IMS微震监测系统在矿山中的应用设计

卢海珠

（中金岭南凡口铅锌矿，广东仁化 512300）

IMS微震监测系统在矿山中的应用设计

卢海珠

（中金岭南凡口铅锌矿，广东仁化 512300）

针对我国金属矿山在向深部开采过程中存在的地压显现问题，通过对微震技术工作原理分析及微震技术对地压灾害预警应用的可行性分析，确定采用IMS微震监测系统对凡口铅锌矿应用微震监测应用设计，确定IMS微震监测系统传感器、工作台站及井下数据中心的布局，为凡口矿设计出有效井下地压微震监测系统，为进一步开展地压灾害预警及防控研究奠定基础。

IMS；微震；监测；应用

近年，我国部分金属矿山已进入深部开采，此类矿山在开采过程中存在着多冒顶片帮、岩爆、矿震和采场大脱盘等严重地压问题，深部开采中高应力地压环境导致的地压问题已成为深井开采亟待解决的问题之一［1］，近年随着微震技术发展，利用微震技术对地压灾害预警在国外已有广泛应用，因此，建立有效井下地压微震监测系统，并开展地压灾害预警及防控研究，实现以主矿体及深部矿体为重点的井下地压监测及控制，对于矿山安全生产意义重大。

1 微震监测技术原理

1.1 微震监测原理

微震信号的特征取决于震源性质、岩体性质及监测点到震源的距离等，在震源周围布置一定数量的传感器，组成传感器网络，如图1所示，当岩体内部产生微震事件时，传感器拾取微震应力波信号，通过多点同步采集测定各传感器接收信号的时间，连同传感器坐标及所测波速代入计算，即可确定震源时空参数，实现震源定位目的［2，3］。

图1 微震定位原理

通常采用4个独立特征参量（ΣE，ΣM，X，t）的对数形式对微震事件进行量化和定义。其中，t为事件间的平均时间，X为相临事件之间的平均距离（包括震源大小），ΣM为微震矩之和，ΣE为发射能量之和。基于4个独立特征参量，可求得如微震应变εs、微震应力σs、视体积VA、微震Schmidt数Scs等其它微震参数，由此得到同震变形及其应变率、应力和流变性的统计特征［4～6］。

1.2 微震与岩体稳定性的关系

图2是一个典型的岩石压缩试验过程示意图，在t1之前试样处于应变硬化阶段，状态稳定；当经过t1后应变增加而应力不再增大，试样开始进入软化阶段，当通过t2后，开始进入不稳定状态，应力降Δσ加速而应变Δε发展加快，能量ΔU加速释放，试样发生破坏。

图2 岩石应力应变破坏过程

本次微震监测采用IMS微震监测技术，IMS利用上述原理由监测到的微震事件计算出伴随能量的释放而产生的应力降（用能量指数表示）和同震非线性体应变。根据一定范围岩体内的能量指数和体应变随时间的变化，即可用于判断岩体所处的工作状态。如图3所示，线条1表示能量指数随时间的变化，线条2表示同震体应变随时间的发展，当应变急剧增加，能量指数下降时，即预示着岩体进入失稳状态，由于能量指数下降和应变发展之间存在一定的时间差，由此时间差即可对岩体失稳进行预警预报。

图3 微震特征参数随时间变化及预报原理1－能量指数；2－体应变

2 矿山微震监测系统构建实践

2.1 工程背景

本次矿山微震监测系统工程实践以中金岭南凡口铅锌矿为实践对象，凡口铅锌矿开采作业中段分浅部和深部采区，浅部采区主矿体Sh－320中段0＃采场在回采过程中，由于受矿岩结构破碎、断层、采矿爆破震动、空区暴露时间过长等因素的影响，发生了两帮充填体跨帮，导致周边相邻区域出现较大面积失稳，致使该地区成为了隐患区域。然而该区域资源品位高，并存留约30万t的矿石量，具有重要的开采价值。垮塌区资源的开采条件极为复杂，面临较大的安全风险，特别是岩体的失稳风险。因此，需要对主矿体垮塌区影响范围资源开采地压进行有效监测，为垮塌区资源回采过程提供预警信息，保障安全回采。具体监控范围：－240～－360 m四个中段，高160m，控制矿体长度100m，南北坐标2778300至2778400，控制宽度小于200 m。

深部主要开采中段与浅部相比，深部井巷中的地压大，巷道冒顶片帮明显增多，大冒顶现象时有发生，支护工程量增加，支护成本大大增加。这些均体现出典型的深井开采的地压特点。因此，为保证矿山（尤其是深部矿体）的安全生产，必须对该矿深部采区的地压问题进行深入研究，采用微震系统监测深部地压活动，旨在预防深井地压危害特别是预防可能的大冒落、岩爆或矿震等灾害发生。具体监控范围：－400～－650 m六个中段，高290 m，控制矿体长度800 m，南北坐标2777800至2778600m，控制宽度小于200 m。

2.2 矿山微震监测系统构建设计

在考虑实际施工条件与环境的前提下与矿山有关部门协作，进行现场调研，调整、优化确定传感器、工作台站及井下数据中心的布局，确保达到预定的监测精度目标。

2.2.1 系统布局

拟在矿区建立5个微震工作站和32个检波器的微震监测系统。工作站在－280m、－360m、－455 m、－550 m和－650 m中段各设置一个，编号依次为1号至5号工作站。微震工作站包含32位高精度的八通道数据采集器（netADC8）、波形处理器（netSP）、智能UPS、单端口调制通信设备和一些其它辅助设备，其中在－455 m中段工作站安装2个八通道数据采集器，其它工作站均为1个。1号微震工作站连接5个单向检波器，1个三向检波器；在－360 m中段2号工作站布置5个单向检波器、1个三向检波器；－455 m中段3号工作站布置6个单向检波器、2个三向检波器；－550 m中段4号工作站布置5个单向检波器、1个三向检波器；－650 m中段5号工作站布置5个单向检波器、1个三向检波器。所有检波器都将连接到八通道的数据采集器上，将检测到的波形信号经模数转换后送至波形处理器处理。

井下数据通信中心拟安装在－455 m中段，主要由时钟同步设备、4端口的专用调制解调器（DSLAM）、串口同步设备以及光电转换设备组成，主要负责分发来自服务端的控制信号和时钟同步信号，同时收集井下数据中心的缓存及中转，最终将数据传输到位于地面的微震服务器，从而让这些微震数据得到系统软件的进一步处理。由于微震工作站内部设备类型相同，故以－280 m中段上的微震工作站为例，说明系统结构。工作站主要设备包含了一个32位高精度的数据采集器（netADC8）、一个智能UPS、一个波形处理器（netSP）和一个专用通信MODEM，用于将微震工作站采集处理好的设备发送到井下数据通信中心中转，并最终传送到微震监测服务器进行进一步处理。根据上述系统构建情况，可以得出系统微震监测网络拓扑图，如图4所示。

图4 凡口铅锌矿微震监测系统网络拓扑图

2.2.2 检波器阵列分布及微震工作站布局

如图5～图9所示为检波器在各中段的安装位置示意图，图中三角形代表检波器在各中段的安装位置，标注的五边形为微震工作站布置位置，实际位置可根据需要微调。

2.2.3 井下数据通信中心

选择井下数据通信中心的位置时，需要考虑到供电的便捷性，避免来往行人或者设备的触碰，也要方便系统设备未来的维护和检修。综合各项因素，建议把井下数据通信中心布置在巷道宽敞的地方或者硐室里，并且与各工作站的布线距离不应超过1 000 m。根据优化系统架构，将井下数据通信中心设置在－455 m中段，其位置暂定图10中五边形所示标注位置，后续可根据现场实际情况再做相应调整。

2.2.4 微震系统监控中心和远程数据处理中心

微震系统监控中心主要由微震服务器、路由器、光电转换器、不间断电源（UPS）及相关软件组成。微震服务器选择稳定的Ubuntu Linux服务器操作系统，并配备双网卡，其中的一个网络接口连接到井下微震监测系统网络，另一个网络接口连接矿区局域网并能访问互连网，将井下监测的微震数据发送到远程数据处理中心。

图5－280 m中段检波器分布图

图6－360 m中段检波器分布图

图7－455 m中段检波器分布图

图8－550 m中段检波器分布图

图9－650 m中段检波器分布图

图10－455 m井下数据通信中心位置

远程数据中心可以是IMS数据处理中心（下称IMS数据中心）、系统供应商和中南大学数据处理中心。远程数据中心主要功能为备份矿区微震事件，并对微震事件进行深入处理和分析，向矿山提供风险评估、系统维护等技术支持，最终指导矿山安全生产。

2.2.5 供电及通信

为了使IMS微震监测系统的各个组件能一直持续稳定运行，不受生产用电频繁启停的干扰和波动影响，为此，建议矿方为该系统配备一套独立于生产用电的稳定220 V交流供电系统，专门为系统的井下数据通信中心、各个工作站供电，保证整个系统能全天候24 h不间断地实时监测井下各中段发生的微震事件，从而了解各区域的地压变化和发展规律。

井下各个检波器监测到的微震数据必须有效地通过微震工作站传输到井下数据通信中心并最终传输到地面微震服务器，必须有一套可靠有效的通信网络。根据系统架构设计，检波器将通过双屏蔽四对八芯的纯铜信号电缆将检波器检测的微震数据传输到相应的工作站；工作站统一采集各个检波器数据并做相应的数字化处理和波形处理，然后将数据打包并调制到一定频率通过DSL通信协议传输到井下数据通信中心，传输线缆采用超五类的屏蔽网络通信线缆；井下数据通信中心将各个微震工作站的数据统一打包、调制，并通过光电转换器转换成光信号，通过光纤将所有数据传输到地面微震服务器，并做进一步处理。

2.3 IMS微震监测系统应用效果

IMS微震监测系统安装、调试后，运行良好，试运行期间共监测微震事件128次，释放总能量为3.2 ×108J，发生位置主要为各中段生产作业区域，为正常生产作业所致，期间未有大能量事件发生，该IMS微震监测系统试运行期间，工作监测状态良好，可对矿山生产进行实时监测，并有效预测。

3 结 语

我国金属矿山在向深部开采过程中存在冒顶片帮、岩爆、矿震和采场大脱盘等严重地压问题，严重影响着矿山的安全生产，本文通过微震技术工作原理分析及微震技术对地压灾害预警应用的可行性分析，并以中金岭南凡口铅锌矿设计应用对象，进行现场调研、技术调整、优化设计，确定IMS微震监测系统传感器、工作台站及井下数据中心的布局，确保达到预定的监测精度目标，为该矿建立起有效井下地压微震监测系统，该IMS微震监测系统设计实现了以主矿体及深部矿体为重点的井下地压监测及控制，对于矿山安全生产意义重大。

［1］ 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研究［J］.岩石力学与工程学报，2009，28（S2）：3 597－3 603.

［2］ 郑超.基于微震监测数据的矿山岩体强度参数表征方法研究［D］.沈阳：东北大学，2013.

［3］ 肖玲.基于微震监测的地下矿山地质灾害分析预测［D］.武汉：武汉科技大学，2013.

［4］ 张飞，刘德峰，张衡，等.基于IMS微震监测系统的微震事件定位精度分析［J］.中国安全生产科学技术，2013，9（6）：21－26.

［5］ 覃敏.多中段强化开采地压微震监测与预警技术应用研究［D］.长沙：长沙矿山研究院，2013.

［6］ 李海港，龙卿吉.IMS微震监测技术在漂塘钨矿的应用［J］.中国矿业，2014，23（12）：132－135.

Application of IMSMicroseism ic Monitoring System in Mine

LU Hai-zhu
（Fankou Lead-zinc Mine，Renhua 512300，China）

Based on the analysis of the working principle of the microseismic technique and the feasibility of the application of the microseismic technology to the early warning of the ground pressure disaster，it uses the IMS microseismic monitoring system to analyze the ground pressure in the process of deep mining of the metalmines in China.The application ofmicroseismic monitoring application design，determines the IMSmicroseismic monitoring system sensors，workstations and downhole data center layout for the Fankoumine to design an effective underground pressuremicroseismic monitoring system for the further development of ground pressure disaster early warning and prevention and control research foundation.

IMS；microseism；monitoring；application

TD76

A

1003－5540（2017）01－0008－05

2016－11－06

卢海珠（1968－），男，工程师，主要从事矿山生产技术管理工作。