微震监测技术在大直径超深井筒施工中的应用*

2022-06-28马维清李军峰

现代矿业 2022年5期

何磊马维清李军峰

（中国华冶科工集团有限公司）

微震监测系统主要应用于金属矿山采场顶板监测，通过记录岩体破坏产生的微震效应，达到一定阈值，对采场顶板塌冒进行预警，取得了较好的应用成效［1-3］。凡口铅锌矿、冬瓜山铜矿、红透山铜矿等通过建立微震监测系统，实现对地下采场地压活动的监测［4-6］；铜绿山矿通过建立微震监测系统对微震事件的波形、时间分布规律和空间分布规律进行分析，用于对岩爆的预测［7］。微震监测系统在煤矿井巷掘进施工及煤层开采过程中也有着较多的应用［8-9］。但微震监测在竖井施工特别是超深竖井掘进过程中的应用在国内少见报道。

某铁矿副井工程设计井深为1 503.9 m，变更后深度为1 355.2 m。井筒净直径为10 m，掘进直径为11.2 m，是国内掘进直径超过10 m的最深竖井。根据凿井工艺特点，10 m 直径井筒掘进单爆破循环进尺宜在4 m 以上。井筒暴露面积的增加使得在凿井过程中受地压灾害的风险加剧，进行高效的地压监测极为必要。通过在凿井期间实施微震监测，获得监测区域岩体破坏特征，为井筒围岩稳定性的评估与支护结构参数的设计提供依据。

1 井下微震监测系统构成

微震监测系统的硬件由微震检波器、微震数据采集仪、设备供电系统、数据传输系统组成。微震检波器负责采集高质量波形信号，微震数据采集仪将高质量的波形信号通过A/D转换为数据信号，供电系统保证整个系统的用电，系统的数据由传输系统负责传输。

2 凿井期间微震监测方案

依据某铁矿竖井井筒现场施工情况，在井深1 000 m 处有10 m×23 m 的平面区域可以布设传感器，在此监测平面区域内上下各50～100 m 区域满足微震监测要求。本次共布设6 个监测点，包括3 个三分量传感器和3个单分量传感器。

所有微震监测点均采用电瓶供电，监测设备设置为自主工作模式，数据采样频率为4 000 Hz。地表设备使用GPS实现时钟同步，井中微震监测设备使用经过校正的铷钟完成时钟同步。定期对所有监测点进行巡查，检查设备工作状态，并收集微震监测数据。

每隔2 d 对井中布设的DAQ3-12 设备巡查并收集数据一次，每隔4 d 对地表使用的Sigmabox 设备巡查并收集数据一次。本监测系统传感器在井筒中的布置如图1所示。

3 微震信号识别

微震监测系统可监测到的信号不仅包括岩体破坏产生的地震波，也包括其他噪声信号，如各类爆破、矿石移动和机车运动等产生的振动信号等。矿山地震监测中多采用人工识别方法，直接从波形窗中显示的信号波形来识别和区分信号类型。

3.1 爆破信号

图2为微震系统记录到现场爆破施工过程，因监测台网距离爆破位置较近，爆破强度大，产生的地震波衰减有限，数据采集仪记录的信号呈现满量程状态，记录爆破波形被削波，据频谱结果显示，信号频率主要分布在800～1 200 Hz，属于较高的频率，符合一般矿山爆破信号频谱特点。

3.2 微震信号

岩石破裂与爆破震动微震信号均为非平稳信号，它们在震源机制、振幅、震动频率、持续时间以及能量上存在差异。岩石破裂过程为岩层中应力从积累到释放的过程，其震源机制较为复杂，波形复杂，震动持续时间长，能量释放缓慢，相对爆破来说信号多集中于低频段；岩石破裂产生微地震事件，根据其受力特点呈现出拉张破坏或者剪切破坏以及常见的复合受力产生的拉张-剪切破坏。根据波形特征也可初步判断其受力破坏的类型。本次试验监测系统记录到的疑似微地震信号如图3所示。

图3波形可见清晰的P-S波震相，P波振幅小能量相对较弱，S 波振幅大，能量相对强，这也符合常规的微破裂产生的地震体波特征。因震源位置距离监测台网较近，地震波传播路径短，P-S到达时差较小，图中没能展示清晰的P-S 特征。另外根据图3 可知，微地震事件的频谱主要分布在400～600 Hz，比上文所述爆破信号频率低，但比传统认知的煤矿微地震信号在250 Hz左右高一些，这也反映出深井金属矿成矿地层属性与煤矿成矿地层属性之间的差别。

3.3 吊盘碰撞井壁产生的微震信号

图4 为系统监测到的吊盘碰撞井壁产生的微震信号，信号具有疑似岩石破裂信号的特征，但因其频率较高，且有连续信号被记录到，初步判断其为吊盘碰撞井壁产生的微震信号。

3.4 凿岩机凿岩产生的低频信号

连续记录中监测到一些低频信号，信号时间分布特征呈现每秒钟一个信号，推测其为某种施工产生的信号，施工器具的工作频率约为1 Hz。这些信号频率主要分布在150 Hz 左右，推测为施工工艺特征产生的信号，如排除施工工艺影响，也有可能与施工场地地质条件有关，如流体饱和等。

由以上多种信号分析可得，影响某铁矿竖井施工环境的主要震动为爆破震动、围岩破裂产生的微震动、凿岩机凿岩产生的震动以及其他震动影响，尤其以爆破震动、凿岩震动为主，这些震动构成了井下的波震动动载荷场，对竖井开挖后高应力集中区域的扰动作用很大，不可忽略。应采取改善爆破参数、优化施工顺序的措施，以减弱竖井开挖施工对围岩扰动产生的影响。

4 微震事件分析

4.1 微震事件的空间分布

通过微震监测系统自带软件对某铁矿竖井进行微震事件定位，空间分布如图6所示。微震事件主要分布在开挖体周围2 m 左右深度的围岩内，即竖井开挖后微破裂主要发生在井筒或马头门2 m 深的围岩内部，尤其是马头门拱顶部1～2 m 的范围分布比较集中。由此可得，为保证竖井掘进施工中锚杆支护的质量，锚杆支护深度至少应为2 m。

4.2 微震事件的时间分布

微震事件的数量及能量的日分布情况如图7 所示。微震事件的时间分布与竖井掘进的施工安排密切相关。结合现场施工，0～8 h为竖井掘进出渣阶段，8～16 h 为凿岩装药阶段，16 h 以后分别是提升吊盘、放炮、通风、降吊盘、平底等。由图7 可知，0～16 h 竖井出渣、凿岩阶段微震活动较弱，在19 h 左右掘进爆破发生，微震活动大幅增加，爆破之后微震活动逐渐衰减。由此可见，在竖井掘进施工的各工序中，爆破震动是诱发微震活动的主要因素，优化爆破参数、减小爆破震动对围岩的扰动和破坏非常必要。