某钨矿地压微震监测系统技术应用研究

陈祥祥，苏振豪，李凌飞，江文武，李家福

（1.江西理工大学 资源与环境工程学院，江西 赣州 341000；2.江西理工大学 应用科学学院，江西 赣州 341000；3.上海鹏旭信息科技有限公司，上海 201199）

某钨矿地压微震监测系统技术应用研究

陈祥祥1，苏振豪1，李凌飞1，江文武2，李家福3

（1.江西理工大学 资源与环境工程学院，江西 赣州 341000；2.江西理工大学 应用科学学院，江西 赣州 341000；3.上海鹏旭信息科技有限公司，上海 201199）

以江西某钨矿微震监测系统为背景，通过分析微震事件时空分布特征，分析一段时间内不同区域的微震事件分布特征以及一定区域内不同时间的微震事件分布特征，得出微震事件的时空分布特征，并圈定该矿山的风险区域。结合能量指数、累积视体积和施密特数等多参数进行风险预警，经长时间的研究发现当监测范围内岩体累积视体积快速增加，伴随着能量指数、施密特数快速下降，则发生大尺度岩体破裂的可能性增高，从而实现了对313采场坍塌地压灾害事件进行成功预警。研究结果对类似矿山地压灾害监测具有重要的借鉴意义。

微震监测；时空分布；能量指数；累积视体积；风险预警

随着采矿工作的进行和深入，矿区地压问题日益突显。微震监测技术作为一种实时在线监测手段，克服了传统的现场地压监测手段普遍存在监测范围的局部性、监测点埋设的局限性、地压活动反应的敏感度低，不能实现实时监测和风险预警等技术缺陷，实现了实时全方位监测岩体裂隙时空演化、破坏的全过程［1-2］。研究介绍了江西某矿山微震监测系统建立及研究矿山微震事件时空分布特征，建立基于微震事件的多参数预警模型研究，有效地对矿区地压灾害事件进行预警。

1　矿山概况

该矿区发现于1918年，早期矿区民采现象严重。目前矿区有676、616、556、496、448、388、328、268和208共九个中段，中段高60m。388中段以上为平窿开拓，328、268中段以盲竖井、盲斜井方式联合开拓。采矿方法主要有留矿法和阶段空场法。现主要生产区段为496中段、448中段、388中段、328中段和268中段。经多年的开采，已形成了大量的采空区，矿区内断层发育，现已有较大断层11条，F3和F2断层横切整个矿体，断层相邻区域岩层非常破碎，稳定性较差，暴露后即产生垮塌［3］。受矿区地质构造发育及开采欠平衡等因素的影响，近年来采区地压活动较为明显，地压活动主要集中在该矿中部矿区与中部矿区的交界处，地压活动的表现形式以巷道等工程变形、局部地段出现裂缝和底板下沉为主，构造带有明显地错动，这已对矿区的安全生产构成了威胁。矿山开采图如图1。

图1　矿山开采图Fig.1　M ining figure

2　微震监测系统架构

根据该矿区地质条件和开采特点，针对地压相关参数，同时考虑到传统的现场地压监测手段普遍存在的局限性，引进微震监测系统实时在线进行监测，掌握上部空区在下部中段开采过程中的稳定情况，起到预报预警作用，同时为制定下部中段的开采方案和空区控制方案提供依据［4-5］。

整个微震监测系统，设计在该矿的268，388和496三个中段共布置了18个检波器，其中3个三通道检波器每中段各1个，15个单通道检波器每中段各5个，三个中段共计24通道，实现对268、328、388、448、496、556等6个中段采空区的地压监测。检波器监测到的微震应力波转变成模拟电信号，通过检波器信号线缆传输至采样器和模数转换器（NetADC）并转换成数字信号，经过波形处理器（netSP）分析和处理，并由专用调制解调器从各中段监测工作站通过网络通信线缆传输到位于388中段变电房的井下数据处理中心，并统一将所有井下监测的数据由专用调制解调器通过光纤传输到位于坑口的微震监测系统的服务器。系统拓扑图及微震监测点位布置如图2、图3。

图2　微震监测系统拓扑图Fig.2　Topologicalgraph ofm icroseism icm onitoring system

图3　微震监测点位分布图Fig.3　Distribution ofm icroseism icmonitoring point

3　微震活动的时空分布规律研究

对于采矿过程中诱发的微震事件，选取一段时间内不同区域的微震事件的分布特征以及一定区域内不同时间的微震事件分布特征进行分析。可以准确掌握由于开采扰动形成的微震事件时空分布特征，进行微震事件发生频率预警，及时撤离微震事件发生异常区域的工作人员和设备，或远离事件发生区域，以降低短期内人员作业的风险。

3.1同一时间域不同空间域微震事件分布规律研究

微震活动以生产的采场为中心，形成微震活动聚集区，即地压活动活跃区域，这些区域可能成为后续矿山井下安全生产的重要隐患，应给与密切关注。所以，在进行矿山微震事件空间分布特征分析时，也应对特定空间内事件域的微震事件活动分布特征进行分析［6］。图4中（a）、（b）分别为2016年1月17～20日和2016年1月20～23日微震事件空间分布情况。

由图3可以看出，微震事件区域分布特征在空间分布上极不均匀，在2016年1月17～20日和2016年1月20～23日，有3个明显的微震事件活动的聚集区，即图4（b）中重点标出的区域，937采场、3113采场、335采场和313采场，这四个采场是由于开挖岩体的应力扰动引起应力集中和变动，容易发生局部的片帮、冒顶等灾害。

在2016年1月17～20日和2016年1月20～23日两个时间段内，微震事件主要集中在268～448m，496～556m之间少量分布。对比两个时间段的微震事件，结合井下回采情况，发现该时间段在268～388m高层的313采场、268～388m高层的335采场和388～496m高层的937采场采矿活动诱发微震事件增多，表明比较集中的频繁回采活动作业，及较大的采出矿量，对围岩影响较大。岩体裂纹由压密阶段开始扩展，一旦裂纹扩展到贯通阶段，极易造成采场跨冒灾害，建议对该区域重点监测，采取一定的安全加固措施，有必要进行回采顺序优化或采用合理的采矿结构参数。

图4　微震事件空间分布图Fig.4　Distribution ofm icroseism ic eventsspace

3.2同一空间域不同时间域微震事件分布规律研究

在实际开采条件下，微震事件的产生与时间相关，并且可以利用统计学方法，分析微震事件空间、时间及能量的分布特征。对于采矿活动过程中诱发的微震事件，可以采取一段时间内的事件小时累积分布或天累积分布进行分析。

图5　313采场累计事件数和累积视体积随时间变化关系图Fig.5　Cum ulativenum ber of eventsand apparent volum e changesw ith tim ediagram of 313 stope

图5是2015年8月1日～2016年1月23日，313采场回采过程诱发的微震事件累计数和累积视体积随时间变化曲线。

曲线表明：微震事件发生频率的随机性很强，随时间变化起伏较大。在2015年8月20～30日，微震事件随时间变化近似直线，说明这个事件段微震事件增长率为常数，显示出微震发生的平稳特性。但微震活动并不总是保持平稳状态，有时候微震活动会频繁发生。在2015年9月8日前，微震事件表现为平稳阶段，此后以震群的形式集中发生，表现为明显的续发性。这种续发性微震事件发生特征是岩体裂纹发生贯通的前兆特征。在2015年11月25日～2015年12月1日，2015年12月27日～2016年1 月6日，微震事件发生率趋于平稳，显示出微震活动的间歇性特点。在微震活动区上，微震活动突然减弱或中断，出现较长事件的相对间歇或平静期，可能是强微震事件发生诱发片帮、冒顶等灾害的前兆。微震活动以间歇性和续发性交替活动为表现形式。

4　微震监测多参数风险预警研究

微震监测的目的是掌握岩体受力变形状态下微震活动随时间变化的过程。岩体微震监测预警就是根据监测到的微震参数的时间序列来预测微震参数的发展趋势，对岩体未来可能发生的破坏进行预警。该矿山的地压灾害风险预警中选择了能量指数、累积视体积和施密特数等参数作为预警指标。

能量指数：一个微震事件的能量指数是该事件所产生的实测辐射微震能E与区域内所有事件的平均微震能（P）之比。平均能量可由该区域的实测平均能量和微震体变势P关系（P）=d log（P）+c求得。d=1.0，表示平均能量与视应力成比例关系。

能量指数越大表示事件发生时震源的驱动应力越大。

累积视体积：震源体积可以用V=P/Δε估算，它表示震源非弹性变形区岩体的体积［7］。微震体变势可以从波形记录可靠算得，应变改变量依赖于计算模型，变形区形状将影响到角频率f0。因此，微小的f0不确定性可能会导致很大的lε的不确定性，从而影响震源体积VA的计算。

式中：E是岩石的刚度（剪切模量），MPa；εA是应变；u是剪切模量；P为微震体变势。累积视体积依赖于微震体变势和辐射能。

在地震学中，视体积和能量指数是描述地震孕育过程的两个重要参数，经常用来描述地震发生前岩体的变化规律。岩石在接近破坏时，变形增长加快而应力增长减少；在峰值后区，应力随变形的增长而下降，根据岩石的失稳理论，岩石进入非稳定阶段后，应力下降越快，岩石失稳破坏越严重，同理也可通过累积视体积与能量指数随时间的变化，获取地压灾害发生前的信息与规律。

施密特数能测量震动岩石流变的时空复杂程度，也是唯一反映位势不稳定的参数。施密特数越低，微震变形越不稳定［8］。在分析中一般取其对数，与累积视体积结合可以有效判定岩体的稳定性。一般来说，累积视体积是一个逐步增加的过程，增加的幅度有快慢。若某时段累积视体积增幅加快，而施密特数急剧降低，而后又逐步上升，则在此时段附近可能发生大事件。

在对数能量指数、累积视体积与施密特数图中，能量指数快速下降（能量指数曲线斜率的绝对值越大），累积视体积快速增加（累积视体积曲线斜率K越大），且施密特数快速下降（施密特数曲线斜率的绝对值越大），说明在该时间段内所监测范围内的岩体部分区域进入非稳定破坏阶段［9］，为岩体破裂的预警期，需及时对该区域的岩体破裂做出预警。

图6为2015年8月1日～2016年1月23日313采场对数能量指数、累积视体积与施密特数随时间变化的关系曲线图。

图6中，2015年8月～2015年12月，出现多处能量指数快速下降，这说明围岩体积内的能量超过了围岩体的储能能力，但考虑到累积视体积增加速率仅稍有增加，结合施密特数的变化，这些预示着此次岩体破裂仅发生在岩体内部，是诸多小尺度裂隙扩展形成大尺度裂隙的过程，但未形成具有宏观特征的岩体移动或冒落现象；2016年1月19～21日时出现能量指数快速下降，同时伴随着累积视体积快速增加及施密特数的快速下降。这反映在该时间段内所监测范围内的岩体部分区域进入非稳定破坏阶段（软化阶段）［10-11］，这是大尺度岩体破坏发生前的显著特征，为大尺度岩体破裂的预警期，及时对大尺度的岩体破裂做出了预警。随着时间的推移，视体积进一步增加，能量指数开始重新增加，进入大尺度岩体破裂发生的危险期，最终在进入岩爆危险期后第二天（1月22日）产生较大尺度的岩体破裂事件。

图6　313采场对数能量指数、累积视体积与施密特数图Fig.6　Log.energy index，cumulativeapparentvolumeand Schm idtnumber of313 stope

经现场调研，328中段313采场顶板（即388中段313采场的底板）出现了失稳垮塌，该区域正对388中段313采场1线装矿机道和1线以西2号装矿机道，如图7。

图7　313采场岩体坍塌图Fig.7　Collapsediagram of 313 stope rockm ass

由微震事件数的时空分布特征圈定出的微震活动聚集区，结合能量指数、累积视体积和施密特数等多参数进行风险预警，可以实时掌握矿区应力变化情况，综合累积视体积和施密特数的变化情况，当出现能量指数快速下降，伴随着累积视体积快速增加和施密特数的快速降低，此时对矿区做出风险预警，该区域需做安全排查，人员及设备的撤离。

5　结论

（1）通过对比一段时间内不同区域的微震事件的分布特征，以及一定区域内不同时间的微震事件分布特征并进行分析，得出微震事件时空分布特征。圈定微震活动聚集区，确定该矿山的风险区域，这些区域可能成为后续矿山井下安全生产的重要隐患，应密切关注。

（2）能量指数快速下降，同时伴随着视体积快速增加及施密特数快速下降，说明在该时间段内所监测范围内的岩体部分区域进入非稳定破坏阶段，视为大尺度岩体破裂的预警期，需及时对该区域的岩体破裂做出预警。

［1］ 李庶林.试论微震监测技术在地下工程中的应用［J］.地下空间与工程学报，2009，5（1）：122-128.

LIShulin.Discussion onmicroseismicmonitoring technology and its applications to underground projects［J］.Chinese Journal of Underground Spaceand Engineering，2009，5（1）：122-128.

［2］ 李庶林，尹贤刚，郑文达，等.凡口铅锌矿多通道微震监测系统及其应用研究［J］.岩石力学与工程学报，2005，24（12）：2048-2053.

LI Shulin，YINXiangang，ZHENGWenda，et al.Research on multichannelmicroseismicmonitoring system and itsapplication to Fankou lead-zincmine［J］.Chinese JournalofRock Mechanicsand Engineering，2005，24（12）：2048-2053.

［3］ 李凌飞，江文武，杨扬，等.某钨矿微震事件定位精度分析［J］.中国钨业，2015，30（5）：29-33.

LILingfei，JIANGWenwu，YANG Yang，，et al.Position accuracy analysis ofmicro-seismic events in a tungsten mine［J］.China Tungsten Industry，2015，30（5）：29-33.

［4］ 袁节平，胡静云，周爱民，等.柿竹园多通道微震监测系统的建立及其应用［J］.矿业研究与开发，2010，30（6）：12-14.

YUAN Jieping，HU Jingyun，ZHOU Aimin，et al.Implementation and application ofmulti-chiannelmicroseismicmonitoring system in Shizhuyuan mine［J］.Mining Research and Development，2010，30（6）：12-14.

［5］ 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.

HUJingyun，LINFeng，PENGFuhua，etal.Researchonapplication of microseismic monitoring technology on ground pressure hazard of residual are in Xianglushan tungstenmine［J］.The Chinese Journal ofGeologicalHazard and Control，2010，21（4）：109-115.

［6］江文武，谢建敏，杨作林，等.基于微震监测的地压活动规律和风险预测［J］.科技导报，2014，32（16）：58-62.

JIANGWenwu，XIE Jianmin，YANG Zuolin，et al.Risk prediction and law of ground pressure activities based on seismicmonitoring system［J］.Scienceand Technology Review，2014，32（16）：58-62.

［7］ 李瑞，吴爱祥，王春来，等.微震监测参数主要特性及关系研究［J］.矿业研究与开放，2012，30（6）：9-12.

LI Rui，WU Aixiang，WANG Chunlai，et al.Study on the major characteristicsandrelationshipof microseismicmonitoring parameters［J］.MiningResearchandDevelopment，2012，30（6）：9-12.

［8］ 姜福兴，XUN Luo.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 J

IANG Fuxing，XUN Luo.Application ofmicroseismic monitoring technologyofstrata fracturing in underground coalmine［J］.Chinese JournalofGeotechnicalEngineering，2002，24（2）：147-149

［9］ 唐绍辉，潘懿，黄英华，等.深井矿山地压灾害微震监测技术应用［J］.岩石力学与工程学报，2009，28（增刊2）：3597-3603.

TANG Shaohui，PAN Yi，HUANG Yinghua，et al.Application research of microseismic monitoring technology to geo-stress hazard in deepmine［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28（supply2）：3597-3603.

［10］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.

YANG Chengxiang，LUO Zhouquan，TANG Lizhong.Study on rule ofgeostatic activity based onmicroseismicmonitoring technique in deepmining［J］.Chinese JournalofRockMechanicsand Engineering，2007，26（4）：818-824.

［11］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.

TANG Lizhong.Study on monitoring and prediction of seismicity and rockburst in a deep mine［D］.Changsha：Central South University，2008.

Application of M icroseism ic M onitoring System in a Tungsten M ine

CHENXiangxiang1，SUZhenhao1，LILingfei1，JIANGWenwu2，LIJiafu3

（1.FacultyofResourceand EnvironmentalEngineering，JiangxiUniversity ofScienceand Technology，Ganzhou 341000，Jiangxi，China；2.CollegeofApplied Science，JiangxiUniversityofScienceand Technology，Ganzhou 341000，Jiangxi，China；3.ShanghaiPengxu Information and Technology Co.，Ltd.，Shanghai 201199，China）

The temporal and spatial distribution ofmicroseismic events in a tungstenmine of Jiangxi is obtained and the risk region is then decided.This paper then performs risk pre-warning by analyzing the various parameters，including energy index and cumulative apparentvolume and Schmidtnumber.The results showed that the increasing cumulative apparent volume of rock mass and quick reduction of energy index and Schmidt number lead to higher chancesof large scale rock rupture.The collapse of313 stope is successfully predicted.The research offers favorable guidance forground pressure disastermonitoringofsimilarmine.

microseismicmonitoring；spatial and temporal distribution；energy index；cumulative apparent volume；risk warning

TD326

A

10.3969/j.issn.1009－0622.2016.04.005

2016-02-22

陈祥祥（1991-），男，安徽淮南人，硕士研究生，研究方向：微震监测技术与地压管理研究。

江文武（1975-），男，浙江丽水人，副教授，主要从事地压监测与管理等研究。