BSN矿用微震监测系统在金属矿山的工程应用

娄 琪 蔡永顺

(矿冶科技集团有限公司，北京 100160)

我国是矿业大国，金属矿山保有量多，采深日益增加且人员密集。在非煤矿山的安全事故中，冒顶坍塌事故和边坡垮塌事故位居前两位，占比达非煤矿山安全事故的78%，成为限制矿山可持续安全开采作业的瓶颈难题，研发和推广地压灾害监测技术与装备具有重大社会需求和实用价值。随着高精度、高采样率传感器的研发和计算机技术的飞速发展，矿山地压监测技术与装备日趋成熟，特别是微震监测技术，通过多通道微震传感器实现岩体破裂事件的波形获取、高精度定位和地球物理解释，可对岩体内的宏观地压分布和微观节理裂隙发育状态进行动态监测，进而实现对矿山危险源的时空演化情况及矿岩稳定性进行量化评估，广泛应用于金属矿山的地压监测和露天边坡滑坡监测，逐步成为当前行业高度认可的地压灾害监测预警手段[1-3]。

南非矿震技术研究院(Institute of Mine Seismology，简称“IMS”)和加拿大工程地震组织(Engineering Seismology Group，简称“ESG”)作为该领域的先行者，积累了丰富的地压灾害防控经验，他们开发的微震监测系统在国内外矿山企业占据了较大的市场份额。我国微震监测技术与装备相关研究起步较晚，目前大量工作集中于微震波形数据的分析和微震监测系统的应用，而国产的微震监测系统开发相对较少，成为限制我国矿山未来深井开采和露天大规模开采安全管控的瓶颈[4-9]。针对这一现状，矿冶科技集团有限公司研发了完全自主知识产权的BSN(BGRIMM Seismic Network)矿用微震监测系统，实现了多通道时钟同步、噪声压制、到时自动拾取、震源定位等功能，并结合统计地震学相关方法，初步实现了基于微震活动性分析的岩体危险性评价。本文旨在系统阐述BSN矿用微震监测系统的技术特色，并结合应用案例介绍该系统在矿山地压监测方面的实际应用效果。

1 BSN矿用微震监测系统的框架结构

BSN矿用微震监测系统基于对岩体破坏的微震事件的监测，可实现对岩体破坏孕育过程及机制分析，从而对岩体的应力聚集、地压演化、岩体破裂、损伤发展和应力释放进行定量化表述，再将数据送至基于人工智能+大数据的全自动微震监测预警及运维的云平台，从而为采矿生产提供设计—开采—监测—分析—预警—治理全流程中的安全状态反馈，辅助矿山安全，高效可持续生产。BSN矿用微震监测系统的框架结构如图1所示。

图1 BSN矿用微震监测系统的框架结构

2 BSN矿用微震监测系统的硬件组成

2.1 微震监测传感器

微震监测传感器作为采集微震波形信号的换能单元，将被测信号由震动信号转换为可被微震监测系统识别的电信号，具有较好的低频响应特性，可实现硬/软岩下的微震信号的高保真拾取，并且支持安装姿态的一体化自测量、检波器编号的自辨识、微震监测传感器的可拆卸安装等。BSN微震监测传感器及其可拆卸装置照片如图2所示。

图2 BSN微震监测传感器及其可拆卸装置

2.2 微震监测数据采集分站

BSN微震监测数据采集分站实物见图3。微震监测数据采集分站作为硬件平台的核心数据管控装置，主要由数采装置、时间同步装置、不间断供电装置等构成，分别实现数据的高精度、高可靠、高同步、不间断的并行采集、处理、存储及传输等功能，同时支持有效数据预触发、可靠数据存储、网管型程控管理等。

图3 BSN微震监测数据采集分站

3 BSN矿用微震监测系统的软件平台

3.1 微震监测系统管理软件

微震监测系统管理软件主要实现硬件与软件的配置、数据解析、数据存储和显示等功能。该软件由多个协同运行的软件模块组成，模块间的通讯由连接到数据采集控制器的通讯子系统来实现。如图4所示，软件支持对微震事件数据进行在线查询，也可动态配置数据处理业务流程，实现全自动波形处理和预警。

图4 BSN矿用微震监测系统管理软件

3.2 微震监测系统数据处理软件

微震监测系统数据处理软件运行在远程网络终端上，主要实现现场数据的滤波、震相到时识取、震相分类、波速校准、震源定位、震源参数计算等数据处理功能，并将处理及分析结果，通过网络推送至矿山安全监测分析云服务平台。如图5所示。

图5 BSN矿用微震监测系统数据处理软件

3.3 微震监测系统数据分析软件

微震监测系统数据分析软件运行在远程网络终端上，主要在微震监测数据处理的基础上，通过采用二维图表或三维图形，完成震级/数量-时间统计、时空分布、震级分布、能量—地震矩、累积视体积—能量指数等专业分析，从而结合矿山采矿作业，进一步完成数据深入分析，如图6所示。

图6 BSN微震监测系统数据分析软件

4 BSN矿用微震监测系统的数据分析服务

基于矿山安全监测分析云服务平台，建立数据报表、分析报告、预警信息等模板库，实现异地数据同步与前台应用开发，最终达到分析—统计—报表—报告—预警过程的在线发布。使用户能够快速获得有关事件的参数及其位置信息，进行缩放、平移和旋转，对微震数据三维发布和分析结果进行综合分析。矿山安全监测分析云服务平台效果如图7所示。

图7 矿山安全监测分析云服务平台

5 BSN矿用微震监测系统的工程应用

结合广西某钨矿山的地压监测应用案例对BSN矿用微震监测系统的运行效果进行分析。该矿山的矿体分布广、矿体薄，且属急倾斜矿体，岩石结构性差，矿石开采过后留下了大量的采空区，地压问题突出。2018年，矿冶科技集团有限公司承建了该矿山的地压监测项目，在75 m中段、35 m中段与-5 m中段各穿脉采空区或采场周边共布置了40个微震监测点，实时监测采空区及开采区域岩体破裂发生的微震事件，为矿山安全、合理生产提供参考。

图8a显示了该矿2020年11月的微震事件定位结果，其中，X为东西向，Y为南北向，Z为垂向。从XZ和YZ面可以看出微震事件主要集中在-5 m中段，与该时间段内的矿山开采深度一致。微震事件定位误差统计分布结果如图8b所示，可以看到X、Y和Z方向的定位误差均值大致为2.5 m，均方根误差在2.5～3.8 m，定位结果较为精确。通过XY面的微震事件空间分布特征可以看到微震活动大致分布在3个区域(见图8a中虚线椭圆处)，微震事件总体上较为集中，由此可初步判断这3个区域的岩体活动性较高。现场人工观察结果与微震监测系统的结果一致，进一步佐证了地震活动性分析结果的正确性。

图8 BSN矿用微震监测系统获取的微震事件的时空分布

6 结论

BSN矿用微震监测系统已实现了微震信号数据采集、多通道时间同步、信号噪声压制、到时自动拾取、震源定位、地震活动性分析等功能，并在实际矿山安全监测项目中得到了良好的应用。该系统在已矿山稳定运行，在复杂工况环境下具备良好的抗干扰能力，且具备可拓展的功能以及可持续的后处理分析服务能力。基于云服务模式，可实现数据的采集、传输、分析、地压管控的一体化，并结合现场—远程的联合分析，强化对矿山安全生产的指导作用，形成高效监测、自动处理、深入分析、智能预警及灾害防控等综合性地压监测解决方案，具备较高的自动化分析处理能力，可广泛应用于深井矿山地压监测和露天边坡滑坡监测，具有良好的经济效益、社会效益和市场推广前景。