赣南某矿微震监测系统优化改造

2018-08-07徐绍梅蓝善海康添明

中国钨业 2018年3期

徐绍梅，蓝善海，康添明

（1.江西钨业控股集团有限公司，江西南昌 330096；2.江西漂塘钨业有限公司，江西大余 351400）

1 概述

赣南某矿开采历史长，已形成十多个中段，目前有 616 m、556 m、496 m、448 m、388 m、328 m、268 m、208 m，其中388 m及以上为平硐开拓、388 m以下为盲竖井开拓，采矿方法有浅孔留矿法和分段空场法。矿区地质构造复杂，主要有 F′、F2、F3、F5、F6 断层等[1]。矿区已形成大量采空区且未处理量达134万m3，矿区上部中段的中部与东部交界处地压活动较为明显，巷道变形、局部出现裂缝和底板下沉，构造带有明显错动。

2012年3月投入建成微震监测系统，该系统可以实时全天候地监测矿区地压活动变化，通过检波器拾取到的波形进行判断识别，对一些干扰噪声和衰减程度较高的波形进行筛选，对真实的微震事件进行波形识别和计算，最终反演出震源机理和参数[2]。同时，对大量的微震事件进行定量统计，并结合可视化三维分析，把握具体的矿区地压活动规律，捕捉失稳前的征兆，有针对性提出预警模型和方案[3]。但随着开采进度的推进，逐步回采东部低品位细脉带矿体，东部形成了新的空区，矿区采空区的变化较大，岩石受力重新分布，地压活动较为显现。原有微震地压监测监控系统由于检波器通道数偏少，系统设计的监测点的数量也较少，且主要布置并服务中部和西部，难以准确、量化地显示东部地压活动微震事件发生的位置、能量；为实时监控地压重新分布和采场顶板及上盘围岩稳定性状态变化，对微震地压监测监控系统进行优化改造十分必要。研究对监测软件进行升级、增加监测通道、对精度进行分析等，以期为同类矿区监测系统优化提供借鉴。

2 微震监测系统优化改造

2.1 微震系统监测软件升级

系统优化改造首先对所有软件进行升级，主要包括系统控制监测软件Synapse，波形处理软件Trace，系统自动处理软件Ticker 3D，三维可视化分析软件Vantage。

Synapse软件版本由V4.7升级为V8.5，其功能主要是实时监测系统各软硬件具体配置情况及功能状态，用户可以直观地看到系统的各个组成部分及其相关通讯状态，当发现系统某个硬件出现故障时可以有针对性地进行维护和检修，大大降低了人工排查的工作量，提高了工作效率。

Trace软件版本由V4.7升级为V7.8，其功能主要是实时查看系统自动处理和技术服务单位人工处理的微震事件波形，此外还可以查看和分析干扰事件（如爆破、机车噪声等），这些都会被系统或人工进行区别出来，不会加入到对微震活动的整体分析过程中。

Ticker 3D版本由V4.7升级为V7.8，这是一个可视化实时监测软件，其功能是在获取分析权限后可以用作对监测区域整体或局部的目标时间段内微震活动统计分析，进行有效的风险判断和预警。如图1显示的是每个不同颜色大小的球形代表发生的一个个微震事件[4]，颜色如图例代表的是发生时间的先后，大小代表其震级大小。

如图2所示的是具体某个微震事件的相关参数，包括发生时间（精确到0.000 001 s）、震级、震源坐标、初至时间、触发传感器、各传感器附近岩体引起的岩层振动速度等。

图1 Ticker 3D软件实时显示微震事件及参数Fig.1 Real-time display of microseismic events and parameters by Ticker 3D software

图2 Ticker3D计算某个微震事件参数的显示功能区Fig.2 Display function area of a microseismic event parameter calculated by Ticker 3D

Vantage是一款三维可视化分析软件，由JDI直接跨代升级为功能强大的Vantage，其分析功能比Ticker 3D软件更为强大，除了上述的分析功能之外，还可以在3D界面为矿区建立介质模型，区分围岩实体、矿体、断层、空区以及其他介质不均的区域，为相关区域导入应力波的传播属性，使得分析过程和结论更加贴近矿区实际情况。

2.2 优化改造内容

根据现微震监测监控存在的主要问题，结合东部回采计划，原微震监测系统监测的24通道经优化改造后达41通道，各中段新增检波器空间分布如图3所示。

改造主要内容：在328 m增加1个微震工作站、1个三向检波器、5个单向检波器；在448 m增加1个微震工作站、1个三向检波器、2个单向检波器；在496 m原一号工作站增加1个三向检波器、原二号工作站增加1个单向检波器。在328 m和448 m新增的工作站采用专项电源供电，避免系统供电受生产用电的干扰，保证其供电的稳定性，从而使得监测数据可以实时、完整地被采集和传输。

图3 各中段新增检波器空间分布Fig.3 Space distribution graph of new geophone in each middle section

2.3 定位精度分析

扩容系统以整体优化微震监测系统检波器布局，重点监控东部556 m、616 m低品位矿体回收过程中的地压风险，以及268 m至388 m中部、西部Ⅲ带采空区和西部Ⅰ带采空区等。

将矿区区域地形图、原有和新增加的传感器信息导入到Vantage可视化分析软件中，利用爆破测试得到各个传感器附近介质的应力波传播速度，并将其配置到相应的传感器定位计算模块中，可以通过Vantage定位分析功能进行直观的数值模拟分析，得到优化后的矿区整体和各个中段的定位精度、灵敏度等值云图，388 m位于中部且回采开拓范围最大，因此研究以388 m中段为例，如图4所示，蓝色区域的定位精度更高，红色区域定位精度较差，也可以通过图中的等值线进行精度区分，最内圈的等值线圈定的范围定位误差在7 m以内，第二圈与第一圈等值线之间为15.9 m，按图例依次类推。如图5所示的是388 m中段最小灵敏度云图。

通过软件模拟分析结果可知，目标监测区域范围已覆盖到了矿区556 m和616 m的东部，以及268 m至388 m的中部、西部重点区域，绝大部分区域的定位效果较好，定位精度误差在5～10 m范围内，敏感度提升至里氏震级-3级。由此，优化改造后能满足高精度微震监测系统的要求。

图4 388 m中段定位精度云图Fig.4 388 m positioning precision cloud map

图5 388 m中段最小灵敏度云图Fig.5 388 m minimum sensitivity cloud map

3 优化改造后微震监测实效

3.1 筛选干扰事件

微震监测系统能监测的波形种类较多，能监测到的微震事件数量大，大多事件为干扰事件，仅有约15%是真正的微震事件。为此，系统设定4个检波器及以上的事件为微震事件触发水平，重点处理该类型事件。

微震事件由纵波和横波确定，纵波是推进波又称P波，它使岩石发生上下振动，破坏性较弱；横波是剪切波又称S波，它使岩石发生前后、左右抖动，破坏性较强。当横波和纵波分别到达检波器[5]，作用于检波器表面的应力按特定关系将其转换成模拟电信号，通过微震软件自动计算出事件相关参数，并在服务器端将波形恢复[6]。

如图6所示是截取到的微震事件波形记录，P波的传播速度高于S波，微震事件发生后释放的应力波先以P波的形式抵达传感器，传感器记录了其波形，随后S波抵达传感器并叠加到了P波中，因此可以看到S波到达之时记录的波形明显出现了一个较大的波峰。

图6 微震事件波形（P波和S波）Fig.6 Microseismic event waveform(P wave and S wave)

图7是多个传感器截取记录时间更为完整的微震事件波形。

图8所示是一个传感器先后监测到的两个不同微震事件波形，它们到达的时间非常接近，但传感器由于其超高的采样频率一样将其进行了准确的区分。

图7 正常监测到的微震事件波形Fig.7 Normal monitoring of microseismic event waveforms

图8 几乎同时到达两个微震事件的波形Fig.8 Almost at the same time the wave of two microseismic events

3.2 微震事件确定

通过Vantage软件选取需要分析的时间周期，确定所要分析的空间范围（可以是矿区整体，也可以是目标特定的某区域），如图9所示是截取软件时间过滤器设置界面。图10和图11是3113采场及其周边区域的情况分析（综合考虑定位误差和区域影响，适当扩大了分析范围），出现的球体是该区域、选定的时间段内发生的微震事件。

从图11中看出，2018年6月1日至6月8日，3113采场周边共发生了6个微震事件，从平面上看有4个微震事件聚集在31132采场，另外两个离散度较大；从高程上看有5个微震事件发生在388 m的31132采场底板，有1个发生在31131采场的顶板或未冒落的矿体围岩中。

图9 时间过滤器设置界面Fig.9 Time filter setting interface

图10 空间过滤器3113采场-北视图Fig.10 Space filter 3113 stope-north view

图11 空间过滤器3113采场-俯视图Fig.11 3113 stope-view map of space filter

3.3 微震事件预警

通过分析微震监测系统的数据和报告，理论上而言，若发现事件聚集区域的能量指数迅速下降，累积视体积迅速增加，则预示该区域的岩体失稳或坍塌的风险，应对该区域进行预警警戒，设立危险区域并禁止人员出入。

优化改造后，微震系统多次提示和预警了该矿区地压显现事件，图12。如：2017年9月21日，提前预警了388 m 0～4线附近巷道会发生小规模顶板围岩冒落，矿区管理人员加强了该区域的排查，次日该预警得到了证实。2018年4月，微震事件预警的15天中有13次报告均提示“448 m 348采场附近硐室发生大规模岩体失稳概率较小，但存在小规模冒顶坍塌的危害”，后期该硐室的坍塌得到了证实。

工程实践中，因各矿山采矿方法、地质构造、岩体硬度等因素的差异，针对不同工程背景的地下矿山，工程技术人员在风险判断中所选用的指标各有不同，且权重因子也不相同，不会在A矿山长期得到的判断规律和预警模式完全照搬到B矿山[7]。因此，在对地压灾害的预警研究中[8]，应充分结合矿山实际的工程地质背景，在充分研究其地压活动规律的基础之上，灵活调整预警模型和准则。

4 结语

针对赣南某矿由于近年来开采导致采空区的变化，致使现微震监测监控系统难以准确、量化地监测地压活动情况，以及微震事件所发生的位置和能量的问题，研究进行了微震监测系统的优化改造。改造后，微震监控系统定位精度误差为5～10 m范围内，敏感度提升至里氏震级-3级，满足现阶段采空区稳定性实时监测监控要求。同时，建立大型复杂采空区安全监控及灾害预警系统，为同类矿山资源的安全开发与利用，具有较好的技术支撑和借鉴意义。