強化開采地壓災害微震監測技術的應用研究

李安平

(新疆阿舍勒銅業股份有限公司， 新疆 哈巴河縣 836799)

新疆阿舍勒銅礦于2002年4月全面開工建設，2004年投產。主采礦體Ⅰ號礦體為厚大急傾斜礦體，根據礦體的開采技術條件，礦山自上而下，分別采用無底柱分段崩落法、下向進路水平充填法、分段空場嗣后充填法和大直徑深孔充填法進行開采。

礦山600 m水平以下大直徑深孔開采過程中，由于礦體埋深較深，地應力大，受重復采動影響，礦體上、下盤沿脈巷道及穿脈巷道都出現了不同程度的變形和破壞。2008年500中段6號、10號采場發生大面積垮塌，2012年1月，礦山爆破后600～633分段出現大面積垮塌，給礦山后續開采造成極大困難，為了保證礦山的安全生產，防止災害性地壓活動，實現對不良地壓活動的有效監控，礦山建立了一套多通道微震監測系統。

1 微震監測臺站的布置

阿舍勒銅礦目前主要在600中段以下進行開采活動，為了提升礦山生產能力，礦山采用多中段同時強化開采方式，采礦方法以大直徑中深孔和深孔采礦為主，致使地壓活動在采場區域比較活躍，特別是在350中段、450中段和600中段表現明顯。同時，礦山800中段以上采場采用無底柱崩落法回采，留下了一些采空區，由于賦存比較淺，圍巖有一定程度風化，造成上部采空區局部失穩破壞。因此，為了有效監控采場及采空區的地壓活動，確保礦山安全生產，需要合理布置微震監測系統的臺站，達到監測600 m中段以下采場和800 m中段以上采空區的目的。

1.1 傳感器優化布置

在充分考慮微震監測目的、監測對象、研究范圍、客觀環境背景和監測系統的投資5個因素的基礎上，確定了在450中段、500中段、600中段、800中段、813中段、827中段和840中段七個中段分別布置24通道傳感器。微震監測系統硬件由監測計算機、數據中心、采集儀和傳感器4部分組成。其中監測計算機布置在地面上，其余3部分分別布置在井下。微震監測系統包括1臺監測計算機、1個微震數據控制中心、4臺數據采集儀和24個單分量傳感器，其中每臺數據采集儀攜帶6個傳感器。在450中段、500中段、600中段和813中段4個中段分別布置1個數據采集儀，在450中段、500中段和600中段各布置6個傳感器，上下盤各布置3個，在800中段和813中段中段各布置一個，在827中段和840中段中段各布置2個。

1.2 微震監測布置臺站靈敏度分析

根據本微震監測系統布置方案，在軟件JDI中運用sigma-optimal方法分別對450、500 m和600 m中段進行靈敏度分析，800 m中段以上布置較分散，不單獨分析。對每個中段分析區域尺寸劃分為600 m×600 m×50 m，然后創建中間網格平面，網格單元尺寸為20 m×20 m，演示分析監測區域是否能夠達到監測要求。通過合理布置傳感器臺站，在礦山確定了微震監測系統的有效監測精度，即有效誤差為10 m，達到了礦山監測監控的目的。從圖1～圖3可以看到深色區域表示不大于10 m的誤差，而深色區域正是主要監測區域。

圖1 450 m中段定位誤差云圖

圖2 500 m中段定位誤差云圖

圖3 600 m中段定位誤差云圖

2 微震系統調試及定位分析

由于波速在不同礦山傳播的介質和路徑不相同，不能準確的設定波速就會對微震監測系統監測地壓活動位置產生較大的偏差，影響微震事件的定位精度，因此，設置縱波和橫波的傳播速度要盡量準確。實際操作步驟：首先根據金屬礦山地震波傳播的速度區間選取一個適當值，然后再反復調試和驗證，使之滿足礦山對微震事件定位精度的要求。在阿舍勒銅礦設定的初始縱波波速為4720 m/s，橫波波速為2770 m/s；然后通過2次人工爆破處理波形來驗證波速的合理性，結果最小誤差為13.9 m，根據處理分析結果又對地震波波速進行微調，再通過3次人工爆破來驗證波速設定的合理性，結果達到了定位精度要求，有效控制了定位誤差，即10 m左右的有效誤差范圍。最終重新設定縱波波速值為4650 m/s，橫波波速值為2700 m/s。具體爆破位置和監測定位統計見表1。

3 微震事件預報預測

3.1 微震事件預報

微震系統在監測過程中，各個活動性都記錄在時間進程中。微震時程分析的主要目的是定量評估將要發生的巖體失穩。評定過程中有不同的活動性可以參考，在阿舍勒礦主要依據施密特數和輻射能比(Es/Ep)的變化作出評估。頻繁發生的大事件通常有以下前兆：首先應力增大，隨后應力減小并且同震變形加速增大。因此，微震粘滯性減小，擴散性增大，在失穩發生前可以看到施密特數急劇減小的現象。當介質性質發生變化時，他們的比值發生變異，通常表現為輻射能比降低(見圖4)。

從圖4可知，施密特數和輻射能比Es/Ep隨時間進程變化基本一致，都可以預報出微震事件，由于不同活動性側重點不一樣，敏感度會有差異，因此結合兩個活動性分析結果相對要更加準確。在圖4同時急劇減小的時間有2012年11月22日、2012年11月29日、2012年12月19日和2013年1月15日，其中2013年1月15日減小急劇，變化劇烈。微震系統對監測區域的預報出相對大震級的事件和時間進程分析基本是一致的，可以對將要發生的較大震級進行預報。微震系統在正常監測期間內，監測出震級不小于1.0的微震事件共5個，其中最大事件震級為1.5(見圖5)。

3.2 微震監測預測分析

(1) 頻次分析。從圖6可知，在過去的3個月內，巖體中地壓活動突出發生在0～1點區段，其次是15～17點區段，其他時間段所產生的微震事件數差不多。因此，中短期預測在0～1點間和15～17點間要注意地壓活動情況，及時預報分析，避免地壓災害。

表1 人工爆破精度調試結果

圖5 微震預報事件立體圖

圖6 礦山微震事件24小時累積分布

(2) 計算b值。通過對礦山3個月的監測數據分類，每間隔半個月計算一個b值。根據古登堡-里克特的頻度震級關系式，即：lgN=a-bM，b值計算結果見表2，變化趨勢見圖7。從圖7可以看到，在11月下半個月b值開始減小，到12月前半月又開始升高，隨后又減小，到一月份b值慢慢再上升，可以預測隨后將要發生的大震級事件比例會有所減少。

表2 b值計算結果

圖7 b值變化趨勢

4 結 論

微震監測技術是一種監測及預警地壓災害的先進技術，尤其是在礦山安全管理中可發揮重要的作用。微震監測系統根據一段時間的監測數據可分析和預測潛在的不穩定區，預測巖層破壞趨勢，有助于了解巖層破壞機理，為礦山采取相應的安全管理、開采設計、安全防范和處理措施提供了科學根據。

本套微震監測系統為IMSI公司第七套多通道全天侯、全數字型微震監測系統。充分利用該微震監測系統的監測數據，進行深入研究，對阿舍勒銅礦的采場和采空區監測及預警起到了重要的指導作用。當然，要建立起能夠有效地長期指導礦山安全生產的微震監測系統是一項艱巨的工作，在處理分析微震系統所監測到的數據并利用分析結果對礦山生產作業進行合理指導方面，今后還有許多工作要做。

參考文獻：

[1]陶雪芬.湖南柿竹園多金屬礦地壓監測系統研究[D].武漢：武漢理工大學，2010.

[2]李安平，劉洋樹，皇甫風成，等.破碎圍巖礦體預控頂分段空場嗣后充填法的研究與實踐[J].礦業研究與開發，2014，34(1)：1-3，15.

[3]Brady B H G，E T Brown. Rock Mechanics For Underground Mining(Third Edition)[M].佘詩剛，朱萬成，等.地下采礦巖石力學(第三版).北京：科學出版社，2011.

[4]李庶林，楊念哥，尹賢剛，等.深井地壓災害微震監測技術研究[C]//第八次全國巖石力學與工程學術大會論文集，2004：510-513.

[5]唐禮忠，楊承祥，潘長良. 大規模深井開采微震監測系統站網布置優化[J]. 巖石力學與工程學報,2006,25(10):2036-2042.

[6]郭獻章.微震監測技術在濟南張馬屯鐵礦的應用[D].沈陽：東北大學，2008.

[7]姜福興.微震監測技術在礦井巖層破裂監測中的應用[J].巖土工程學報，2002，24(2):147-149.

[8]唐禮忠.深井礦山地震活動與巖爆監測及預測研究[D].長沙：中南大學，2008.

[9]楊承祥，羅周全，胡國斌.深井高應力礦床開采地壓監測與分析[J].礦業研究與開發，2006,26(5): 17-19.

[10]王春來，吳愛祥，徐必根,等.某深井礦山微震監測系統建立與網絡優化研究[C]//第十屆全國巖石力學與工程學術大會論文集，2008.

[11]楊承祥，羅周全，唐禮忠. 基于微震監測技術的深井開采地壓活動規律研究[J].巖石力學與工程學報,2007,26(4):818-824.