何玉龍 王棟毅 李海龍

摘要：隨著礦山開(kāi)采逐漸往深部延伸，出現(xiàn)了輕微巖爆現(xiàn)象，生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)存在由巖爆誘發(fā)的礦柱失穩(wěn)和頂板冒落的危險(xiǎn)。根據(jù)三山島金礦深部礦體地質(zhì)條件和圍巖實(shí)際地質(zhì)情況，研制了新一代的BMS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，構(gòu)建了礦山預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)能有效監(jiān)測(cè)到采場(chǎng)礦柱失穩(wěn)和頂板冒落的微弱振動(dòng)信號(hào)，分析微震波形，監(jiān)測(cè)巖爆的發(fā)生，為深部礦體安全開(kāi)采提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：深部開(kāi)采；巖體穩(wěn)定性；巖爆；微震監(jiān)測(cè)；波形分析

中圖分類(lèi)號(hào)：TD32文章編號(hào)：1001-1277（2024）04-0005-04

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi：10.11792/hj20240402

引 言

隨著對(duì)深部礦體的進(jìn)一步開(kāi)采，巖爆逐漸成為不可忽視的井下危險(xiǎn)因素，由此帶來(lái)的礦柱失穩(wěn)和頂板冒落也嚴(yán)重威脅到井下安全。巖爆是指對(duì)高應(yīng)力區(qū)地下工程進(jìn)行作業(yè)時(shí)，在開(kāi)挖活動(dòng)的擾動(dòng)下，巖體原有應(yīng)力被打破，導(dǎo)致其內(nèi)部?jī)?chǔ)存的應(yīng)變能突然釋放［1-3］，產(chǎn)生破壞。巖爆的發(fā)生常伴隨著巖體振動(dòng)［4］。

采礦活動(dòng)引起圍巖內(nèi)應(yīng)力的轉(zhuǎn)移和積聚，巖體在應(yīng)力作用下發(fā)生破裂、產(chǎn)生振動(dòng)并向四周傳播。檢波器監(jiān)測(cè)到振動(dòng)信號(hào)，并進(jìn)行相關(guān)處理和分析，這就是微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本原理［5-7］。

巖體裂隙產(chǎn)生、發(fā)育和貫通等過(guò)程中始終伴隨著微震活動(dòng)的產(chǎn)生，有效微震信號(hào)包含了大量可以表達(dá)巖體狀態(tài)變化的信息［8-11］。因此，通過(guò)監(jiān)測(cè)巖體的微震信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)深部礦（巖）體區(qū)域穩(wěn)定性的監(jiān)測(cè)預(yù)警。

1 工程背景

山東黃金礦業(yè)（萊州）有限公司三山島金礦（下稱(chēng)“三山島金礦”）是山東黃金集團(tuán)有限公司的主體礦山之一，下設(shè)三山島金礦直屬礦區(qū)和新立礦區(qū)，是國(guó)內(nèi)唯一海下開(kāi)采的黃金礦山。新立礦區(qū)采用豎井加平巷開(kāi)拓的點(diǎn)柱式上向分層充填采礦法進(jìn)行開(kāi)采，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力1 500 t/d，為適應(yīng)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要，三山島金礦對(duì)新立礦區(qū)實(shí)行強(qiáng)化開(kāi)采，將生產(chǎn)能力從原來(lái)的1 500 t/d 擴(kuò)大至6 000 t/d。

在高強(qiáng)度開(kāi)采條件下，對(duì)礦體上盤(pán)巖體的擾動(dòng)增加，礦區(qū)存在涌水、突水甚至海水潰入的潛在危險(xiǎn)。此外，三山島金礦直屬礦區(qū)已經(jīng)進(jìn)入深部開(kāi)采（采掘工程深度超過(guò)600 m），目前已經(jīng)出現(xiàn)輕微巖爆現(xiàn)象，生產(chǎn)區(qū)域存在由巖爆誘發(fā)的礦柱失穩(wěn)和頂板冒落的危險(xiǎn)。而且，三山島金礦次級(jí)斷裂F3的活動(dòng)及由此誘發(fā)的地面和井下危害日趨嚴(yán)重。因此，研制新一代微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)保障海下采礦活動(dòng)的安全已經(jīng)成為礦山迫切需要解決的首要問(wèn)題。

2 BMS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)總體分為集中式與分布式2種。分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要用于監(jiān)測(cè)礦震，定位精度較低，適合采區(qū)尺度；集中式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)常用于監(jiān)測(cè)礦震和巖層破裂，定位精度較高，適合采掘工程尺度。

由于海下金礦床開(kāi)采需要高精度和大面積監(jiān)測(cè)，因此，三山島金礦采取分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與集中式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相結(jié)合的方式，即區(qū)域間分布式、區(qū)內(nèi)集中式的測(cè)區(qū)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置方式，定位精度可達(dá)10 m左右，滿(mǎn)足海下金礦床開(kāi)采巖體破裂的監(jiān)測(cè)預(yù)警要求。在此基礎(chǔ)上，研制了新一代BMS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2.1 工作原理

BMS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)振動(dòng)能力超過(guò)100 J、頻率為1～1 500 Hz及低于110 dB的振動(dòng)事件，屬于高精度微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

安置在測(cè)區(qū)內(nèi)的檢波器接收振動(dòng)信息，傳送至井下微震監(jiān)測(cè)子站，將電訊號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣庥嵦?hào)，經(jīng)光纜傳送至微震監(jiān)測(cè)主站，經(jīng)由內(nèi)部交換機(jī)再將光訊號(hào)傳送至地面工控機(jī)，在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)完成微震事件的定位方向解析與多方向顯示。BMS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理如圖1所示。

2.2 BMS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能

BMS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)配備HOSMON和TEROTREAT軟件，能夠監(jiān)測(cè)井下微震事件并提供以下功能：

2024年第4期/第45卷礦業(yè)工程礦業(yè)工程黃 金

1）實(shí)時(shí)、連續(xù)、自動(dòng)采集微震信號(hào)，記錄并進(jìn)行各種濾波處理。

2）微震事件的自動(dòng)備份。

3）自動(dòng)定位微震事件。

4）自動(dòng)進(jìn)行震源定位并在圖上顯示震源位置。

5）自動(dòng)保存微震事件波形圖。

6）微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置和修改。

7）地面操作微震監(jiān)測(cè)子站，包括啟動(dòng)、重啟、停止等。

2.3 BMS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

與國(guó)外同類(lèi)系統(tǒng)相比，BMS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）系統(tǒng)采用區(qū)間分布式、區(qū)內(nèi)集中式的監(jiān)測(cè)方案，不僅可以監(jiān)測(cè)工作面頂、底板的巖層破裂（高頻、小能量破裂），還可以監(jiān)測(cè)礦井范圍的礦震、沖擊地壓、巖體破裂、斷層滑移等事件（中、低頻，大能量破裂）。因此，BMS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的使用范圍廣。

2）BMS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)配置2臺(tái)微震監(jiān)測(cè)子站，共24通道，可以布置24個(gè)測(cè)點(diǎn)，是國(guó)外同類(lèi)設(shè)備通道數(shù)的2倍；最大可以接10臺(tái)微震監(jiān)測(cè)子站，共120通道。

3）BMS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)字信號(hào)傳輸全部采用光纜網(wǎng)絡(luò)傳輸，以太網(wǎng)傳輸模式，信號(hào)傳輸安全、可靠、穩(wěn)定，足以滿(mǎn)足大型礦井信號(hào)傳輸要求。信號(hào)光纜成本較低，可以重復(fù)利用，且可以利用現(xiàn)有的井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)，井筒內(nèi)不用另鋪線(xiàn)纜，與國(guó)外的電纜傳輸相比，成本僅是其的20 %～25 %，且使用簡(jiǎn)單可靠。

4）BMS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)監(jiān)控，通過(guò)并入山東黃金集團(tuán)有限公司的集中化監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)監(jiān)控；通過(guò)連入Internet網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)基于瀏覽器的web顯示和查詢(xún)，最大限度利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，節(jié)約通訊網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)費(fèi)用。

5）BMS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)精度高，在水平和垂直方向的平均定位精度能夠達(dá)到10 m，遠(yuǎn)大于國(guó)外同類(lèi)設(shè)備。采用外置式安裝和深孔安裝檢波器的方法，使檢波器的布置真正達(dá)到空間立體布置，從而保證了定位的高精度。

3 微震波形的分析

通過(guò)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的有效微震事件，可以發(fā)現(xiàn)其中大部分為爆破產(chǎn)生的巖體破裂，個(gè)別存在點(diǎn)柱壓力過(guò)大導(dǎo)致點(diǎn)柱斷裂。對(duì)其他巖體破裂異常事件，考慮是否為巖爆事件。

3.1 微震事件區(qū)分

當(dāng)微震事件記錄后，除了區(qū)分是否為有效微震事件，還要進(jìn)行有效微震事件的判斷：是巖體破裂事件還是爆破事件。因?yàn)閹r體破裂事件和爆破事件波形具有不同特征，所以這兩類(lèi)事件可以從頻譜、延續(xù)時(shí)間、事件時(shí)間間隔、振動(dòng)次數(shù)、振幅能量和頻率等方面進(jìn)行對(duì)比分辨。

以三山島金礦2022年12月18日4：19：52典型的點(diǎn)柱型巖體破裂事件為例，16#測(cè)點(diǎn)的事件波形圖中有4次明顯的振動(dòng)波形，對(duì)這4次振動(dòng)波形進(jìn)行頻譜分析可知，4段波形頻譜峰值分別為134 Hz、134 Hz、34 Hz和134 Hz。2022年12月18日4：19：52巖體破裂事件波形圖如圖2所示。

從振動(dòng)頻率來(lái)分析，一般爆破的頻率為80～140 Hz，在此頻率下的振動(dòng)對(duì)采場(chǎng)的穩(wěn)定性基本沒(méi)有影響。而在2022年12月18日4：19：52的巖體破裂事件中有的振動(dòng)頻率僅34 Hz，低頻振動(dòng)的危害性遠(yuǎn)大于高頻振動(dòng)對(duì)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，慶幸的是低頻振幅能量?。? 076 mV），持續(xù)時(shí)間較短，破壞性較小，未造成采場(chǎng)以外巖體的破裂，經(jīng)過(guò)及時(shí)排除險(xiǎn)情，采場(chǎng)的安全性得到了保障。

從振動(dòng)波形時(shí)間間隔來(lái)看，巖體破裂事件間隔在很大的區(qū)間范圍內(nèi)變動(dòng)，如圖3所示，震動(dòng)波時(shí)間間隔分別為1.8 s、1.4 s和2.4 s，沒(méi)有明顯的規(guī)律。三段爆破時(shí)間間隔基本在0.5 s內(nèi)（如圖4所示），與礦內(nèi)使用半秒延遲爆破雷管相一致。

在振動(dòng)次數(shù)方面，爆破與巖體破裂的微震特征也有明顯的區(qū)別，由圖3和圖4可知：在3 s內(nèi)爆破事件有5次振動(dòng)，而巖體破裂事件在近6 s內(nèi)振動(dòng)了4次；在振幅能量和頻率等方面，爆破振幅能量一般為10～2 000 mV，振動(dòng)事件頻率分布于85～110 Hz，而巖體破裂則在近處的測(cè)點(diǎn)能收到大于5 000 mV的振幅能量，近處測(cè)點(diǎn)收到破裂的頻率為130～140 Hz，且?guī)в械皖l信號(hào)。爆破及巖體破裂微震特征對(duì)比如表1所示。

對(duì)照以上特征可以便捷地將爆破和巖體破裂的微震事件進(jìn)行區(qū)分，發(fā)現(xiàn)井下異常事件，指導(dǎo)礦山做好安全開(kāi)采工作。

3.2 動(dòng)壓微震波形分析

動(dòng)壓微震事件波形與爆破、人為干擾、電干擾等波形有明顯的區(qū)別，從波形圖中可以看到明顯的振動(dòng)波形，其次，波形圖中記錄下的振動(dòng)波形之間時(shí)間間隔極短，振動(dòng)波形未完全衰減，下次振動(dòng)又至，振動(dòng)波形和波形之間不易區(qū)分；一般情況下波形圖中記錄的振幅能量值不大，在100 mV左右。典型動(dòng)壓微震事件波形圖如圖5所示。

對(duì)于連續(xù)的巖體破裂事件，一般沒(méi)有明顯的波形分界面，振幅能量值一般較?。ǘ鄶?shù)在100 mV左右），巖體破裂至一定程度會(huì)有大能量事件發(fā)生，前期的小能量振動(dòng)事件危害性較小，但當(dāng)?shù)貞?yīng)力增加至一定程度，必然產(chǎn)生大能量事件，此時(shí)對(duì)采場(chǎng)穩(wěn)定性危害也較大。動(dòng)壓大能量微震事件波形圖與連續(xù)巖體破裂小能量事件波形圖如圖6和圖7所示。由圖6和圖7可知：大能量巖體破裂事件振動(dòng)峰值波形明顯，而小能量的巖體破裂事件窗口中的波形較分散，振幅能量值也較低。巖體在地應(yīng)力的作用下，產(chǎn)生持續(xù)的破裂，破裂產(chǎn)生的振幅能量不大，傳遞到距離最近的檢波器的振幅能量?jī)H為179 mV。能量不同的動(dòng)壓微震均具有振動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)的特性。

4 巖爆危險(xiǎn)區(qū)域預(yù)警

BMS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以準(zhǔn)確有效地監(jiān)測(cè)及定位采動(dòng)造成的巖體破裂，并確定采場(chǎng)的三維應(yīng)力分布規(guī)律和高地應(yīng)力的分布區(qū)域，分析監(jiān)測(cè)到的微震波形，預(yù)報(bào)巖爆可能的發(fā)生區(qū)域。通過(guò)一段時(shí)間的監(jiān)測(cè)，結(jié)合礦區(qū)巖體破裂狀況，可能發(fā)生巖爆的情況有以下兩類(lèi)：

1）裂隙發(fā)展導(dǎo)致的巖爆。微震事件發(fā)生時(shí)，如果順著某一破裂帶繼續(xù)發(fā)展，可能會(huì)導(dǎo)致采場(chǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，造成應(yīng)力積聚，發(fā)生巖爆。

2）微震事件數(shù)量異?；虼竽芰渴录龆?。在某一時(shí)間段內(nèi)，如果突發(fā)大量的微震事件，產(chǎn)生能量顯著增多，說(shuō)明采場(chǎng)內(nèi)巖石活動(dòng)劇烈，可能導(dǎo)致巖爆發(fā)生。

三山島金礦直屬礦區(qū)井下生產(chǎn)實(shí)行2天內(nèi)安排3個(gè)班組的生產(chǎn)組織方式，一個(gè)采場(chǎng)通常1天爆破1～2次。在微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)（在200 m內(nèi)監(jiān)測(cè)效果較好），震源距測(cè)點(diǎn)的空間位置等爆破巖體振動(dòng)信息均能監(jiān)測(cè)到。三山島金礦直屬礦區(qū)采用微差光面爆破，能達(dá)到爆破時(shí)減小對(duì)上盤(pán)巖體及頂板穩(wěn)定性影響的目的。從本次監(jiān)測(cè)的巖體破裂位置方面看，巖體破裂的點(diǎn)基本都在采場(chǎng)內(nèi)部（如圖8所示）。因此，目前的生產(chǎn)方式對(duì)礦體圍巖影響較小。

5 結(jié) 論

1）研制了新一代適用于海下安全開(kāi)采監(jiān)測(cè)預(yù)警的BMS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用“分布式與集中式”相結(jié)合的設(shè)計(jì)理念，實(shí)現(xiàn)了既能夠監(jiān)測(cè)小范圍礦柱失穩(wěn)和采場(chǎng)頂板的斷裂，又能夠監(jiān)測(cè)上盤(pán)因開(kāi)采導(dǎo)致的巖層移動(dòng)的目標(biāo)。

2）微震監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，三山島金礦目前的海下開(kāi)采是安全的，海下采場(chǎng)的設(shè)計(jì)參數(shù)是合理的，不會(huì)出現(xiàn)海水潰入的危險(xiǎn)。

3）BMS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用，可以更好地監(jiān)測(cè)巖體的微震事件，分析微震波形，定位微震發(fā)生位置，指導(dǎo)礦山開(kāi)采，預(yù)防巖爆的發(fā)生。

［參 考 文 獻(xiàn)］

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Application of BMS microseismic monitoring system in deep rock mass stability monitoring

Abstract：With the gradual extension of mining operations into deeper levels，minor rockburst phenomena have emerged，posing risks of instability in mining pillars and roof caving induced by rockbursts within the production area.Based on the actual geological conditions of deep ore bodies and surrounding rocks in Sanshandao Gold Mine，a new generation of microseismic monitoring system has been developed，in order to establish a mine early warning system.This system can effectively monitor faint seismic signals associated with the instability of mining pillars and roof caving in the mining area，analyze microseismic waveforms，and detect occurrences of rockburst events，providing basis for the safe mining of deep rock mass.

Keywords：deep mining;rock mass stability;rockburst;microseismic monitoring;waveform analysis