基于微震技术的矿山地压活动监测及预警研究

张尔辉 朱权洁 缪华祥 高林生 晁海杰 张 震

（1.华北科技学院安全工程学院，北京 101601；2.北京久安伟业科技有限公司，北京 100000；3.宁夏煤业红石湾煤矿有限责任公司，宁夏 银川 750409）

矿山动力灾害作为矿井中最严重的自然灾害之一，是一种岩体中聚积的弹性变形势能在一定条件下突然猛烈释放，导致岩石爆裂并弹射出来的现象［1］。目前，随着我国金属矿山开采深度不断增加，动力灾害呈现越来越严重的发展态势，给矿井安全生产和职工的生命安全造成了极大威胁。矿山动力灾害的微观解释为微震活动规律异常导致应力分布不均，进而诱发的片帮、岩爆、塌方等灾害。因此，掌握矿山微震活动规律对于控制动力灾害，进而达到防灾减灾的目的具有重要意义。

我国学术界对矿山微震活动问题一直非常重视，不少学者针对微震的实时监测进行了多方面研究。2004年，我国金属矿山首套微震监测系统建成并投入使用［2］；随后，杨志国等［3］、唐礼忠等［4］先后将微震监测系统应用于冬瓜山铜矿。2014年，曹玲玲等［5］在已有的监测技术及监测系统的基础上提出了基于ARM和FPGA的高精度矿山微震监测系统，并成功应用于实际工程中。随着微震监测技术不断完善，监测精度不断提高，数据越来越复杂化，对微震信号处理方法要求也越来越高。朱权洁等［6］在前人研究成果的基础之上，基于小波理论，探讨、验证了矿山微震信号的分形特征，并确立了相关的无标度区间及分形盒维数算法；该课题组［7］通过对处理后的微震事件进行二次优化，提高了微震定位精度；程浩等［8］在已有微震定位成果的基础上，在分层阈值上增加分层自适应因子，提出了一种新的分层自适应阈值方法，进一步提高了微震定位精度。微震信号的处理、分析和反馈结果对工程实践具有重要意义，对此，郑超等［9］基于已有的微震监测资料，分析了矿山深部开挖条件下的围岩裂隙损伤演化机制；杨天鸿等［10］利用微震监测数据结合应力场分析实现了矿山岩体强度参数动态标定；唐礼忠等［11］、黄维新等［12］将微震监测技术应用于冬瓜山矿区井下震动监测，分析了定位精度和系统灵敏度，实现了矿山安全管理。为了将微震监测和数据分析结果更好地服务于矿山动力灾害的预测预警，张海明等［13］基于微震监测技术实现了岩爆危险区域预报、采场安全等级划分、断层突水预测；冯晓东等［14］根据微震监测的前兆信息，对矿柱张性裂纹产生进行了成功预警；Luo等［15］利用微震监测技术建立了损伤岩体的多场耦合模型，并利用该模型对采场岩体失稳进行了预测。

随着科技的进步，微震监测系统逐渐得到革新。早在20世纪50年代，第一代地震仪（模拟光点记录地震仪器）被应用于工程地质勘探工作中；20世纪60年代初，模拟光点记录地震仪器被模拟磁带记录地震仪取代；20世纪70年代初，科技发展进入数字化时代，集中控制式数字磁带地震仪器也随之产生；20世纪70年代中期，遥测地震仪开始问世，并广泛应用于实际工程中［16］。传统的微震监测技术和微震监测系统能在一定程度上实现矿山微震活动监测，并得到有效的微震信号。然而，传统的微震监测系统一方面监测范围有限，不能针对大范围的区域进行有效监测，且无法适用于复杂的地质构造区域；另一方面，传统的微震监测系统不能实现全自动的信号处理和解释，需要人工操作完成，导致分析结果受人为因素影响而产生误差，且人工处理效率低，质量差。KJ549微震监测系统在传统监测系统技术特征的基础上进行了大量改进，克服了传统监测系统的技术弊端，实现了大范围、高精度、全自动的技术革新。

本研究基于KJ549微震监测系统对山东某金矿19中段（-590 m）和20中段（-630 m）进行了矿山微震实时连续监测，实现了矿山动力灾害的有效预测预警。

1 微震监测技术原理

微震监测技术的基本原理是通过传感器接收和采集由岩体破坏或者岩石破裂发射出的地震波信号，通过对地震波信号进行处理分析，从而得到矿震发生的位置、震级大小、能量、地震矩等信息，并根据反馈信息实现矿山灾害的预测预警［17］。

1.1 层析成像的全波自动定位

KJ549微震监测系统基于层析成像方法实现了全波自动定位，提高了定位速度和精度。假设震源传播速度为平均速度v，以球面波（纵波或横波）的形式向外扩散，则在以微地震震源为球心的球坐标系(r,θ,ϕ)中，各向同性均匀介质中的地震波波场与纬度θ和经度ϕ无关。在球坐标系时空域(r,t)中，描述微地震波传播规律的标量波动方程及其通解为

式中，r为震源与检波器之间的距离，m；t为地震波的旅行时；f(0,t)为在传播距离为r=0处的地震波，即震源函数；f(r,t)为在传播距离为r处的地震波。

根据层析成像理论及其自动定位方法［18］，利用震源层析成像自动定位的最大能量准则定位判据，可以确定最大能量值对应的慢度时间信号（称为ps道信号），最大能量值A(ps,t)可以表示为

式中，xi,yi,zi分别表示第i个检波器的三维坐标；xs,ys,zs为第s个检波器的三维坐标。

分析式（1）、式（2）可得，ps道信号与震源函数之间的关系为

由于埋置于地下岩层中的检波器数据量有限，且在空间上是离散分布的，因此式（3）的离散型表达式为

式中，ri为第i个检波器与震源之间的距离，m；N为检波器数量，为1～12。

综合上述公式推导过程，可得震源函数的计算公式为

式中，α(r)为几何扩散能量补偿因子。

1.2 微震辐射能量求取

假设在各向同性均匀无限弹性介质中有一点从震源发出的球面波，并以震源为原点的球坐标系表示。质点沿着径向方向震动，并且在震动过程中沿着径向方向传播，质点震动的位移函数为u(t-r/v)，则能流密度I与波的传播方向一致，大小为［19］

式中，σr为质点剪切应力，可表示为

式中，u为剪切模量；λ为拉梅常数；θ为质点传播方向与水平方向的夹角，（°）。

令v2=(λ+2u)/ρ（ρ为介质密度，v为地震波传播速度），则：

于是，能流密度计算公式可表示为

令t'=t-r/v，质点震动速率函数，于是，能流密度公式为

因此，微地震事件的震源有效辐射能量E可进行如下计算：

式中，f(t')为震源震动速度函数。

2 微震监测系统构建

2.1 系统简介

KJ549微震监测系统由检波器、数据采集站、数据传输站、中央控制记录系统和微震数据处理工作站组成，如图1所示。该系统被广泛应用于煤矿冲击地压、煤与瓦斯突出、底板突水、顶板溃水、掘进与开挖、地质异常体、采空区等的监测和预警［20］；非煤矿山中的岩爆、边坡、透水监测和预警［13］；土木工程中的隧道地铁开挖和运营、路堑、地下硐室、水电大坝、高速公路边坡、高层建筑物等监测和预警［21］；石油工程中的非常规油气水压致裂监测、地下石油储备库监测［22］；公共安全领域中的文物金库防盗、边防预警监测等领域［23］。

该系统与传统的微震监测系统相比优势在于：①具有32位A/D转换的高动态范围和信号程控增益放大功能，确保弱震和强震信号均能被接收到；②提供标准定位方法、精细定位方法和无需预设波速的人机交互可视化震源定位功能；③基于卫星布阵平衡理论和层析成像技术，提高了微震事件的定位精度；④在信号去噪处理方面，采用了多频段分级去噪，保证了有效信号得以保留和干扰信号得到滤除；⑤采集的微震信号质量较传统微震监测系统有较大提升，主要体现在采集硬件（采集卡）的升级，保证了信号的高品质；⑥能够自动计算和分析震源位置与采区、工作面之间的距离关系，并能够实现计算结果的多维展示。

2.2 系统安装

图2为KJ549硬件设备组成及其安装连接示意图，地面部分主要由数据记录系统和数据处理两部分构成。井下传输分站通过工业环网将矿山微震数据传输到地面系统，由中央控制记录系统工控机储存原始数据。若无地质异常现象，数据连续存储于记录系统工控机；一旦有地质异常现象，记录系统工控机通过局域网（或网线）将异常信号传输到数据处理系统工作站，并由数据处理系统工作站对异常信号进行处理、分析，提取数据特征，判断潜在危险性，并提出合理的避灾减灾措施。考虑到采集站通讯电缆接入口数量有限，KJ549微震监测系统最多可接入12个检波器。

矿用本安型检波器安装如图3所示，图中显示了检波器、万向连接头、锚杆、树脂锚固剂、引线、钻孔和墙体等组件。检波器需确保垂直向上，与墙体平行安装，为保证检波器垂直安装，锚杆与检波器之间通过万向连接头过度，万向连接头可360°旋转；锚杆长度为2.0 m，保证墙体外部留有15 cm以上长度，以便固定检波器；钻孔内部锚杆通过树脂锚固剂与墙体固定，保证锚杆的锚固效果；检波器引线需绑定编号标签，以便区分检波器编号，保证后期震源定位准确。矿用本安型检波器安装简单，便于携带，且监测有效区域较大，单个检波器监测范围达200～1 000 m，有效克服了传统检波器存在的技术弊端。

2.3 台网建立

本研究监测在-590 m和-630 m水平中段共建立了1个微震数据采集站、1个微震数据传输站和12个检波器的微震监测系统。采集站和传输站布置于-630 m水平配电硐室，-590 m和-630 m两个水平中段各布置6个检波器。图4中，采集站、传输站的具体布置位置为配电硐室，通过铁架固定于墙体帮壁，设备技术特征和安装流程符合《煤矿安全规程》［24］要求；接线盒用于连接检波器引线和通讯电缆，形成完整通路，其余组件的安装技术要求与上文所述的系统安装要求一致。

图5为-590 m水平和-630 m水平检波器具体分布位置。-590 m水平中段检波器编号为G1～G6，G1检波器布置于-590 m水平34号线分巷，G2～G6检波器沿-590 m水平运输大巷依次排列；-630 m水平中段检波器编号为G7～G12，G7检波器布置于-630 m水平34号线分巷。由于-630 m水平18号线穿脉砌墙封堵，无法通行，因此G8～G12检波器沿-630 m水平运输大巷依次排列，G12检波器布置于18号线穿脉。检波器安装技术要求为每两个检波器相距200 m，但实际施工过程中受井下环境及地质构造影响，部分检波器安装位置有所改动。12个检波器构成了立体式监测网络，实现对整个待采区的全范围、实时、连续监测。

2.4 信号处理流程

微震信号处理分析由微震数据处理系统工作站完成，主要包括系统准备、微震数据载入、矿区CAD图载入、微震时间序列分析和灾害预警等环节。其中，微震时间序列分析包括时间—能量、时间—频次分析；灾害预警主要是通过输出矿山岩石破裂图和原岩应力场云图，根据图形显示结果对监测区域进行合理评估，并采取相应的预防措施。具体流程如图6所示。

3 工程实例

3.1 工程背景

山东某金矿现主要采用上向水平分层进路充填采矿法，随着矿山开采深度增加，地压活动有所显现，采场局部范围发生岩体冒落的可能性增加。为了及时掌握采场顶板的冒落规律，监测和预警井下生产作业区域地压活动，以便及时采取有效措施预防人员、设备损伤事故发生，建立了地压监测系统进行监测。根据该矿的地质及开采条件，围绕矿井深部主矿体，本研究在-590 m和-630 m水平中段建立了一套现场实时、动态、自动监测预警的多通道地压管理监测系统。

3.2 微震数据分析

数据分析主要由微震数据处理系统工作站完成。记录系统工控机连续显示、存储数据的过程中，一旦有异常信号，异常信号将由网线传入微震数据处理系统进行精细化处理分析。微震数据载入处理系统后，导入矿区CAD图，通过微震空间分析直观呈现监测区域内的微震事件空间分布位置，获得震源的集中分布区域，如图7所示。图7中显示了-590 m和-630 m两个水平中段巷道平面布置、检波器坐标和微震事件空间分布情况（圆圈表示）。其中，微震事件定位点中的数字表示定位点产生的先后顺序，圆圈形状大小表示微震事件的能量大小，颜色表示震级大小，方块表示检波器。

由图7可知：在2019-09-01—2019-09-21有效监测时段内，去除由放炮、行车等采矿作业触发的微震信号和其他干扰信号后，共监测到614个有效微震事件；微震事件分布于整个监测区域，且有多个集中区域；本次监测微震事件主要分布于-800～-500 m深度范围内，属于有效的监测范围。

微震数据和矿区信息载入后开始对微震数据展开分析，通过震源时间序列分析可以得到震源随时间的变化规律（在一定程度上反应震源能量的变化规律），可以推断发生前后微地震事件的显现规律。本研究以时间为主线，从微震事件能量、微震频次和应力分布等多方面深入分析矿山微震的活动规律。

为直观分析有效监测时间段内微震事件的能量变化特征，对能量值取对数（以10为底）后绘制了如图8所示的时间—能量直方图。由图8可知，微震能量对数值整体位于0～5范围内，2019-09-02为最大值，能量值达到6，最小能量值为-0.2（2019-09-19），整体能量变化波动较小，表明采场活动无较大变动，每日现场作业基本保持一致。图中显示每日微震能量的变化趋势均为先增大，后减小，最后有一段时间几乎为0。这是由于矿山作业制度为“三八制”，早班采场作业活动强度大，包括采矿、爆破、拉底、掘进和行车运输等作业活动，微震能量变化进入“高峰期”；中班无复杂作业活动，主要包括采矿、掘进和行车运输等，微震能量变化进入“低峰期”；晚班主要为作业检修班，该时段无作业活动，微震能量变化进入“平静期”。由此可见：微震能量的变化趋势与矿山作业活动密切相关，作业形式和作业地点直接影响了微震能量的分布范围和变化趋势。

图9为微震时间—频次分布直方图，图中显示了震动次数随时间的变化特征。由图9可知：监测期内，每日震动次数整体维持在0～20，有部分日期超过20，2019-09-02达到最大值，震动次数为37，最小震动次数为4（2019-09-14）。整体震动次数变化波动较大，月初震动次数突增突降交替变化，月中震动次数变化波动相对平缓，月末震动次数基本保持不变，平稳变化。由此可见：震动次数的变化与采矿作业的深入推进有直接关系，月初作业频繁，震动次数波动较大，随着时间推移，作业活动逐渐减少，震动次数也逐渐趋于稳定。

本研究微震监测数据存储与数据分析过程由中央控制记录系统工控机和微震数据处理系统工作站自动完成，无需人为参与计算，用户只需根据实际情况和个人需求按系统操作流程逐步进行即可。

3.3 微震活动特征展示

基于微震事件处理、分析结果，微震监测系统可以绘制岩石破裂图和应力场分布云图，从多方面展示微震活动特征，进一步确定微震事件空间分布特征和微震事件集中区域，为实现矿山动力灾害的预测预警提供可靠依据。

图10为岩石破裂分布图，破裂图能直观地体现高危险潜伏区和危险程度。由图10可知：破裂分布于整个监测区域，10号线穿脉及以下和运输大巷34号线西穿脉及以上较为集中，因此，这两个区域危险程度最高，应作为重点防护区域，其他区域也应引起足够重视。

图11为原岩应力场分布云图。由图11可知：应力场分布主要集中于4个区域，分别为10号线穿脉及以下到14号线穿脉、16号线西穿脉到34号线西穿脉及以上、运输大巷28号线穿脉到34号线穿脉和34号线穿脉西侧以下区域。应力场集中区域反映了该区域矿山作业活动频繁，导致区域范围内微震活动剧烈，应力分布集中，岩体破坏变形严重，矿山动力灾害发生概率较高。应力场分布集中区域与微震事件集中区域、破裂分布集中区域基本吻合，均反映了高危险潜伏区域。针对高危险潜伏区域应加大管理力度，采取相应的治理措施，避免灾害发生。

3.4 微震活动规律解释

根据矿方提供的矿山作业活动区域和活动时间（图12）可知，在监测时间段内，监测范围内有采矿、爆破、拉底、行车运输等矿山作业活动。由微震事件分布平面图（图13）可直观地体现多个微震事件集中区域。结合图12和图13可以对微震事件活动规律进行合理解释：①微震事件集中区域1位于10号线穿脉及以下到14号线穿脉之间，该区域在监测期内为采矿区，受采矿作业影响，该区域有较多的微震事件；②微震事件集中区域2位于24号线穿脉到30号线穿脉之间，该区域对应图12中2019-08-03—2019-08-29采矿区域和行车运输区域，同样受采矿作业和行车运输影响，该区域微震事件较集中；③微震事件集中区域3位于32号线到34号线及以上之间，该区域有多种矿山作业活动，包括采掘爆破、拉底、采矿和行车运输，因此，该区域同样有较多的微震事件产生；④微震事件集中区域4位于19号中段34号线3号和4号矿石溜井周围，该区域受放矿、行车等作业活动的影响，形成微震事件集中区域。

3.5 灾害预警

基于微震数据分析结果、微震活动特征展示和微震活动解释结果，确定了该金矿的高危险潜伏区域和矿山作业活动与微震活动规律的直接关系，实现了矿山动力灾害的预测预警，并提出了合理的应对措施。该矿10号线西穿脉到34号线西穿脉范围内有4个高危险潜在区域，这些区域应作为重点关注区域，投入大量的人力物力，避免事故发生。矿山技术人员应加强对-590 m和-630 m中段之间微震事件集中区域、破裂严重区域、应力场集中区域、变形较大区域等潜在危险区域的监测和现场巡查，加强现场施工管理，严格遵守安全作业规程，提高安全意识，若发现岩体变形、片帮等异常现象，应及时采取加强支护等措施。

4 结 论

（1）KJ549微震监测系统具有良好的定位功能，精度高、功耗低、调试简单；具有快速传输和计算功能，各路信号具备实时、同步、连续、动态滚动显示完全波形的功能；能够完整保存采集和分析数据，具有数据、图像的显示和输出功能；此外，该系统安装、维护简单。

（2）以山东某金矿为研究对象，进行了系统现场安装、优化设计、应用研究，认为KJ549微震监测系统能有效应用于金属矿山地压活动监测，其各组件技术特征可达到预定的监测精度要求，为该矿井建立了有效的地压监测系统。确定了该矿10号线西穿脉到34号线西穿脉范围内有4个高危险潜在区域，这些区域应作为重点关注区域。

（3）根据本研究地压监测分析结果，矿山技术人员应加强对-590 m和-630 m中段之间采场的现场巡查；重点注意爆破之后应力重新分布过程中爆破区域内岩体的稳定性，及时清理采场顶板浮石，保障作业安全；加强现场施工管理，严格遵守安全作业规程，提高安全意识，若发现岩体变形、片帮等异常现象，应及时采取加强支护等措施。

（4）随着矿山开采深度日愈增加，地压活动规律愈加复杂化，对监测技术和监测设备的要求也越来越高。对KJ549微震监测系统升级优化，可进一步推广应用于复杂地质构造、不同开采区域，对于确保矿井安全生产将会发挥更大的作用。