張愛民，馬俊生，劉育明

(中國恩菲工程技術有限公司，北京 100038)

1 前言

隨著地下礦山開采深度加大，地壓隨之加劇，嚴重影響礦山的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟效益。如何準確監(jiān)測礦山的地壓活動規(guī)律，確定地壓集中區(qū)域或巖爆可能發(fā)生區(qū)域，避免或減少礦山動力災害的發(fā)生，是目前地下礦山深部開采面臨的重要問題。

2 微震監(jiān)測原理及組成

巖石在外界應力作用下，其內(nèi)部將產(chǎn)生局部彈塑性能集中現(xiàn)象，當能量積聚到某一臨界值時，會引起微裂隙的產(chǎn)生與擴展，微裂隙的產(chǎn)生與擴展會伴隨有彈性波或應力波的釋放并在周圍巖體內(nèi)快速傳播，這種彈性波稱為微震(MS)[1]。從彈塑性能的積聚到釋放，并伴隨彈性波的發(fā)生，這一整個過程稱為一次微震事件。礦山微震監(jiān)測技術是用巖體受力變形和破壞后本身發(fā)射出的彈性波來進行監(jiān)測工程巖體穩(wěn)定性的技術方法。

微震監(jiān)測系統(tǒng)主要包括硬件和軟件，硬件包括傳感器、微震儀、轉(zhuǎn)發(fā)器、井下控制室、地面主控制室及光纜等；軟件包括時間運行系統(tǒng)(RTS)、地震波形分析處理系統(tǒng)(JMTS)和地震事件活動性可視化分析系統(tǒng)(JDI)等。

3 微震監(jiān)測技術應用現(xiàn)狀

早在1908年，Mintrop在德國Ruhr煤田的Bochum地區(qū)建立了第一個用于礦山觀測的臺站。20世紀20年代，Mainka在德國的上西里西亞建立了第一個用于礦井監(jiān)測的地震臺網(wǎng)；美國礦業(yè)局在20世紀40年代就開始

提出應用地震法來探測給地下礦井造成嚴重危害的巖爆。澳大利亞于1994年開始應用微震監(jiān)測技術，其聯(lián)邦科學與工業(yè)研究組織(CSIRO)研制了Siroseis系統(tǒng)，在國內(nèi)多個礦山采用，并取得了較好的成果[2]。波蘭最初采用SYLOK微震監(jiān)測系統(tǒng)用來監(jiān)測采掘工作面和礦井區(qū)域的微震活動。加拿大開發(fā)了ADASLS系統(tǒng)，它能夠識別波的類別(P、S波和噪音)，并且可以確定出微震位置及其可信度。現(xiàn)在美國和加拿大廣泛采用ADASLS，用于監(jiān)測預報可能發(fā)生冒頂?shù)牡囟渭捌浒l(fā)生的時間。俄羅斯研制類似的地震聲學監(jiān)測儀器，如SDAE8型。

1984年，我國從波蘭引進SYLOK微震監(jiān)測系統(tǒng)和SAK地音監(jiān)測系統(tǒng)，并應用于北京門頭溝煤礦、棗莊陶莊煤礦等生產(chǎn)礦井；1990年，興隆莊煤礦采用澳大利亞地震監(jiān)測系統(tǒng)；2004年，凡口鉛鋅礦針對F3控礦斷層的穩(wěn)定性在-500m以下礦體和-650m以上、獅嶺北的主采礦體引進了加拿大ESG微震監(jiān)測系統(tǒng)[3]。

2005年，冬瓜山引進南非ISS微震監(jiān)測系統(tǒng)[4～5]，冬瓜山銅礦在-875m水平副井附近建立井下生產(chǎn)指揮中心，在-670m水平53線和-730m水平57線穿脈各安裝一臺微震儀，在-875m水平的上下盤沿脈內(nèi)各安裝了一個微震儀，在-730m水平47線措施井附近安裝一個轉(zhuǎn)發(fā)器QS，12臺單分量和6臺三分量傳感器。微震監(jiān)測分析研究顯示，在生產(chǎn)爆破2h內(nèi)地震活動比較集中，危險區(qū)域為作業(yè)區(qū)頂?shù)装鍑鷰r。

2006年，華豐煤礦引進波蘭在SYLOK微震監(jiān)測系統(tǒng)基礎上改進的ARAMIS M/E及ARP 2000井下上聯(lián)合微震監(jiān)測系統(tǒng)[5～6]。

2007年，會澤鉛鋅礦針對8號礦體1 451m中段、1 331m中段和1 391m中段采用南非ISS公司的24通道微震監(jiān)測系統(tǒng)[5]，在使用的半年內(nèi)，成功預測了5次較大規(guī)模的井下冒落事件。實踐證明，微震監(jiān)測為地壓控制的一種有效手段。

2008年，三山島金礦新立礦區(qū)為了監(jiān)測淺部海水的潰入和深部地壓或巖爆等動力災害，在西區(qū)-165、-200m水平和中區(qū)-135、-165、-200、-400m水平采用了BMS微震監(jiān)測系統(tǒng)[7～8]，且使用以來為礦床開采的防災減災和安全生產(chǎn)起到了積極作用。

2009年，紅透山銅礦在距地表1 200m的-767m中段13采場下盤圍巖采用南非ISS公司的6通道全數(shù)字型微震監(jiān)測系統(tǒng)[9]，選擇區(qū)域的主要原因是該中段穿脈外巷道幫壁表面出現(xiàn)較大拉應力及13采場正在進行采礦活動。并在2011年，將監(jiān)測網(wǎng)絡擴展到18個通道，3個數(shù)據(jù)采集模塊，12個傳感器(三向傳感器3個，單向傳感器9個)，監(jiān)測區(qū)域為-707m中段27采場、-767m中段13采場、-827m中段F8破碎帶。

另外，在微震監(jiān)測信號識別、頻譜分析、去噪方法、定位技術等方面，國內(nèi)外不少學者已經(jīng)作了很多工作，也得到了不少成果[10～12]。

微震監(jiān)測技術在國內(nèi)外礦山中都得到了較好的應用，通過微震監(jiān)測系統(tǒng)的應用，為礦床的安全、高效開采及其支護方式的選擇提供信息，對開采中的防災減災和安全生產(chǎn)工作起到指導作用。

4 國內(nèi)某鐵礦微震監(jiān)測系統(tǒng)組建

該鐵礦為新建礦山，設計規(guī)模為1 500萬t/a，最大埋深1 900m，針對該鐵礦規(guī)模大、埋藏深、地應力高的特點，在地應力試驗、巖石力學實驗結(jié)果的基礎上，進行礦體開采的三維數(shù)值模擬分析，尋找出具有潛在動力災害的區(qū)域，并在此區(qū)域預埋微震傳感器，建立井下微震監(jiān)測系統(tǒng)，進行數(shù)值模擬和監(jiān)測結(jié)果綜合分析，進而達到地壓活動的預報，為安全生產(chǎn)提供依據(jù)。具體設計思路如圖1所示。

圖1 礦山微震監(jiān)測網(wǎng)絡組建思路

4.1 礦山概況

該鐵礦礦體屬隱伏盲礦床，蓋層厚度404～1 445m，礦體埋藏深度404～1 934m，賦礦標高-134～-1 713m。

區(qū)內(nèi)巖性較簡單，巖石較完整，礦區(qū)揭露的主要地層為泥灰?guī)r、石英巖、綠泥石英片巖、閃長玢巖、綠泥石英片巖、賦礦石英巖，近地表風化作用強烈，下部的巖石完整而堅硬，巖石質(zhì)量為好至極好，巖體較完整到完整。

根據(jù)科研單位提供的《地應力測量分析報告》研究的數(shù)據(jù)顯示如下。

(1)礦區(qū)應力場以水平應力為主導，最大水平主應力與垂直主應力的比值均在1.61左右。與整個地區(qū)的構(gòu)造應力場相比，屬于偏高水平。

(2)通過實測最大主應力方向為近NEE向，并在同一平面內(nèi)，應力場沒有大的突變現(xiàn)象。

(3)最大水平主應力、最小水平主應力和垂直主應力均隨著深度的增加而增加，并成近似線性增長的關系。另外主應力差值為7.54MPa，礦區(qū)巖體不穩(wěn)定程度較大，容易產(chǎn)生巖石變形和破壞。

根據(jù)測算，礦區(qū)-960m水平最大主應力46.6MPa，-1 200m水平最大主應力55.9MPa。

4.2 微震監(jiān)測區(qū)域確定

設計選用豎井開拓方式，采用大直徑深孔空場嗣后充填法開采，為了保持采礦區(qū)域的整體穩(wěn)定性并考慮采礦工程布置的需要，盤區(qū)之間沿最大主應力方向布置一定寬度的連續(xù)條形礦柱。上下兩個中段同時開采，中段高度60m。

微震監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡建立首先需要確定微震監(jiān)測區(qū)域，而微震監(jiān)測區(qū)域的選擇需要考慮到開采過程中地應力分布狀況，為了尋找地應力分布規(guī)律，采用三維有限元數(shù)值模擬的方法(FLAC- 3D穩(wěn)定性分析軟件)對礦體回采方式進行穩(wěn)定性分析，尋找出地應力集中區(qū)域，為微震監(jiān)測網(wǎng)絡組建提供依據(jù)。

通過對礦床回采盤區(qū)進行建模、初始化、開挖等過程的模擬，分析其最大主應力、最大拉應力和塑性區(qū)的變化特征。模擬巖石參數(shù)選取如表1，按照水壓致裂地應力測量試驗選取初始應力條件，選定該寬度連續(xù)間柱，定義開挖的范圍，模擬結(jié)果如圖2、圖3所示。

表1 模擬材料物理力學參數(shù)選取

注：巖體力學參數(shù)按照Hoek- Borwn強度準則、Singh公式及費辛科公式等方法進行折算后綜合取得。

圖2 開挖結(jié)束后最大主應力區(qū)云圖

圖3 開挖結(jié)束后最大拉應力區(qū)云圖

從圖中可以看出，同時開采-960m中段和-1 200m中段，導致空區(qū)周邊的應力發(fā)生變化，具體表現(xiàn)為：①在空區(qū)的直接頂?shù)装逍纬衫瓚袇^(qū)，且頂板拉應力集中區(qū)比底板拉應力區(qū)大，其最大拉應力值為1.5MPa；②礦體開采將使空區(qū)之間的連續(xù)礦柱主應力值發(fā)生變化，表現(xiàn)為上中段礦柱最大主應力減小，而下中段礦柱最大主應力值增大，其減小或增大的幅度達9.1%，說明礦柱應力集中主要表現(xiàn)在下中段礦柱內(nèi)。

分析得出微震監(jiān)測重點區(qū)域為：開采過程中空區(qū)的頂、底板和中段內(nèi)留設的礦柱。

4.3 微震監(jiān)測網(wǎng)絡組建

根據(jù)上面確定的監(jiān)測區(qū)域，并考慮生產(chǎn)要求和經(jīng)費預算，監(jiān)測系統(tǒng)全面規(guī)劃、分期建設，滿足不同時期的生產(chǎn)安全和全礦區(qū)監(jiān)測的需要。初期以首采區(qū)段為監(jiān)測對象建立監(jiān)測系統(tǒng)，隨后續(xù)礦床開采再進行擴展。

該礦首采區(qū)域為-1 200m和-960m中段北側(cè)，傳感器分別布置在-1 200m中段、-960m中段和-900m中段沿脈巷道和穿脈巷道內(nèi)，共設4臺微震儀。其中-1 200m中段進、回風側(cè)沿脈巷道內(nèi)各布置1臺微震儀，-960m中段回風側(cè)布置1臺微震儀，-900m中段進風側(cè)布置1臺微震儀，每臺微震儀均配3臺單軸傳感器和1臺三軸傳感器。使得所形成的微震監(jiān)測網(wǎng)絡覆蓋上下兩個中段回采的區(qū)域，具體布置如圖4所示。

圖4 井下微震監(jiān)測4個中段布點示意圖

圖5 微震監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡建設圖

為了便于井下控制和系統(tǒng)后期擴展，井下微震監(jiān)測控制中心布置在-1 140m中段，內(nèi)安設控制器。為保證-900m中段和-960m中段傳輸至-1 140m指揮中心信號不衰減，需要在副井-960m馬頭門附近增加1臺轉(zhuǎn)發(fā)器QS。微震監(jiān)測電纜沿巷道壁布設，經(jīng)過管纜井下達到-1 140m指揮中心。其監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡如圖5所示。

5 系統(tǒng)投資

根據(jù)微震監(jiān)測網(wǎng)絡布點，采用標準配置，預計總費用約130萬元人民幣。

在實際應用過程中，需要不斷優(yōu)化微震監(jiān)測網(wǎng)絡，同時根據(jù)回采中段的變化，需要增設傳感器，擴展監(jiān)測網(wǎng)絡。對監(jiān)測的微震信號進行特征分析，識別出微震信號發(fā)生的事件，記錄微震事件發(fā)生的位置和頻率，通過對結(jié)果的綜合分析，判斷出有可能發(fā)生井下巖爆災害的區(qū)域，并采取積極的應對措施，以保障礦床的安全、高效回采。

[參考文獻]

[1] 趙興東，石長巖，等.紅透山銅礦微震監(jiān)測系統(tǒng)及其應用[J].東北大學學報(自然科學版)，2008,29(3):399-404.

[2] 劉建坡，李元輝，等.微震技術在深部礦山地壓監(jiān)測中的應用[J].巖石力學與工程學報，2005，24(12):125-130.

[3] 李庶林，尹賢剛,等.凡口鉛鋅礦多通道微震監(jiān)測系統(tǒng)及其應用研究[J].金屬礦山，2008，(383):2049-2057.

[4] 楊志國，于潤滄,等.微震監(jiān)測技術在深井礦山中的應用[J].巖石力學與工程學報，2008,27(5):1066-1076.

[5] 楊志國，于潤滄,等.基于微震監(jiān)測技術的礦山高應力區(qū)采動研究[J].巖石力學與工程學報，2009,28(2):3632-3640.

[6] 成云海，姜福興,等.微震監(jiān)測揭示的C型采場空間結(jié)構(gòu)及應力場[J].巖石力學與工程學報，2007,26(1):102-109.

[7] 王元杰.基于微震監(jiān)測技術的華豐煤礦沖擊危險性評價研究[D].北京：煤炭科學研究總院，2010.

[8] 唐紹輝，潘 懿,等.深井礦山地壓災害微震監(jiān)測技術應用研究[J].巖石力學與工程學報，2009,28(2):3597-3605.

[9] 劉曉輝，吳愛祥,等.云南會澤鉛鋅礦微震監(jiān)測系統(tǒng)應用研究[J].金屬礦山，2010，(1):151-156.

[10] 張海明，董 山.基于微震監(jiān)測技術的深部巖爆預警

和斷層突水監(jiān)測[J].金屬礦山，2011，(6)：16-19.

[11] 張開誠.BMS微震監(jiān)測系統(tǒng)在海底采礦中的應用[J].金屬礦山，2012，(6)：133-137.

[12] 劉建波，石長巖，等.紅透山銅礦微震監(jiān)測系統(tǒng)的建立及應用研究[J].采礦與安全工程學報，2012，29(1)：72-78.

[13] 徐宏斌，李庶林，等.基于小波變換的大尺度巖體結(jié)構(gòu)微震監(jiān)測信號去噪方法研究[J].地震學報，2012，34(1):85-96.

[14] 張銀平.巖體聲發(fā)射與微震監(jiān)測定位技術及其應用[J].工程爆破，2002，(1):58-61.

[15] 陸萊平，竇林名,等.巖體微震監(jiān)測的頻譜分析與信號識別[J].巖土工程學報，2005，27(7):772-775.