IMS微震監測在某礦地壓預測中的應用

廖永斌 朱仕林

(1.江西漂塘鎢業有限公司；2.江西理工大學資源與環境工程學院)

當前礦山逐漸進入深部開采，面臨地應力集中、自穩性差等主要問題[1-2]，在這種高應力的條件下，極易產生地質災害，如沖擊地壓、頂板冒落、垮塌，給礦山工作人員的安全帶來了極大的威脅。微震地壓監測系統能夠全天候24 h監測地壓活動，及時發現地壓異常區域，并結合微震的各個參數進行數據分析，得出風險等級，及時通知礦山做好相關區域的安全排查工作，為避免人員傷亡做出防范。本文通過對特定地壓活動風險區域的預警空間范圍進行微震多參數分析，最終得出預警信息。

1 工程概括

贛南某鎢礦礦區主要是以黑鎢、錫為主的石英細脈型高溫熱液礦床。礦區內斷層發育，主要有東西向、北東向及北北東向，較大的斷層有十余條，最大的斷層為F2主斷層，附近節理發育，破碎帶寬達0.5～1 m。

礦區主要受基巖裂隙水、斷裂結構面和大氣降水的影響，地勢高峭，地表匯水面積較大。隨著開采的延伸，采空區增多，部分地表已陷落，地表受到破壞，巖層移動也將加劇，使原有節理張開，形成新的裂縫，加快了地表水的下滲速度。

礦區內采掘破壞了巖體的原始應力平衡狀態，使圍巖發生形變、開裂、冒落等情況。

448 m中段地壓活動區域主要集中在3～11線F5斷層附近及F5與F2斷層交界處，Ⅲ礦體采空區周邊，主要形式為巷道片幫、冒頂、混凝土支護開裂。

388 m中段地壓活動區主要集中在0～7線Ⅲ礦體采空區周邊，主要形式為巷道片幫、冒頂。

在礦區的中區產出有近東西向F5、F6，北西向F2和北東東向F3、F4斷層,將中區切割成一個以F2、F3、F5、F6為邊界的菱錐形塊體，為礦體的主要賦存區域，在此錐體內部，巖體又被三、四級結構面和采空區臨空面切割。

礦山主要為地下開采，中段跨度為750～200 m。目前礦區主要有9個中段，其中，388 m中段以上為主平窿開拓，328，268 m中段為盲豎井+盲斜井聯合開拓。448 m中段以上11線以東為贛南鎢資源綜合利用低品位資源回收的示范基地。Ⅲ礦體496 m中段19線以西、448 m中段11線以西已基本開采完畢。

2 微震地壓系統的建立

微震監測系統主要針對現階段回采的中段建立，使檢波器在三維空間達到最優化。

微震地壓監測系統主要硬件有檢波器(單向檢波器、三向檢波器和加速度檢波器)、傳輸線纜、工作站(數據采集器、波形處理器、時序同步、光貓等)，通過光纖將信號傳輸至地表服務器中，由后臺數據分析軟件(Trace、Vantage等)進行數據處理[3-5]。微震系統架構見圖1。

南非IMS微震實時在線監測系統通過后臺系統監測到微震事件進行分析，而一套系統的穩定性和高效性是基于監測到的微震事件的準確性。在控制系統成本的情況下影響檢波器監測數據的準確性主要有以下幾個因素：一是礦區的地質地形和開拓回采結構；二是采空區分布的情況，空區對波形的傳遞有衰減作用；三是檢波器的三維空間布置形式，以定位精度最優的方式來布置檢波器[6-7]。

圖1 微震系統架構

目前微震事件的定位主要依據高橋法，即通過事件觸發檢波器的時間差進行空間定位，見圖2。

圖2 微震事件定位原理

微震系統檢波器的合理布置對檢測事件的準確性至關重要，檢波器的密度及型號的選取有助于提升系統對微震事件的靈敏度和事件定位精確度。為檢測定位效果，后期可以通過礦山人工爆破的方式進行反演，即對比實際爆破位置和微震系統[7-9]。

礦區主要生產中段為268，328，388，448 m中段，以268和388 m中段的檢波器點位布置圖為例，見圖3。

檢波器三維空間布置主要有2個檢驗參數，即時間定位誤差云圖和最小震級云圖，本文以監測到的最小震集云圖(圖4)為例，來驗證2個中段的定位效果。礦區監測的目標是實現全礦區震級監測達到里氏-2.0級。

3 系統應用

基于礦區微震監測系統架構，從預警前期時空間的縮小和排查入手，結合微震多參數判定，縮小特定風險區域，從而準確預警[10-11]。

圖3 不同中段檢波器點位布置

3.1 一定時間域內風險分析

累積視體積、對數能量指數、事件數等微震事件參數能夠直觀地反映一段時間內特定區域內巖體穩定情況。

垮塌、冒頂、片幫等地壓災害是由于在采礦活動等擾動下巖石微破裂的萌生、發育和擴展趨勢，而微震監測系統能夠有效地監測巖體破裂時產生的地震波，進一步依據各類微震監測指標進行分析。例如巖體應力的釋放前兆往往伴隨著累積視體積的急劇上升和對數能量指數的急速下降。通過后臺數據分析，對圈定的地壓活動活躍區域開展預測預報。

圖4 不同中段最小震級云圖

礦區496 m中段2017年6—11月能量指標見圖5。

圖5 496 m中段對數能量指數、視體積與施密特數關系曲線

依據往常礦區事件分布的時空間特征，事件主要分布在268～448 m中段，在496以及556 m中段很少出現事件，496 m中段出現少量事件聚集，見圖6。

圖6 496 m中段事件分布

3.2 特定空間域內風險分析

為了能夠更好地識別此次危險源的位置，針對496異常區域的348采場重點區域范圍重新圈定，將重點風險區域進一步縮小，判定垮塌風險具體位置。496 m中段348采場重點風險區域范圍見圖7。

為了驗證危險源的正確性，將348采場的累計視體積、對數能量指數與施密特數關系圖以及累積能量-時間關系圖通過后臺軟件Vantage(風險評估軟件)重新生成，見圖8。

累積視體積、對數能量指數以及施密特數都是表征巖體穩定性的指標，累積視體積的急劇增加往往代表著裂隙發育影響區域的擴大化，累積視體積隨時間變化的曲線的斜率是表示巖土體應變速率的參數。而對數能量指數的下降伴隨著加速發展的視體積表示應變軟化，預示著巖體進入不穩定狀態。同時根據圖9中的微震事件聚集度的急劇增加，可以判定巖土體中有裂隙發育之貫通狀態，即將發生冒落風險。通過對風險區域的進一步縮小，可以判定發生冒落的區域在 496 m 中段348采場，并及時對礦區做出風險預警。

圖7 496 m中段348采場重點區域范圍

圖8 348采場重點風險區域能量指數、視體積與施密特數關系曲線

圖9 348采場重點風險區域累計能量-時間關系曲線

2017年11月1日風險評估報告明確提出，在328～496 m中段的348～304采場相鄰區域存在事件聚集，且監測指標顯示，該區域存在局部巖體裂隙貫通的征兆。

根據后續調查，確認在496 m中段8線附近的原老出礦點，工人在中班的時候已經將采場所有礦石出完，并且未經爆破，在當天晚班的時候發現有大量垮落礦石，可以確定在中班下班后采場內部出現垮塌現象。

此次垮塌事故與地壓災害預警風險評估完全吻合，因提前及時通知礦區領導及工作人員做好安全措施，避免了人員設備的傷亡損失。

4 結 語

(1)根據礦區的地質巖體情況、回采方式以及采空區分布特征，合理地布置檢波器的三維空間密度，結合后期定位云圖和爆破反演的方式確定定位精度和定位誤差，為微震系統的整體架構提供依據。

(2)通過微震系統監測到的事件，分別對一定時間域內和特定風險區域內的微震多參數進行分析，通過微震能量指數變化的規律以及風險區域的縮小，最終確定危險源，及時進行地壓災害的預警，為礦山提供安全保障。

(3)在發生大規模的裂隙貫通前期會伴隨著事件數上升，在一定區域內聚集度上升，累積視體積急劇上升，對數能量指數和施密特數急劇下降。掌握好主要微震參數變化規律，結合礦區實際生產及地壓災害調查，能夠及時做出風險預警報告。