萬城鉛鋅礦的多通道微震監測系統及其研究

馮曉東，楊 順

(1.萬城商務東升廟有限責任公司， 內蒙古 巴彥淖爾市 015000；2. 長沙礦山研究院有限責任公司 采礦工程中心， 湖南 長沙 410012)

1 概 述

萬城鉛鋅礦位于內蒙古自治區巴彥淖爾市烏拉特后旗巴音寶力格鎮(東升廟)北東3 km處,行政區域劃分隸屬于烏拉特后旗管轄。該礦區地處狼山中段與河套平原接壤地帶，礦山于2004年投產開采。年生產能力70多萬噸，礦山采用豎井加斜井開拓方式，在分段空場法回采過程中，沒有保留中段頂底礦柱，形成了約130萬m3的特大采空區，為下部礦體的開采留下嚴重的安全隱患。目前形成的19，15，11和7號勘探線礦柱垂直高度達到40～110 m，如圖1所示。目前礦區有4個中段，分別為960,930,890 m及850 m中段，890 m及以上中段礦量已采空，均無采礦作業，形成了大面積的空區，單個采空區暴露面積超過3500 m2，礦柱穩定性和采空區穩定性問題突出。由于與地表貫通的通道總斷面小，一旦出現采空區失穩的情況，采區受沖擊波的潛在危害極大。礦山具備極高的發生嚴重地壓災害的潛在危險。從上述的地壓問題看出，本礦生產安全形勢極為嚴峻，地壓監測對于確保礦山安全生產，預防重大突發性地壓災害的發生具有極為重要的意義。因此，萬城鉛鋅礦與長沙礦山研究院有限責任公司合作，引進南非IMS微震監測系統，成功建立了一套18通道微震監測系統，于2013年9月底建成，并投入使用，18個傳感器分別位于萬7線、萬11線、萬15線與萬19線礦柱內，主要監測各礦柱的穩定性。

圖1 采空區示意

2 多通道微震監測系統

多通道微震監測系統以巖體破裂釋放的彈性波為監測對象，可對所監測區域的巖體進行實時、全天候的自動監測，同時實現了數據的遠程傳輸，對波形數據進行處理并永久保存。通過傳感器陣列及時間同步信號，可對大能量多通道觸發事件進行震源定位。微震監測系統的建立必須充分考慮所監測對象及礦山的地壓現狀，結合萬城鉛鋅礦特點及安全問題，確定了監測目標主要為萬7線、萬11線、萬15線、萬19線4個礦柱，傳感器布置如圖2所示。本套系統主要有地表主服務器、井下數據采集基站和傳感器3個部分組成，微地震信號經由礦柱內傳感器接受并通過前置放大器放大，經數據采集基站進行A/D轉換并由光纜傳給地表主服務器，即可對傳上來的數據進行顯示及分析[1-2]。

圖2 18通道傳感器布置圖

本套監測系統為全數字型寬頻帶全波采集監測系統，可進行全天候實時監測。系統配置有Synapse、Trace、Ticker3D、JDI 4套軟件，可以實時顯示監測的波形，并在三維模型中顯示震源定位的空間位置及坐標，對微震事件進行在線精確分析，并可實現對微震事件的震級、地震矩、釋放應力值等多指標的計算分析，還可進行譜分析獲得多種震源參數值等，為基于多參數分析巖體穩定狀態提供了豐富的數據。

3 微震波形識別

就礦山微震監測而言，微震波形辨識是技術難點。通常，礦山的工作環境復雜，采集的信號包含著各式各樣的噪聲，目前微震系統還無法實現對巖體破裂信號的自動識別與拾取，主要依賴于監測人員的經驗識別，因此針對本礦山井下不同震動信號產生機理的不同，傳感器最后記錄到的波形在振幅值、持續時間與時間間隔等表征的波形形態一般不同，通過對所收集到的波形進行分析，結合現場應用經驗與井下作業規律，建立了一套適合本礦山的基于波形特征的信號經驗識別方法[3-6]。

圖3描述了一個完整信號波形的幾個特征，包括幅值、信號持續時間、上升時間與信號間隔時間等直觀的特征，通過這些特征的差異對不同震源波形進行辨識。

圖4描述了不同震源波形的特點，(a)、(b)、(c)是井下巖體因承受的應力增加而導致巖體變形破裂產生的微震信號波形。這些信號是微震監測的重點監測對象，是監測人員需要提取和進一步分析的有用信號。巖石破裂信號波形一般持續時間為15～30 ms，單個事件之間的時間間隔沒有規律性，(c)為典型的破裂面受剪切作用產生的彈性波波形，能較清晰地分辨出P波與S波震相，(a)與(b)為典型的破裂面受張拉作用產生的彈性波波形，只有P波震相。信號振幅大小與破裂源距離傳感器的遠近距離相關。(d)是鑿巖產生的波形，這類信號一般很好識別，單個事件波形之間的時間間隔與鑿巖設備的工作沖擊頻度相關，沖擊頻度穩定，周期基本相等，信號振幅穩定。(e)為生產爆破波形，由于爆破能量很大，一般會在離爆破點較近的傳感器產生限幅現象且被大多數傳感器接收到，這類信號一般在爆破作業時間產生，信號振幅一般很大。(f)是硬件設備運行異常時產生的沖擊電壓波形，這類信號一般幅值很大，且信號上升時間很短，振蕩簡單，一般很容易經驗識別。

表1詳細地列出了井下不同震源的信號波形在信號持續時間、振幅值、上升時間與時間間隔等波形特征方面的差異。通過總結可以看出，鑿巖、爆破、電機車行駛與電子設備脈沖電壓干擾等信號波形的形態特征比較明顯，可以較容易地與巖體破裂信號進行區分，通過經驗識別可以區分出大多數的噪音信號，為準確有效地提取有用信號和對礦柱與上覆巖體穩定性狀態做出評價打下了堅實的基礎。

圖3 信號經驗識別中幾個常用的特征

圖4 各類振動源信號波形

表1 礦山井下不同信號震源波形特征比較

4 監測系統定位精度測試及分析

4.1 微震監測定位方法

微震監測定位方法有很多，主要分為幾何方法、物理法及數學方法等。在實際的礦山微震監測應用中，Geiger法是應用最為廣泛的方法之一，它可以根據若干個傳感器被觸發的到時時差，選取一個迭代初值，通過一系列的迭代修正，使得計算出的殘值趨于最小值，最終取得最優解。IMS的微震監測系統也是基于Geiger法的基礎上，同時采用相對計算法來彌補Geiger法對于初始值過于依賴的缺陷，兩相結合提高定位精度[4，5，7]。

4.2 系統定位精度測試

在實際應用中，要根據礦山的實際情況設定適合該礦山巖體的波速，從而得出最佳的數據模型，減小定位誤差。測試定位精度一般采取人工定點爆破的方法，將系統定位的震源位置與實際爆破的震源位置進行比較，從而獲得定位誤差。

定位爆破測試點選在890 m中段萬11線與萬15線之間的巷道內，該點在傳感器包裹的定位陣列以內，通過設置不同的波速,比較系統定位點與實際爆破點之間的誤差，選擇出最適合本礦山的P、S波速模型。圖6所示為系統軟件波速反演擬合圖，得出適合礦山的P波波速為5070 m/s，S波波速為3314 m/s。在該速度模型下，系統定位坐標與實測坐標的對比見表2。該爆破測試信號被6個傳感器接收，爆破波形見圖5，實際坐標與爆破點的空間位見圖7。實心圓點表示系統自動定位點，圓圈表示實際爆破點。

表2 定位誤差

5 結 論

(1) 萬城鉛鋅礦18通道微震監測系統實現了對礦山內巖體全天候實時監測，為掌握復雜空區開采巖體內部穩定性提供了有效的手段，提高了礦區安全生產的能力。

圖5 爆破波形

圖6 波速反演擬合

圖7 定位效果

(2) 根據礦山的特點，建立了一套與其相適應的波形辨識方法，極大的提高了有用信號的拾取能力，利用該經驗識別法為后續的地震學分析提供了重要的原始數據，提高了系統的數據處理能力。

(3) 采用人工爆破的方式對系統的精度進行測試，建立了適合本礦區的勻速速度模型，P波波速為5070 m/s，S波波速為3314 m/s，定位誤差在10 m以內，實現了對震源的高精度定位，達到了預期的目標。

參考文獻：

[1]李庶林,尹賢剛,鄭文達,等.凡口鉛鋅礦多通道微震監測系統及其應用研究[J]. 巖石力學與工程學報,2005,24(12)：2048-2053.

[2]Richard-P Varden. Seismic management and seismic hazard quanitification at kanowna belle mine[M].CHUN’AN Tang ed.

[3]徐宏斌，李庶林，陳際經，等. 基于小波變換的大尺度巖體結構微震監測信號去噪方法研究[J]. 地震學報，2012，34(1)：1-12.

[4]李庶林，尹賢剛，李愛兵. 多通道微震監測技術在大爆破余震監測中的應用[J]. 巖石力學與工程學報，2006，24(1)：4711-4714.

[5]唐紹輝，潘 懿，黃英華，等. 深井礦山地壓災害微震監測技術應用研究[J]. 巖石力學與工程學報，2009，28(2)：3597-3603.

[6]尹賢剛，李庶林，黃沛生，等. 微震監測系統在礦山安全管理中的應用研究[J]. 礦業研究與開發，2006，26(1)：65-68.

[7]張 飛，劉德峰，張 衡，等. 基于IMS微震監測系統的微震事件定位精度分析[J]. 中國安全生產科學技術，2013，9(6)：21-26.