)表示）和同震非線性體應(yīng)變。根據(jù)一定范圍巖體內(nèi)的能量指數(shù)和體應(yīng)變隨時(shí)間的變化，即可用于判斷巖體所處的工作狀態(tài)。如圖3所示，線條1表示能量指數(shù)隨時(shí)間的變化，線條2表示同震體應(yīng)變隨時(shí)間的發(fā)展，當(dāng)應(yīng)變急劇增加，能量指數(shù)下降時(shí)，即預(yù)示著巖體進(jìn)入失穩(wěn)狀態(tài)，由于能量指數(shù)下降和應(yīng)變發(fā)展之間存在一定的時(shí)間差，由此時(shí)間差即可對(duì)巖體失穩(wěn)進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào)。

圖3 微震特征參數(shù)隨時(shí)間變化及預(yù)報(bào)原理1－能量指數(shù)；2－體應(yīng)變

2 礦山微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建實(shí)踐

2.1 工程背景

本次礦山微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工程實(shí)踐以中金嶺南凡口鉛鋅礦為實(shí)踐對(duì)象，凡口鉛鋅礦開采作業(yè)中段分淺部和深部采區(qū)，淺部采區(qū)主礦體Sh－320中段0＃采場(chǎng)在回采過程中，由于受礦巖結(jié)構(gòu)破碎、斷層、采礦爆破震動(dòng)、空區(qū)暴露時(shí)間過長等因素的影響，發(fā)生了兩幫充填體跨幫，導(dǎo)致周邊相鄰區(qū)域出現(xiàn)較大面積失穩(wěn)，致使該地區(qū)成為了隱患區(qū)域。然而該區(qū)域資源品位高，并存留約30萬t的礦石量，具有重要的開采價(jià)值?？逅鷧^(qū)資源的開采條件極為復(fù)雜，面臨較大的安全風(fēng)險(xiǎn)，特別是巖體的失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。因此，需要對(duì)主礦體垮塌區(qū)影響范圍資源開采地壓進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，為垮塌區(qū)資源回采過程提供預(yù)警信息，保障安全回采。具體監(jiān)控范圍：－240～－360 m四個(gè)中段，高160m，控制礦體長度100m，南北坐標(biāo)2778300至2778400，控制寬度小于200 m。

深部主要開采中段與淺部相比，深部井巷中的地壓大，巷道冒頂片幫明顯增多，大冒頂現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，支護(hù)工程量增加，支護(hù)成本大大增加。這些均體現(xiàn)出典型的深井開采的地壓特點(diǎn)。因此，為保證礦山（尤其是深部礦體）的安全生產(chǎn)，必須對(duì)該礦深部采區(qū)的地壓問題進(jìn)行深入研究，采用微震系統(tǒng)監(jiān)測(cè)深部地壓活動(dòng)，旨在預(yù)防深井地壓危害特別是預(yù)防可能的大冒落、巖爆或礦震等災(zāi)害發(fā)生。具體監(jiān)控范圍：－400～－650 m六個(gè)中段，高290 m，控制礦體長度800 m，南北坐標(biāo)2777800至2778600m，控制寬度小于200 m。

2.2 礦山微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建設(shè)計(jì)

在考慮實(shí)際施工條件與環(huán)境的前提下與礦山有關(guān)部門協(xié)作，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，調(diào)整、優(yōu)化確定傳感器、工作臺(tái)站及井下數(shù)據(jù)中心的布局，確保達(dá)到預(yù)定的監(jiān)測(cè)精度目標(biāo)。

2.2.1 系統(tǒng)布局

擬在礦區(qū)建立5個(gè)微震工作站和32個(gè)檢波器的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。工作站在－280m、－360m、－455 m、－550 m和－650 m中段各設(shè)置一個(gè)，編號(hào)依次為1號(hào)至5號(hào)工作站。微震工作站包含32位高精度的八通道數(shù)據(jù)采集器（netADC8）、波形處理器（netSP）、智能UPS、單端口調(diào)制通信設(shè)備和一些其它輔助設(shè)備，其中在－455 m中段工作站安裝2個(gè)八通道數(shù)據(jù)采集器，其它工作站均為1個(gè)。1號(hào)微震工作站連接5個(gè)單向檢波器，1個(gè)三向檢波器；在－360 m中段2號(hào)工作站布置5個(gè)單向檢波器、1個(gè)三向檢波器；－455 m中段3號(hào)工作站布置6個(gè)單向檢波器、2個(gè)三向檢波器；－550 m中段4號(hào)工作站布置5個(gè)單向檢波器、1個(gè)三向檢波器；－650 m中段5號(hào)工作站布置5個(gè)單向檢波器、1個(gè)三向檢波器。所有檢波器都將連接到八通道的數(shù)據(jù)采集器上，將檢測(cè)到的波形信號(hào)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后送至波形處理器處理。

井下數(shù)據(jù)通信中心擬安裝在－455 m中段，主要由時(shí)鐘同步設(shè)備、4端口的專用調(diào)制解調(diào)器（DSLAM）、串口同步設(shè)備以及光電轉(zhuǎn)換設(shè)備組成，主要負(fù)責(zé)分發(fā)來自服務(wù)端的控制信號(hào)和時(shí)鐘同步信號(hào)，同時(shí)收集井下數(shù)據(jù)中心的緩存及中轉(zhuǎn)，最終將數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿挥诘孛娴奈⒄鸱?wù)器，從而讓這些微震數(shù)據(jù)得到系統(tǒng)軟件的進(jìn)一步處理。由于微震工作站內(nèi)部設(shè)備類型相同，故以－280 m中段上的微震工作站為例，說明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。工作站主要設(shè)備包含了一個(gè)32位高精度的數(shù)據(jù)采集器（netADC8）、一個(gè)智能UPS、一個(gè)波形處理器（netSP）和一個(gè)專用通信MODEM，用于將微震工作站采集處理好的設(shè)備發(fā)送到井下數(shù)據(jù)通信中心中轉(zhuǎn)，并最終傳送到微震監(jiān)測(cè)服務(wù)器進(jìn)行進(jìn)一步處理。根據(jù)上述系統(tǒng)構(gòu)建情況，可以得出系統(tǒng)微震監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，如圖4所示。

圖4 凡口鉛鋅礦微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

2.2.2 檢波器陣列分布及微震工作站布局

如圖5～圖9所示為檢波器在各中段的安裝位置示意圖，圖中三角形代表檢波器在各中段的安裝位置，標(biāo)注的五邊形為微震工作站布置位置，實(shí)際位置可根據(jù)需要微調(diào)。

2.2.3 井下數(shù)據(jù)通信中心

選擇井下數(shù)據(jù)通信中心的位置時(shí)，需要考慮到供電的便捷性，避免來往行人或者設(shè)備的觸碰，也要方便系統(tǒng)設(shè)備未來的維護(hù)和檢修。綜合各項(xiàng)因素，建議把井下數(shù)據(jù)通信中心布置在巷道寬敞的地方或者硐室里，并且與各工作站的布線距離不應(yīng)超過1 000 m。根據(jù)優(yōu)化系統(tǒng)架構(gòu)，將井下數(shù)據(jù)通信中心設(shè)置在－455 m中段，其位置暫定圖10中五邊形所示標(biāo)注位置，后續(xù)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況再做相應(yīng)調(diào)整。

2.2.4 微震系統(tǒng)監(jiān)控中心和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理中心

微震系統(tǒng)監(jiān)控中心主要由微震服務(wù)器、路由器、光電轉(zhuǎn)換器、不間斷電源（UPS）及相關(guān)軟件組成。微震服務(wù)器選擇穩(wěn)定的Ubuntu Linux服務(wù)器操作系統(tǒng)，并配備雙網(wǎng)卡，其中的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口連接到井下微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口連接礦區(qū)局域網(wǎng)并能訪問互連網(wǎng)，將井下監(jiān)測(cè)的微震數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理中心。

圖5－280 m中段檢波器分布圖

圖6－360 m中段檢波器分布圖

圖7－455 m中段檢波器分布圖

圖8－550 m中段檢波器分布圖

圖9－650 m中段檢波器分布圖

圖10－455 m井下數(shù)據(jù)通信中心位置

遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心可以是IMS數(shù)據(jù)處理中心（下稱IMS數(shù)據(jù)中心）、系統(tǒng)供應(yīng)商和中南大學(xué)數(shù)據(jù)處理中心。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心主要功能為備份礦區(qū)微震事件，并對(duì)微震事件進(jìn)行深入處理和分析，向礦山提供風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、系統(tǒng)維護(hù)等技術(shù)支持，最終指導(dǎo)礦山安全生產(chǎn)。

2.2.5 供電及通信

為了使IMS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的各個(gè)組件能一直持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，不受生產(chǎn)用電頻繁啟停的干擾和波動(dòng)影響，為此，建議礦方為該系統(tǒng)配備一套獨(dú)立于生產(chǎn)用電的穩(wěn)定220 V交流供電系統(tǒng)，專門為系統(tǒng)的井下數(shù)據(jù)通信中心、各個(gè)工作站供電，保證整個(gè)系統(tǒng)能全天候24 h不間斷地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下各中段發(fā)生的微震事件，從而了解各區(qū)域的地壓變化和發(fā)展規(guī)律。

井下各個(gè)檢波器監(jiān)測(cè)到的微震數(shù)據(jù)必須有效地通過微震工作站傳輸?shù)骄聰?shù)據(jù)通信中心并最終傳輸?shù)降孛嫖⒄鸱?wù)器，必須有一套可靠有效的通信網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，檢波器將通過雙屏蔽四對(duì)八芯的純銅信號(hào)電纜將檢波器檢測(cè)的微震數(shù)據(jù)傳輸?shù)较鄳?yīng)的工作站；工作站統(tǒng)一采集各個(gè)檢波器數(shù)據(jù)并做相應(yīng)的數(shù)字化處理和波形處理，然后將數(shù)據(jù)打包并調(diào)制到一定頻率通過DSL通信協(xié)議傳輸?shù)骄聰?shù)據(jù)通信中心，傳輸線纜采用超五類的屏蔽網(wǎng)絡(luò)通信線纜；井下數(shù)據(jù)通信中心將各個(gè)微震工作站的數(shù)據(jù)統(tǒng)一打包、調(diào)制，并通過光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，通過光纖將所有數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛嫖⒄鸱?wù)器，并做進(jìn)一步處理。

2.3 IMS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用效果

IMS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝、調(diào)試后，運(yùn)行良好，試運(yùn)行期間共監(jiān)測(cè)微震事件128次，釋放總能量為3.2 ×108J，發(fā)生位置主要為各中段生產(chǎn)作業(yè)區(qū)域，為正常生產(chǎn)作業(yè)所致，期間未有大能量事件發(fā)生，該IMS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)試運(yùn)行期間，工作監(jiān)測(cè)狀態(tài)良好，可對(duì)礦山生產(chǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并有效預(yù)測(cè)。

3 結(jié) 語

我國金屬礦山在向深部開采過程中存在冒頂片幫、巖爆、礦震和采場(chǎng)大脫盤等嚴(yán)重地壓問題，嚴(yán)重影響著礦山的安全生產(chǎn)，本文通過微震技術(shù)工作原理分析及微震技術(shù)對(duì)地壓災(zāi)害預(yù)警應(yīng)用的可行性分析，并以中金嶺南凡口鉛鋅礦設(shè)計(jì)應(yīng)用對(duì)象，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、技術(shù)調(diào)整、優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定IMS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器、工作臺(tái)站及井下數(shù)據(jù)中心的布局，確保達(dá)到預(yù)定的監(jiān)測(cè)精度目標(biāo)，為該礦建立起有效井下地壓微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該IMS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了以主礦體及深部礦體為重點(diǎn)的井下地壓監(jiān)測(cè)及控制，對(duì)于礦山安全生產(chǎn)意義重大。

［1］ 唐紹輝，潘懿，黃英華，等.深井礦山地壓災(zāi)害微震監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28（S2）：3 597－3 603.

［2］ 鄭超.基于微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的礦山巖體強(qiáng)度參數(shù)表征方法研究［D］.沈陽：東北大學(xué)，2013.

［3］ 肖玲.基于微震監(jiān)測(cè)的地下礦山地質(zhì)災(zāi)害分析預(yù)測(cè)［D］.武漢：武漢科技大學(xué)，2013.

［4］ 張飛，劉德峰，張衡，等.基于IMS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的微震事件定位精度分析［J］.中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2013，9（6）：21－26.

［5］ 覃敏.多中段強(qiáng)化開采地壓微震監(jiān)測(cè)與預(yù)警技術(shù)應(yīng)用研究［D］.長沙：長沙礦山研究院，2013.

［6］ 李海港，龍卿吉.IMS微震監(jiān)測(cè)技術(shù)在漂塘鎢礦的應(yīng)用［J］.中國礦業(yè)，2014，23（12）：132－135.

Application of IMSMicroseism ic Monitoring System in Mine

LU Hai-zhu
（Fankou Lead-zinc Mine，Renhua 512300，China）

Based on the analysis of the working principle of the microseismic technique and the feasibility of the application of the microseismic technology to the early warning of the ground pressure disaster，it uses the IMS microseismic monitoring system to analyze the ground pressure in the process of deep mining of the metalmines in China.The application ofmicroseismic monitoring application design，determines the IMSmicroseismic monitoring system sensors，workstations and downhole data center layout for the Fankoumine to design an effective underground pressuremicroseismic monitoring system for the further development of ground pressure disaster early warning and prevention and control research foundation.

IMS；microseism；monitoring；application

TD76

A

1003－5540（2017）01－0008－05

2016－11－06

盧海珠（1968－），男，工程師，主要從事礦山生產(chǎn)技術(shù)管理工作。