高海拔金屬礦破碎氧化帶地壓監測設備及方法

彭燕麗

（云南金誠信礦業管理有限公司，云南昆明 650000）

1 引言

某多金屬礦床位于西藏拉薩市墨竹工卡縣境內，為大型銅多金屬礦床之一，目前地下開采范圍內二、三標段普遍分布有破碎氧化帶，該氧化帶中含Cu品位較高，約1%左右，并伴生Au、Ag 及Mo 等金屬，但破碎礦體氧化率高、節理裂隙發育，礦床賦存條件復雜，已經出現片幫、冒頂、底臌等地壓災害，如圖1所示。這些問題嚴重威脅井下作業人員和設備的安全，甚至直接影響此區域礦體后續開采計劃和增大礦石貧損指標。

圖1 礦體破碎氧化帶現場照片

此外，依據國家相關政策規定及要求，并結合該礦山破碎氧化帶在開采過程中易造成較大地壓災害隱患的風險，急需開展地壓監測技術研究，掌握地壓活動規律，降低破碎氧化帶開采過程中帶來的地壓風險，減少地壓災害造成的損失，最終實現礦山持續安全穩定發展。

2 監測技術的選擇

當前地壓監測方法復雜多樣，并不斷推陳出新，根據監測目標與原理可將其分為2 類：巖石力學方法和地球物理方法[1]。巖石力學方法主要以監測沖擊地壓發生前圍巖變形、離層、應力變化、動力現象等特征為主，屬于直觀接觸式監測方法，主要包括鉆屑法、鉆孔應力計法、支架載荷法、圍巖變形測量法等。地球物理方法主要根據巖體破壞時會釋放出彈性波、地音、電磁波等信號，通過捕捉這些信號來預警沖擊地壓，屬于非接觸式、遠程監測方法。地球物理方法主要有：微震法、地音法、電磁輻射法等。目前常用的大尺度、區域性、非接觸地壓監測技術為微震監測，該技術能更大區域地監測到巖體中正在發生的損傷和漸進性破壞過程，對巖體的失穩進行預警[2]。

微震監測技術是在聲發射監測技術的基礎上發展起來的，它在原理上與聲發射監測技術相同，是基于巖體受力破壞過程中破裂的聲、能原理[3]。微震是以監測地下巖體和混凝土結構破裂過程為對象，通過采集巖體破裂釋放的微震波信號，再通過對震源信號的處理分析來評價地下結構的穩定性和安全狀況，微震監測原理如圖2 所示。因此，本監測方案使用微震監測技術手段對該礦山破碎氧化帶區域的穩定性進行監測

圖2 微震監測原理示意圖

3 地壓監測技術方案研究

3.1 監測設備介紹

本方案采用世界上最先進、功能最強、市場占有率最高的IMS 微震監測系統。全球有200 多座大型礦山使用該系統，系統具備在線微震數據采集、自動處理、人機交互分析的數字化、智能化、可視化等功能。該系統優勢主要有：其定位誤差在震源與傳感器平均距離（AHD）的5%以內；可采取水泥灌漿和可拆卸裝置安裝方式；小直徑鉆孔安裝、兼容各種傳感器，可實現多參數綜合監測；同時在空間和時間的監測預警方面有突出優勢，適合中長期觀測。

IMS微震監測系統硬件組成主要包括傳感器、模擬濾波預處理接線盒、數據采集基站、時間同步適配器TDU、GPS 授時器、工作站等。其中傳感器布置采場周邊圍巖體內，用于實時獲取微震等震動波形數據，數據采集基站安置在采場附近的脈外巷道內。微震數據采集基站內含數據采集器NetADC、數據處理器NetSP 及備用電源iUPS、調制解調分站DSL_MODEM 等，時間通訊分站內含調制解調總站DSLAM、交換機、光纖收發器等。數據采集基站中微震數據處理器（NetSP）與地面控制中心通過井下工業環網連接，實現多個數據采集基站與GPS 授時器的時間同步。監控中心設在礦部監控中心室內，用于數據管理、分析、展示、監控和發布等。

IMS 微震監測系統采用直徑70mm 左右的微震傳感器，配有15m 的整倍數的電纜，采用電子補償增強的傳感器擴展了傳感器的低頻響應范圍，傳感器參數如表1所示。

表1 微震傳感器參數

3.2 監測點設計

按照以下原則進行監測點設計：

（1）合理選擇、布置傳感器及傳感器臺網，形成對監測區域的空間包絡；

（2）傳感器的選型及布設間距需充分考慮礦山地質、巖性特征、通訊網絡等實際條件；

（3）利用臺網分析軟件優化監測點布置，使監測臺網對重點監測區域的定位誤差較小，且對較小震級事件具有較高的靈敏度，最終得出最優監測方案；

微震監測點布置主要考慮傳感器靈敏度（80V/m/s），在巖體完整的理想情況下，傳感器可以監測到200m以內震級在-2.0以上的巖體破裂事件。由于該礦山破碎氧化帶巖體較破碎，微震監測點的臺網間距不宜大于100m，為保障監測精度，對于該監測區域，微震監測點的臺網間距不宜太大，建議應小于80m。

根據礦山目前生產實際情況、巖體巖性、傳感器的頻響范圍和靈敏度，在4420m 水平、4465m 水平破碎氧化帶區域布設一套40通道微震監測的地壓監測系統，對破碎氧化帶區域開采過程中巖體的穩定性進行監測，微震監測點布設如圖3、4所示。

圖3 4420m水平微震監測點布置圖

圖4 4465m水平微震監測點布置圖

4 臺網分析

按照微震監測點的三維空間布置方案進行該監測方案監測精度及靈敏度計算，采用IMS 專業臺網分析軟件，分析監測范圍內微震監測系統的定位誤差以及靈敏度，如圖5 所示，可知設計的微震監測方案可以使破碎氧化帶監測范圍內微震監測系統的定位誤差控制在10m 左右，監測靈敏度達到-2.5 矩震級，可以滿足礦山開采過程中對破碎氧化帶的地壓監測需求，降低破碎氧化帶開采過程中帶來的地壓風險。

圖5 微震監測系統定位誤差及靈敏度分析

5 結論

針對位于西藏拉薩市墨竹工卡縣境內的某多金屬礦山破碎氧化帶穩定性監測需求，采用目前常用的大尺度、區域性、非接觸的IMS 微震監測設備，建立地壓監測系統。根據礦山目前生產實際情況、巖體巖性、傳感器的頻響范圍和靈敏度，設計了一套40通道微震監測的地壓監測系統，該監測方案微震事件定位精度為10m，靈敏度可達到-2.5 矩震級，后續可根據監測微震事件時空分布，確定地壓災害高風險區域，為礦山地壓災害預警系統建立提供數據支撐和理論基礎。