IMS微震監測技術在漂塘鎢礦的應用

李海港，龍卿吉

(1.北京科技大學，北京 100083；2.江西省安全生產科學技術研究中心(江西省工業安全工程技術研究中心)，江西 南昌 330030；3.北京礦冶研究總院，北京 100160；4.江西省安全生產監督管理局，江西 南昌 330030)

漂塘鎢礦地處享有“世界鎢都”美譽的江西省大余縣境內，經過八十多年的開采，目前漂塘礦區已形成了+676、+616、+556、+496、+448、+388、+328、+268和+208共九個中段，采礦方法主要有淺孔留礦法和階段空場法。隨著開采時間的增加，漂塘礦區采空區體積越來越大，礦區原有的地應力隨開采不斷地發生變化、調整。礦區各中段不同程度的出現了裂縫、頂底板下沉、巷道變形、及冒頂片幫等地壓事件，礦區中東部區域地壓顯現更為明顯，對礦區人員生命財產構成較大安全威脅。深埋礦床開采的關鍵技術問題之一是高地應力環境誘致的地壓問題，包括采場地壓和井巷地壓問題，難采難支護、甚至誘發巖爆和礦震等動力地質災害已成為深部、高應力礦床開采的基本地壓特征。微震監測技術作為一種先進的和行之有效的地壓監測手段，在國外的高地應力礦山得到了廣泛的應用[1-4]。本研究在前期微震監測技術試驗研究的基礎上，針對礦山巖體失穩的安全隱患問題，對IMS微震監測技術的實際效果進行試驗驗證分析。

1 IMS微震監測技術

“IMS”是Institute of Mine Seismology(南非礦震研究院)的簡稱，該公司自主研發的IMS高精度微震監測系統，是一個技術先進的數字化、智能化、高分辨率地震監測系統。具有在線地震信息處理，分析和可視化功能。該系統易于使用，可在Microsoft Windows或Linux操作系統下運行。該系統基于模塊化設計，易于擴展和系統升級，并提供全天候24小時技術支持，在礦山微震監控領域處于全球領先地位。

2 IMS微震監測系統的設計

2.1 微震檢波器

微震檢波器是IMS微震監測系統中的核心設備之一，微震檢波器通過將巖石運動(巖石速度或加速度)轉換成一個可衡量的電信號來衡量微震活動中釋放的能量及相關參數。根據檢測原理不同，檢波器分為速度檢波器、加速度檢波器和力平衡檢波器。IMS微震網絡可以是速度、加速度和力平衡檢波器的任意組合，同時每種檢波器有單向(通道)的和三向之分，單向檢波器主要檢測來自Z軸方向的巖石運動和變化。而三向檢波器則可以監測X、Y和Z軸三個方向的巖石運動和變化，所以三向檢波器能對微震事件的源進行最精確的檢測，從而使得微震事件源的定位更精確。漂塘礦區IMS微震監測系統的檢波器是速度型檢波器，包含單向和三向檢波器的陣列組合。

2.2 系統設計

根據微震監測經驗，檢波器間距150～200m左右技術經濟比較合理，漂塘礦區中段間距一般為60m左右，根據系統微震檢波器本中段可以兼顧相鄰中段數據的監測特點，設計在礦區+496、+388和+268中段分別安裝5臺單通道檢波器和1臺三通道三向檢波器，整體監測漂塘礦區多個中段的地壓微震事件，檢測器的三維立體分布如圖1所示，根據圖示設置檢波器陣列，可以計算得出系統對事件監測的靈敏度(能監測到最小震級的事件)，如圖2所示。由圖2可知，事件最大矩震級為-0.85，最小為-2.25，最大與最小事件的強度相差超過50倍，事件矩震級最小為-2.25表明微震監測系統具有良好的靈敏度。

圖1 微震檢波器在漂塘礦區三維立體分布

圖2 中段區域微震事件靈敏度(俯視圖)

3 IMS微震監測系統的運行

3.1 系統的運行

IMS地壓微震監測系統自運行以來，系統監測到了發生在井下各中段的十幾萬個事件，平均每個月監測到的事件數量有10000個，其中80%是干擾和噪聲，5%左右的是爆破事件，而剩余15%則是監測到井下的微震事件，整個井下微震事件主要聚集井下各中段開采區域附近，主要分布在328、388和268中段的西部開采區域，監測到最大震級為1.6的微震事件發生靠近328中段，微震事件分布如圖3所示。

3.2 系統監測的波形

IMS地壓微震監測系統監測到井下多種波形，但主要有以下幾種：噪音波形、測試觸發波形、三通道檢波器X和Y通道出現問題的波形、三通道檢波器Z通道被干擾的波形、正常的微震事件的波形、兩個同時到達的微震事件波形和爆炸事件波形等。

3.3 微震事件波形的處理

監測事件應力波的檢波器的數量取決于事件震級和釋放能量的大小，同時也取決于檢波器的三維立體分布，一般來說，檢波器位置距離微震源越近，就越容易檢測到應力波，檢波器網絡陣列越密，事件監測效果就越好[5-8]。

除了常規的微震事件，礦區還有爆破、噪聲和干擾事件，針對這些事件，IMS微震軟件會進行預處理、模型匹配，將一些無用的事件過濾，重點對微震事件進行分析處理，根據檢波器檢測到應力波到達的時間順序，微震軟件會將每個檢波器檢測到的應力波形(包括P波和S波)通過原來采樣的時序呈現出來，如圖4所示。

圖3 微震事件分布 (左圖：震級>0級，右圖：震級>-4.0)

圖4 微震事件波形及微震處理軟件

3.4 事件的定位

事件的定位主要依賴于P波和S波到達檢波器時刻的確定，針對特征明顯的應力波，軟件可以自動檢測P波和S波到達的時刻(圖5)，對于較為復雜、特征不明顯需要有經驗的工程師確認到達時刻；同時越多檢波器檢測到事件的應力波，就能獲得越精確的定位。

根據P波和S波的傳播速度差和到達檢波器的時間差，可以計算得出微震事件源距離檢波器的距離，多個(至少三個以上)檢波器在三維立體空間可以計算出微震事件源的大概位置，檢波器越多，事件定位越精確，如圖6所示。

圖5 微震事件P波和S波到達時刻的確定

圖6 多個檢波器定位事件三維位置

4 結論

IMS微震監測系統自在漂塘鎢礦運行以來，每天24小時對礦山巖體進行微震監控，成功對危險區域進行預警，為礦區安全生產和開采方案的制定提供了依據。

1) 對巖體不穩定性實現了三維定位。通過對各中段進行24小時在線實時監測，系統對巖體不穩定位置實現了三維立體定位。

2)對于礦區重點監測區域的巖體活動，微震事件定位精度在5～10m。事件定位的精確度越高，將越有利于正確分析和評估礦區的地壓變化規律，對于礦山安全生產具有很現實、具體的指導作用。

3) 對可能的地壓災害提前發出預報預警。系統經過微震數據分析，可做出巖體穩定性的綜合性評估，對可能發生的安全威脅進行預警預報。

4) 實現了網絡遠程控制和實時數據傳輸，便于異地隨時查看系統運行狀態和生產區域巖體活動狀況，掌握最新的巖體活動情況。

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