香炉山钨矿特大采空区地压微震监测技术应用研究

程 超，兰晓平，吴水生，胡静云，林 峰，彭府华，李庶林

（1.江西修水香炉山钨业有限责任公司，江西 九江 332438；2.长沙矿山研究院国家金属采矿工程技术中心，湖南 长沙 410012）

香炉山钨矿为缓倾斜、中厚矿体，平硐开拓，矿体及顶底板围岩总体稳固，矿床工程地质与水文地质条件简单。截至2010年井下采空区体积已经达到了200万m3，矿柱所占体积与采空区体积之比不到20％，且采空区的体积以每年近20万m3的速度增加，已经形成的采空区采场最大净空跨度超过20m，地压形势严峻。由于在历史上长期由数十家民采企业进行过无序开采，香炉山钨矿东部形成的采空区体积大且形状复杂，局部区域曾发生过较大面积的冒顶等地压灾害。同时矿山采用空场法，人员和设备必须长时间暴露在空场下进行作业。随着东部残采的进一步进行，势必会使顶板连续暴露面积、矿柱高度进一步增加，有可能产生大面积顶板冒落或由于一个矿柱垮塌导致连续多个矿柱垮塌。为了避免与降低地压灾害对人员与设备的损害，香炉山钨矿采用国内先进的全数字型多通道微震监测系统，对东部残采区域的地压活动进行全天候实时监测［1］。

1 微震监测系统简介

1.1 微震监测系统组成

香炉山钨矿微震监测系统为48通道全数字型微震监测系统，于2010年8月建成并正式投入使用。监测系统由井下分布式传感器、数据采集系统、地表监测站三部分组成，携带48个单轴加速度传感器。该监测系统实现了监测数据的实时传输、处理与三维可视化显示，数据的远传监控等功能。采区内，经过优化的48个传感器布置在东部采空区内，对东部采区实现了大范围的覆盖，传感器的分布位置见图1所示。

图1 传感器布置图

1.2 微震监测技术特点

与常规的地压监测技术手段相比，多通道微震监测技术具有以下几个特点［2］。

（1）该技术可实现对微震（微破裂）事件的全天候实时监测。

（2）突破了传统监测方法力（应力）、位移（应变）中的“点”或“线”意义上的监测模式，实现对设计监测范围内的岩体破坏（裂）过程在空间概念上的时间过程监测，并可实现常规方法人不可达到地点的监测，减轻了监测人员的工作危险性与劳动强度。

（3）实现了对微震事件的高精度空间定位。

（4）可采用微震事件数、能量、震级、视应力、动应力降、静应力降、震源半径等物理量的分析，实现从更多的角度来了解地压情况。

（5）对监测数据实现了全数字化采集、存储与处理。

（6）实现了多用户的远程监测。计算机远程可视化监控与分析，为建立专家诊断系统打下了基础。

2 微震监测应用

2.1 地压灾害预警实例

微震监测可以有效地对冒顶、矿柱开裂垮塌等地压灾害的前兆信息进行监测，从而实现对地压灾害的预警。自2010年8月15日微震监测系统在香炉山钨矿成功投入使用以来，已经多次成功实现了对井下矿柱开裂、采场顶板冒顶、片帮的预警。现将一个典型的预警实例介绍如下。

2010年10月13日通过处理井下微震监测数据时发现，5坑口610四采的37#传感器微震事件数突增，当天微震事件数达到130个，远高于日常平均水平，显示该区域出现异常，见图2所示。于是监测技术人员当天便发出了预警信息，对该区域进行了警戒封闭和人员撤离。进一步的微震监测显示37#传感器微震事件率连续三天处于高水平，于10月16日发生了冒顶，冒顶发生后微震事件率便重新处于较低的日常平均水平，冒顶后的现场实际情况见图3所示。

图4是实时监测界面和监测到的冒顶前岩体破裂产生的微震信号波形。由图可以明显看出，信号波形只包含P波成分，对应着岩体张拉破坏类型，这与现场岩体受力状态一致。

图2 冒顶前后37#个传感器微震事件率变化图

图3 冒顶现场照片

图4 2010年10月14日实时监测的破裂信号波形

2.2 危险区域圈定

多通道微震监测技术具有携带的传感器数量多、监测点分布广泛、对岩体破裂的微震源有较高精度的定位功能以及大范围岩体空间监测等特点，它最适合对采矿动态过程的应力重分布过程的实时监测，及时反映出应力重分布的集中区域，对因应力集中而产生的危险区域能实现及时的监测、定位与圈定［3］。2011年7月28日，在东部采区四坑口的东五与东六采场监测到多个微震定位事件。由于微震定位事件一般代表强度较大的岩体破坏，因此微震监测人员及时对该区域发出了预警。随后安全人员对该区域进行了勘察，发现产生了多次不同程度的冒顶。图5是该区域微震定位事件的空间分布图，根据图5中微震定位事件的分布区域和现场的勘查情况，矿方对该区域圈定了危险区域，禁止人员进入。

图6是该危险区域发现前后微震定位事件的事件率变化图。图7是典型的微震定位事件被多个通道监测到的信号波形图。

图5 微震定位事件空间分布图及危险区域的圈定

图6 微震定位事件率变化图

图7 典型的微震定位事件信号波形图

2.3 指导采矿设计

微震监测数据能较好地反映出井下由于受持续开采扰动所产生的应力重分布，对危险区域具有较好的定位与圈定作用，这种作用能指导矿山的采矿设计和优化回采顺序。通过微震监测评定危险区域与指导残采设计在该矿的生产实践中取得了很好的应用。

例如2.2中所述，由于西部持续高强度的开采，使得井下应力转移集中到东部与西部相接的区域。通过微震监测，给出了应力集中导致的危险区域微震事件源的空间定位（参见图5），并且，通过进一步的现场勘查，发现这个区域内确实产生了明显的地压显现，如岩体破裂声较为频繁、矿柱开裂和岩体片冒等地压显现。根据微震监测结果我们对该危险区域暂不进行回采，待西部进行充填后再结合微震监测结果进行下一步的规划。由此可见，通过微震监测可以很好的指导采矿设计与优化残采顺序。

2.4 矿区整体地压活跃程度评价

微震监测系统投入使用一年多来，指派专人坚持每天对微震监测数据进行记录、分析。除了对重点监测区域的监测之外，掌握东部残采区的地压总体发展趋势、防止发生大规模地压灾害的发生，是该矿微震监测的一个最重要的内容之一。微震监测是通过对每天发生的微震事件的统计，分析每天微震事件率的变化情况来评价残采区域的总体地压现象。该日微震事件率反映整体矿区在残采后应力调整中微震活动情况，表明该期间整体矿区的地压活跃情况。通过收集一年多的日平均微震事件率，可反映东区整体矿区在该时间段的地压变化情况。

通过对一年多来的连续统计资料分析，自2011年6月起东部采区整体日平均微震事件率有明显逐步增加的态势。图8对比了两个不同日期在没有明显地压显现的情况下的微震监测活动情况，（a）显示上半年2011年3月26号微震事件率较少，（b）显示近期2011年8月3号微震事件率处于较高水平。2010年8月至2011年5月日平均微震事件率均不超过30个，在2011年8月份超过了80个，如图9所示。这说明由于东部残采采空区逐步扩大促使井下地压日益活跃，造成开采诱发的岩体微破裂增加，整个矿区微震活跃程度上升，地压形势日趋严重，开采环境不断恶化，这一点值得引起矿山高度重视。

图8 不同时期的两个典型的日监测结果图

图9 每个月日平均微震事件率变化图

2.5 监控民采盗矿

微震监测对井下震动源具有较高精度的定位功能，可以实现对民采盗矿的时空监控，这也是微震技术在该矿使用中的一个辅助功能。自微震监测系统建立以来，已实现了多次对井下盗矿作业的有效监控。现以一次典型的盗矿监控过程为例，说明微震监测在盗矿监测中的应用。

2010年11月7日23：02至8日凌晨00：16，9日凌晨03：06-03：12时间段内，15#传感器监测到了似凿岩施工作业波形，如图10所示。而在该时间段井下已经停止了正常作业。将该情况及时上报给相关部门后，确认为民采盗矿。

图10 民采盗矿实时监测界面及其信号波形图

3 结语

多通道微震监测系统在香炉山钨矿一年多的应用中，运行正常，在香炉山钨矿残采区地压管理、地压灾害预警、指导采矿设计等方面取得了较好的应用效果，并成为该矿山残采区地压监测、生产安全预警的主要手段。本文仅仅对微震监测技术在监测预警、危险区域评估、残采区总体地压严重程度评估、指导开采等几个方面的应用效果做了基本的介绍，在监测预警方面所做的工作也还是基于监测前兆数据信息基础上的经验预警。在研究特大采空区岩体破坏失稳模式的基础上，对监测的前兆数据信息进行监测预警的理论探索还需进一步加强。值得肯定的是，微震监测技术在香炉山钨矿东区残采地压监测应用中取得了良好的效果，对于保证矿山的生产安全起到了重要的作用，还将在未来的地压监测与井下安全管理方面并将发挥更大的作用。

［1］胡静云，林 峰，彭府华，等.香炉山钨矿残采区地压灾害微震监测技术应用分析［J］.中国地质灾害与防治学报，2010，21（4）：109-115.

［2］尹贤刚，李庶林，黄沛生，等.微震监测系统在矿山安全管理中的应用研究［J］.矿业研究与开发，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.