基于IMS的玲南金矿微震监测系统的应用研究

郭玉豹，李京濂，冀虎，张达

（1.中矿金业股份有限公司，山东招远265400；2.北京矿冶研究总院，北京102628）

基于IMS的玲南金矿微震监测系统的应用研究

郭玉豹1，李京濂1，冀虎2，张达2

（1.中矿金业股份有限公司，山东招远265400；2.北京矿冶研究总院，北京102628）

研究了IMS微震监测技术的工作原理、系统结构、技术应用，并基于IMS微震监测技术，介绍了玲南金矿微震监测系统的建设及应用，重点分析了系统的台网精度、波速校准、时间同步以及通信系统建设等内容，详细设计了井下设备供电防护、信号防护以及防潮等安全防护措施，为设备可靠运行提供保障。

微震监测；波速校准；时间同步；安全防护

微震监测技术作为新一代地压监测技术，以其区域性、实时性，能够实现矿区范围内的实时监测、灾源定位、应力场分布反演和岩体内部破裂实时变化规律统计等优势，成为地压活动与矿山开采动态响应的研究和岩爆与地压实时预测的重要工具［1］。微震监测技术在国外尤其是南非、加拿大、澳大利亚、波兰等国的深井矿山中得到快速发展和广泛应用，已成为矿山安全的重要措施［2－5］。

我国微震监测技术的研究起步于20世纪80年代，以国家煤炭部及地震局于北京门头沟煤矿进行的微震监测方面的研究作为开端［6－8］。随着矿山对于微震监测需求的持续升温，以及包括南非IMS、加拿大ESG微震监测系统在内的国外微震监测技术的不断引进，推动了国内微震监测的发展［9－13］。

玲南金矿地处山东省招远市北东14km的台上村，位于玲珑金矿田南部，隶属于中矿金业股份有限公司，是一个开拓深度已过千米的金属矿山，为此，作为国家863计划重点项目“深井岩爆灾害动态监测与危险性分析技术”的研究基地，采用微震监测技术，实现了对玲南金矿深部开采扰动引起的地压活动的连续监测，并利用监测数据对矿山地震活动及岩爆与地压活动进行了初步研究。同时，玲南金矿作为“十二五”国家科技支撑计划项目“矿山主被动结合高精度微震监测技术与装备研发”的研究基地，进行基于多参数耦合的岩体动力灾害评价分析与预警技术研究。本文介绍南非IMS微震监测技术在玲南金矿的应用研究，并重点分析应用中存在的问题及应对措施。

1 IMS微震监测系统

1.1 基本原理

如图1所示，IMS微震监测系统的基本工作原理是，借助速度型或加速度型传感器提取岩体变形破坏过程中产生的微震动事件，并将微震事件的机械振动转换为可被微震监测系统识别的微震数据，通过进一步分析包含岩体活动及破坏信息的微震数据，推测出微震事件的位置、强度、震源机制、应力分布等信息，实现预测预报。

图1 IMS微震监测系统工作原理Fig.1 Principle of the IMS system

1.2 系统构成

如图2所示，IMS微震监测系统在原ISS系统的基础上更新了硬件和软件。其中，硬件部分主要包括检波器（速度计或加速度计）、采集站（netADC、netSP、UPS和单端口DSL）、数据服务器（服务器和4端口DSL）、远程终端；软件部分包括数据采集配置软件（Synapse Server）、数据波形显示及处理软件（Trace）、数据三维可视化及应力分析软件（Vantage）、微震事件警示软件（Ticker 3D）。

图2 IMS系统构成Fig.2 IMS system constitution

2 玲南金矿一期微震监测系统的建立

2.1 台网设计及波速校准

玲南金矿矿床开拓主要采用竖井开拓法，地表以下开拓深度过千米，一期微震待监测区域包括20、22、24、30中段，最终，根据监测区域的大小，设计矿井尺度范围的微震监测系统，台网布设在20、22、24、30中段，共计24个采集通道，设计选用单轴速度型检波器12支，三轴速度型检波器4支，图3为20、22、24、30中段的平面图，其中，检波器及采集基站布置方案如下：

1）20中段：2＃为三轴检波器，就近安装采集基站，1＃、2＃、3＃均为单轴检波器；

2）22中段：3＃为三轴检波器，就近安装采集基站，1＃、2＃、4＃均为单轴检波器；

3）24中段：3＃为三轴检波器，就近安装采集基站，1＃、2＃、4＃均为单轴检波器；

4）30中段：4＃为三轴检波器，就近安装采集基站，1＃、2＃、3＃均为单轴检波器。

图3 台网布设Fig.3 Network layout

经过台阵分析，如图4所示，台网最佳定位精度可达5m，最小可检测矩震级－0.5，满足矿山一期微震监测需求。

图4 台网灵敏度分析Fig.4 Network sensitivity analysis

IMS微震监测系统是通过台网中的检波器拾取微震事件，并同步记录微震事件在矿体中传播至多支检波器的不同到时，来定位出发生事件的位置，即其空间坐标，并基于定位结果完成后续定性及定量的数据分析。因此，微震事件定位的首要条件是获得微震事件在所监测矿体中传播的速度模型。实际应用时，假设矿体为各项同性的均值速度模型，波速校准取代了以往定点炮的校准方式，而是采用频率、幅值可控的主动震源，选定已知空间坐标点产生震源。波速校准过程，如图5所示，图中横坐标为已知震源到达任意两支检波器的到时差，纵坐标为对应的已知震源到达任意两支检波器的距离差，最终，线性回归出图中的直线，直线的斜率即为校准得到的均值波速。

图5 波速校准Fig.5 Velocity calibration

2.2 IMS微震监测系统时间同步

微震监测技术应用的前提是获取同一时基下的微震事件时间、空间的分布情况，而同一时基的建立是通过对检波器采集数据标记时间戳的方式实现。实际标记时间戳的过程，如图6所示：4－DSL接收时钟源（GPS或服务器）发送的绝对时间，并将同步时间戳分发至各个1－DSL，再由1－DSL将时间戳赋予netADC，在检波器数据到达netADC时完成时间标记。

2.3 微震监测系统通信系统建设

基于IMS微震监测系统搭建的通信网络主要包括广域网（WAN）、局域网（LAN）、串行通信（RS232）、数字用户线路（xDSL）等，如图7所示，其中，TDU为时间分发单元，当数据采集基站的数量＞4台时，需要增加四端口DSL数量，以满足应用，此时，需配备TDU将服务器端发送的用于时间同步的主时钟信号，分发至每台四端口DSL。

通信系统的主要工作过程为：

1）检波器拾取信号，接入数据采集基站。netADC实现信号的模拟数字转化，并接受单端口DSL发送的时间信息，将时间戳加入数字序列，处理后的数字序列通过LAN送入netSP，在netSP中完成进一步数字信号处理，再次通过LAN接入单端口DSL，转换为“xDSL”通信方式输出。这里的iUPS作为备用电源，可通过RS232受控于netSP。

图6 时间同步Fig.6 Time synchronization

2）单端口DSL与四端口DSL实现“xDSL”信号数据及时间数据的通信，四端口DSL最终以LAN方式接入光纤环网。

图7 通信系统Fig.7 Communication system

3）服务器直接通过光纤环网，实现与四端口DSL的数据通信，而时间同步信号为服务器或GPS产生的RS232数据格式，需经过RS232→LAN→RS232的转换过程，被四端口DSL接收。

4）服务器端可通过LAN查询四端口DSL、单端口DSL、netSP、netADC等设备的工作状态，也可通过WAN被远程终端控制和管理。

3 IMS微震监测系统的状态监测及安全防护

3.1 设备工作状态监测

如图8所示，IMS系统的Synapse管理软件的界面实时显示netSP、netADC、检波器的工作状态，其中，netSP和netADC的绿色表示设备工作正常，由图中的绿色变为红色时，表示设备故障，即服务器无法通过网络搜索到设备，造成设备故障的原因可能是通信链路故障或设备本身故障；检波器的绿色表示工作正常且处于信号传输状态，当由图中的绿色变为棕色时表示工作正常且处于无信号发送状态，当由图中的绿色变为红色时表示检波器工作异常，异常原因可能是信号传输线路故障或检波器本身故障。

图8 设备工作状态Fig.8 Equipment working state

通常，当检波器拾取的信号在服务器中显示异常时，我们可以通过人工触发的方式检测检波器工作是否异常，检测方式在服务器远程控制下，以固定形式的脉冲触发检波器，通过回检到的检波器波形，如图9所示，异常状态下（a）无波形响应，正常状态（b）出现相应触发响应。通过这样的办法，实现了工作人员不必亲赴现场，通过服务器判断检波器工作是否异常。

3.2 设备安全防护

由于矿山工况环境复杂，井下供电易出现过压、过流等电涌危害，同时多潮湿、高温的工作环境，因此，监测系统从设备安全防护的角度，完成防护设计。

1）井下供电防护

目前，矿山井下供电为380V的交流电，但是供电极易出现过压、过流等情况，对井下的数据采集、通信等设备造成极大的危害，针对这种情况，设计供电防护措施如图10所示，所有的防护模块需要接地极有效接地。

图9 检波器工作状态检测Fig.9 Detection of geophone working state

图10 供电防护措施Fig.10 Power supply protection measures

2）检波器的信号防护

检波器通过岩体打孔、灌浆的方式完成安装，加上检波器采用金属防护外壳，检波器信号线接入数据采集基站时，易引入强干扰电信号，损毁采集设备，因此，在检波器信号输入端添加浪涌保护器，抑制搭载在信号线上的过压过流信号。

3）防潮措施

由于井下工作环境高温潮湿，为确保微震监测设备可靠稳定运行，现场通过常规的干燥剂、密封、烘干等方式，均无法满足实际应用。井下的湿度较大，干燥剂很快达到饱和，失去干燥作用；箱体密封时，由于进出线缆较多，很难在井下实现良好的密封效果；采用加热烘干的方法，容易引起设备工作在高温环境，出现异常。最终，选用绝缘、高导热的电子灌封胶，在设备下井前，将设备接线引出箱体后，灌入箱体固化，设备被胶体完全固封，与外界隔离。

4 结论

IMS微震监测系统在玲南金矿已经得到了实际应用，并实现了对玲南金矿开采扰动引起的地压活动的连续监测，并利用监测数据对矿山地震活动及岩爆与地压活动进行了初步研究。本文重点研究了IMS微震监测技术在系统架构、系统建设、技术应用、设备防护等方面进行应用研究，为微震监测系统长期、有效、可靠的发挥作用奠定基础，为监测数据的可靠性提供保障。

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Application research of microseismic monitoring system based on IMS in Lingnan Gold Mine

GUO Yubao1，LI Jinglian1，JI Hu2，ZHANG Da2
（1.Zhongkuang Gold Industry Co.，Ltd.，Zhaoyuan Shandong 265400，China；2.Beijing General Research Institute of Mining ＆Metallurgy，Beijing 102628，China）

This paper studies the working principle，system structure and technology application of the IMS microseismic monitoring technology，and introduces construction and application of microseismic monitoring system based on IMS in Lingnan Gold Mine.Also，it analyses the system of network precision，velocity calibration accuracy，time synchronization and communication system construction，etc.Finally，it introduces the detailed protection design for equipment power supply，signal，moisture，etc.，which guarantees the reliable operation of equipment.

microseismic monitoring；velocity calibration；time synchronization；safety protection

TD76

Α

1671－4172（2015）02－0004－06

10.3969/j.issn.1671－4172.2015.02.002

郭玉豹（1981－），男，助理工程师，机械工程及自动化专业。