强化开采地压灾害微震监测技术的应用研究

李安平

(新疆阿舍勒铜业股份有限公司， 新疆 哈巴河县 836799)

新疆阿舍勒铜矿于2002年4月全面开工建设，2004年投产。主采矿体Ⅰ号矿体为厚大急倾斜矿体，根据矿体的开采技术条件，矿山自上而下，分别采用无底柱分段崩落法、下向进路水平充填法、分段空场嗣后充填法和大直径深孔充填法进行开采。

矿山600 m水平以下大直径深孔开采过程中，由于矿体埋深较深，地应力大，受重复采动影响，矿体上、下盘沿脉巷道及穿脉巷道都出现了不同程度的变形和破坏。2008年500中段6号、10号采场发生大面积垮塌，2012年1月，矿山爆破后600～633分段出现大面积垮塌，给矿山后续开采造成极大困难，为了保证矿山的安全生产，防止灾害性地压活动，实现对不良地压活动的有效监控，矿山建立了一套多通道微震监测系统。

1 微震监测台站的布置

阿舍勒铜矿目前主要在600中段以下进行开采活动，为了提升矿山生产能力，矿山采用多中段同时强化开采方式，采矿方法以大直径中深孔和深孔采矿为主，致使地压活动在采场区域比较活跃，特别是在350中段、450中段和600中段表现明显。同时，矿山800中段以上采场采用无底柱崩落法回采，留下了一些采空区，由于赋存比较浅，围岩有一定程度风化，造成上部采空区局部失稳破坏。因此，为了有效监控采场及采空区的地压活动，确保矿山安全生产，需要合理布置微震监测系统的台站，达到监测600 m中段以下采场和800 m中段以上采空区的目的。

1.1 传感器优化布置

在充分考虑微震监测目的、监测对象、研究范围、客观环境背景和监测系统的投资5个因素的基础上，确定了在450中段、500中段、600中段、800中段、813中段、827中段和840中段七个中段分别布置24通道传感器。微震监测系统硬件由监测计算机、数据中心、采集仪和传感器4部分组成。其中监测计算机布置在地面上，其余3部分分别布置在井下。微震监测系统包括1台监测计算机、1个微震数据控制中心、4台数据采集仪和24个单分量传感器，其中每台数据采集仪携带6个传感器。在450中段、500中段、600中段和813中段4个中段分别布置1个数据采集仪，在450中段、500中段和600中段各布置6个传感器，上下盘各布置3个，在800中段和813中段中段各布置一个，在827中段和840中段中段各布置2个。

1.2 微震监测布置台站灵敏度分析

根据本微震监测系统布置方案，在软件JDI中运用sigma-optimal方法分别对450、500 m和600 m中段进行灵敏度分析，800 m中段以上布置较分散，不单独分析。对每个中段分析区域尺寸划分为600 m×600 m×50 m，然后创建中间网格平面，网格单元尺寸为20 m×20 m，演示分析监测区域是否能够达到监测要求。通过合理布置传感器台站，在矿山确定了微震监测系统的有效监测精度，即有效误差为10 m，达到了矿山监测监控的目的。从图1～图3可以看到深色区域表示不大于10 m的误差，而深色区域正是主要监测区域。

图1 450 m中段定位误差云图

图2 500 m中段定位误差云图

图3 600 m中段定位误差云图

2 微震系统调试及定位分析

由于波速在不同矿山传播的介质和路径不相同，不能准确的设定波速就会对微震监测系统监测地压活动位置产生较大的偏差，影响微震事件的定位精度，因此，设置纵波和横波的传播速度要尽量准确。实际操作步骤：首先根据金属矿山地震波传播的速度区间选取一个适当值，然后再反复调试和验证，使之满足矿山对微震事件定位精度的要求。在阿舍勒铜矿设定的初始纵波波速为4720 m/s，横波波速为2770 m/s；然后通过2次人工爆破处理波形来验证波速的合理性，结果最小误差为13.9 m，根据处理分析结果又对地震波波速进行微调，再通过3次人工爆破来验证波速设定的合理性，结果达到了定位精度要求，有效控制了定位误差，即10 m左右的有效误差范围。最终重新设定纵波波速值为4650 m/s，横波波速值为2700 m/s。具体爆破位置和监测定位统计见表1。

3 微震事件预报预测

3.1 微震事件预报

微震系统在监测过程中，各个活动性都记录在时间进程中。微震时程分析的主要目的是定量评估将要发生的岩体失稳。评定过程中有不同的活动性可以参考，在阿舍勒矿主要依据施密特数和辐射能比(Es/Ep)的变化作出评估。频繁发生的大事件通常有以下前兆：首先应力增大，随后应力减小并且同震变形加速增大。因此，微震粘滞性减小，扩散性增大，在失稳发生前可以看到施密特数急剧减小的现象。当介质性质发生变化时，他们的比值发生变异，通常表现为辐射能比降低(见图4)。

从图4可知，施密特数和辐射能比Es/Ep随时间进程变化基本一致，都可以预报出微震事件，由于不同活动性侧重点不一样，敏感度会有差异，因此结合两个活动性分析结果相对要更加准确。在图4同时急剧减小的时间有2012年11月22日、2012年11月29日、2012年12月19日和2013年1月15日，其中2013年1月15日减小急剧，变化剧烈。微震系统对监测区域的预报出相对大震级的事件和时间进程分析基本是一致的，可以对将要发生的较大震级进行预报。微震系统在正常监测期间内，监测出震级不小于1.0的微震事件共5个，其中最大事件震级为1.5(见图5)。

3.2 微震监测预测分析

(1) 频次分析。从图6可知，在过去的3个月内，岩体中地压活动突出发生在0～1点区段，其次是15～17点区段，其他时间段所产生的微震事件数差不多。因此，中短期预测在0～1点间和15～17点间要注意地压活动情况，及时预报分析，避免地压灾害。

表1 人工爆破精度调试结果

图5 微震预报事件立体图

图6 矿山微震事件24小时累积分布

(2) 计算b值。通过对矿山3个月的监测数据分类，每间隔半个月计算一个b值。根据古登堡-里克特的频度震级关系式，即：lgN=a-bM，b值计算结果见表2，变化趋势见图7。从图7可以看到，在11月下半个月b值开始减小，到12月前半月又开始升高，随后又减小，到一月份b值慢慢再上升，可以预测随后将要发生的大震级事件比例会有所减少。

表2 b值计算结果

图7 b值变化趋势

4 结 论

微震监测技术是一种监测及预警地压灾害的先进技术，尤其是在矿山安全管理中可发挥重要的作用。微震监测系统根据一段时间的监测数据可分析和预测潜在的不稳定区，预测岩层破坏趋势，有助于了解岩层破坏机理，为矿山采取相应的安全管理、开采设计、安全防范和处理措施提供了科学根据。

本套微震监测系统为IMSI公司第七套多通道全天侯、全数字型微震监测系统。充分利用该微震监测系统的监测数据，进行深入研究，对阿舍勒铜矿的采场和采空区监测及预警起到了重要的指导作用。当然，要建立起能够有效地长期指导矿山安全生产的微震监测系统是一项艰巨的工作，在处理分析微震系统所监测到的数据并利用分析结果对矿山生产作业进行合理指导方面，今后还有许多工作要做。

参考文献：

[1]陶雪芬.湖南柿竹园多金属矿地压监测系统研究[D].武汉：武汉理工大学，2010.

[2]李安平，刘洋树，皇甫风成，等.破碎围岩矿体预控顶分段空场嗣后充填法的研究与实践[J].矿业研究与开发，2014，34(1)：1-3，15.

[3]Brady B H G，E T Brown. Rock Mechanics For Underground Mining(Third Edition)[M].佘诗刚，朱万成，等.地下采矿岩石力学(第三版).北京：科学出版社，2011.

[4]李庶林，杨念哥，尹贤刚，等.深井地压灾害微震监测技术研究[C]//第八次全国岩石力学与工程学术大会论文集，2004：510-513.

[5]唐礼忠，杨承祥，潘长良. 大规模深井开采微震监测系统站网布置优化[J]. 岩石力学与工程学报,2006,25(10):2036-2042.

[6]郭献章.微震监测技术在济南张马屯铁矿的应用[D].沈阳：东北大学，2008.

[7]姜福兴.微震监测技术在矿井岩层破裂监测中的应用[J].岩土工程学报，2002，24(2):147-149.

[8]唐礼忠.深井矿山地震活动与岩爆监测及预测研究[D].长沙：中南大学，2008.

[9]杨承祥，罗周全，胡国斌.深井高应力矿床开采地压监测与分析[J].矿业研究与开发，2006,26(5): 17-19.

[10]王春来，吴爱祥，徐必根,等.某深井矿山微震监测系统建立与网络优化研究[C]//第十届全国岩石力学与工程学术大会论文集，2008.

[11]杨承祥，罗周全，唐礼忠. 基于微震监测技术的深井开采地压活动规律研究[J].岩石力学与工程学报,2007,26(4):818-824.