金川二礦區微震監測區域多參數權重預警模型與對策分析

趙子巍 ，寇永淵 ，寇鵬飛 ，蔡雙

(1.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012；2.國家金屬采礦工程技術研究中心， 湖南 長沙 410012；3.金川集團股份有限公司二礦區， 甘肅 金昌市 737102)

隨著我國礦山逐步過渡到深部開采，巖爆等地壓災害開始顯現，國外深井巖爆控制經驗表明，必要的采礦設計可以控制巖爆的發生，但在礦山開采過程中進行巖爆預測的重要措施是開展微震監測。自 2000年以后，國內一些大型礦山陸續建立了微震監測系統，相關的大學和科研機構在微震技術研究方面也取得了很多研究成果，為微震監測技術在國內礦山的普及作出了重要的貢獻。

1 礦山基本情況

微震監測系統的基本原理就是檢波器監測周圍環境的振動信號，并進行相關計算處理，振動信號包含種類較多，如微震事件、爆破事件、機械振動、溜井放礦等信號。為了準確地分析巖石破裂的活動情況，需要區分振動信號，剔除非微震信號的干擾，目前微震監測系統尚不能高準確性自動識別微震信號，仍需人工識別信號分類。信號分類的依據是波形特征和信號頻譜特征，信號特征歸納方法是：選取礦山特定時間的爆破信號進行特征總結，如掘進爆破、點炮，其次根據排除法濾掉爆破和噪聲事件，同時可以輔助波形的聲音特征識別微震事件，最后歸納微震事件信號的波形特征和頻譜特征。本文介紹了微震監測系統在金川二礦區的應用。

金川集團股份有限公司是我國最大的鎳礦資源生產基地，其中二礦區年出礦量穩定在430萬t/a，是我國有色金屬地下礦山年生產能力最大，機械化、現代化程度最高的充填采礦法礦山。

目前，金川二礦區隨著開采深度的增加，開采條件和作業環境惡化，回采過程地壓顯現劇烈，潛在災變風險、安全問題突出，井巷工程破壞和返修量大，開采成本大幅上升，開采難度進一步加劇。深部采準工程現已頻發嚴重的冒頂片幫、底鼓、蠕變變形破壞等強烈的地壓顯現現象。故金川二礦區在1150～850 m建立了一套微震監測系統，用以監測深部開采的地壓穩定性，并根據監測結果，提出采場災變預測預報方法及其災害防控對策，為實現二礦區深部安全高效開采提供重要技術支撐與安全保障。

2 典型事件波形特征研究

2.1 爆破事件典型波形

金川二礦區每天在不同時段會進行不定時爆破作業。從爆破震源機理判斷，一般爆破的能量較大，因此波形振幅較大；爆破采用微差爆破方式，會形成多個振動微周期連續波形；爆破信號頻率成分復雜，同時以低頻信號為主。金川二礦的掘進爆破的波形都比較容易辨識出來，而零星點炮的波形特征和微震的波形特征比較接近，需要通過頻譜和聲音等綜合識別手段才能加以區分開來。金川二礦區爆破信號典型波形如圖1所示。

圖1 金川二礦區爆破信號典型波形

2.2 噪聲事件典型波形

金川二礦區噪聲事件主要是機械振動信號，如打鉆、鏟運機作業、風機振動、溜井放礦、電磁干擾等。特征規律比較明顯，具有規律性的振動特征，且通過波形的聲音特征較容易分辨，如圖2所示。

圖2 金川二礦區噪聲事件典型波形

2.3 微震事件典型波形

金川二礦區的微震事件主要是巖石破裂或者斷層滑移等礦山巖體地壓活動事件，二礦區礦體比較破碎，且圍巖與充填體之間存在空隙，其破壞機理較為復雜且不利于能量的傳播；不同破壞原因形成的振動波波形特征不同，有的具有典型的P波和S波特征，有的S波不明顯；傳感器距離震源的遠近，其波形特征和頻譜特征也不相同，距離近時P波和S波疊加在一起不易區分，而高頻部分信號特征明顯，距離遠時高頻部分大幅衰減，而低頻信號較為明顯。通過排除前面的典型爆破波形和典型噪聲波形，以及綜合分析研究，總結出金川二礦區 4種典型微震事件波形，如圖3所示，圖3（a）、圖3（b）中的P波和S波比較容易區分，且主頻在400 Hz以上，而圖3（c）、圖3（d）中的P波和S波則不易區分，可以通過頻譜圖及聲音來還原識別，符合微震事件的頻譜特征。

圖3 金川二礦區微震事件典型波形圖

2.4 數據統計

2021年4月系統監測到了大量的事件，根據典型事件波形特征研究，事件中包含微震事件、爆破事件、噪聲事件等振動信號共計 2884個事件（見表1），其中微震事件占總數的 8.4%、爆破事件占總數的87.7%、噪聲事件占總數的3.9%，微震事件可進行精確事件為129個，占總數的4.5%，觸發但不能進行精確定位的微震事件114個。

表1 監測事件統計

3 微震監測區域多參數權重預警模型

3.1 預警模型

根據數據處理分析與統計的結果，建立區域多參數權重預警模型。區域劃分為各個中段范圍，中段高度為150 m，預警模型考慮4項參數，分別為單位區域事件率、區域能量對數總和、區域d值變化率和區域B值變化率，權重分別占比50%、30%、10%和10%，各項參數對應打分見表2。根據多參數打分再乘以分配權重求和，所得分數劃分為5個危險等級，從低到高分別為綠色預警（1分）、藍色預警（大于1小于等于2分）、黃色預警（大于2小于等于3分）、橙色預警（大于3小于等于4分）和紅色預警（大于4小于等于5分）。

表2 多參數權重預警模型分值

例如，某中段區域事件率為15個/月，區域能量對數總和為-5，區域d值變化率為 2.1，區域B值變化率為1.5，計算見表3，總得分為2.2分，即此區域處于黃色預警。

表3 舉例計分

3.2 金川二礦區預警對策

根據所定義的不同顏色預警等級，給出對應預警對策。

（1）綠色預警，說明該區域穩定，無需采取任何措施；

（2）藍色預警，說明該區域穩定性欠佳，需繼續監測觀察，并提醒周邊生產作業人員提高警惕；

（3）黃色預警，說明該區域圍巖、支護或者充填體裂隙有所發育，發生了細微的破壞，需要安全員每日現場巡視觀察，是否有發生宏觀破壞，周邊生產爆破作業需降低頻率和強度，并提醒該區域生產作業人員提高警惕，待黃色預警降為藍色或綠色預警；

（4）橙色預警，說明該區域圍巖、支護或者充填體內部或者暴露面已發生或者即將發生局部宏觀破壞，需圈定安全警戒，撤離并禁止人員、設備進入，周邊生產爆破作業需降低頻率和強度，并提醒周邊生產作業人員提高警惕，待橙色預警降為黃色、藍色或綠色預警，可撤離警戒，并對破壞區域進行支護；

（5）紅色預警，說明該區域圍巖、支護或者充填體潛在發生重大地質災害，需圈定安全警戒，撤離并禁止人員、設備進入，停止周邊生產爆破作業，待紅色預警降為黃色、藍色或綠色預警，可撤離警戒，并對破壞區域進行支護。

4 結語

（1）建立了金川二礦區1150～850 m微震監測系統，用以監測深部開采的礦巖體穩定性。

（2）研究了二礦區爆破事件、噪聲事件及微震事件典型波形特征，用以區分各種事件，以利于微震事件的識別和處理分析。

（3）建立了金川二礦區區域多參數權重預警模型及預警對策，為二礦區深部安全高效開采提供了重要技術支撐與安全保障。