某礦微震監測系統設計與臺網精度分析

袁本勝，張 君，劉建東，韓志磊

（1．北京礦冶研究總院，北京102600；2．金屬礦山智能開采技術北京市重點實驗室，北京102600）

2013年9月23日夜間，某礦采區所屬綜合井、東風井上部采空區發生大面積垮塌，波及范圍上至地表、下至綜合井五中段（175m水平），垂直深度達400余米。

空區塌方前，采區內部分巷道有不同程度的前兆反應：8月3日前后，東風井運輸道（PD8脈外巷）內側沿脈發生頂板冒落；8月15日前后PD5坑口門平臺（沿脈）出現小塌陷坑；9月10日PD9局部巷道發生邊幫脫落，脫落毛石約30t；9月21日綜合井三中段局部運輸道頂板發生小范圍冒頂，塌方毛石約100t；9月22日綜合井一中段采場內有塌方聲音；9月23日夜上部采空區出現大面積坍塌。9月24日全天垮塌現象較為頻繁，之后垮塌的間隔時間逐步加長，最近一次小范圍垮塌發生在10月5日。

經過實地考察判斷，垮塌長度在450m左右，寬度20～70m。地表原有及塌方過程中產生的塌陷坑，已被上部山體塌落毛石全部填平。塌方區域內下盤巖石較為穩定，上盤70m左右處地表出現一條不規則裂縫。井下情況如下：①PD08平硐以上空區全部坍塌；②綜合井一、二、三、四和五中段主沿脈巷道接近礦脈10～20m范圍坍塌嚴重已無法進入，推斷各中段沿脈及脈外巷道坍塌范圍在150～300m；③東風井因各中段垮塌無法進入，具體受損情況不詳。但東風井上部平硐預留礦柱較大且附近開采程度較小，加之礦脈走向較短、礦脈較窄，分析其塌方程度低于綜合井附近。

根據現場查看情況估算本次采空區垮塌范圍如圖1中密集網格所示的區域。從圖中可以看出本次垮塌范圍為上至地表、下至226中段、東至東風井附近、西部至綜合井。

圖1 垮塌區域估計

本次采空區垮塌造成部分開拓巷道和大部分采準巷道廢棄，綜合井生產系統全部被破壞，東風井通風系統部分受損，井下啟動生產必須重建和完善風、水、電等各大系統。

1 采空區垮塌分析

經分析采空區垮塌主要原因如下：①隨著開采深度的不斷增加，礦壓不斷加大，深部留下的空區越來越多，采空區頂底板巖石及礦柱的應力狀況逐漸惡化；②在綜合井沿走向中偏西段縱向上有一條帶形斷層破碎帶，部分原生礦巖整體穩固性低；③由于空區存在時間較長、體積大（約130萬～170萬m3），受PD9及以上保護層礦柱部分被采和深部開采的擾動影響，采空區頂底板巖石及礦柱承壓超過極限，最終導致垮塌。

2 存在的主要問題

某礦采區采空區大面積垮塌導致了井下生產系統全面破壞，需要重建和完善風、水、電等各大系統方能恢復井下生產。盡管此次垮塌使采空區地壓能量得到部分釋放，空區的威脅有所降低，但目前采空區是否趨于穩定還未可知，潛在的震動與沖擊仍然會對礦山井下安全構成威脅，因此需要首先對采空區的穩定性進行分析和評估。

采空區地壓監測是分析采空區穩定性的有效技術手段。該礦采空區規模大、走向長、分布范圍廣，采用應力、應變、位移等傳統監測手段，僅能從局部監測空區變化情況，難以掌握空區的整體變化及穩定狀況。本方案選擇目前世界上最先進的微震監測手段對某礦采區采空區穩定性進行整體、全面、實時的監測，為地壓監測系統的建立和井下生產系統的恢復提供指導。

3 監測系統設計

采空區頂板跨塌所誘發的沖擊地壓是某礦采區1號和2號礦體東部采空區的主要危害，根據采空區形態及歷史地壓顯現規律，擬選擇326中段、276中段和126中段作為微震監測傳感器的主要安裝中段。

某礦采空區從376中段到126中段，垂直高度100m，空區跨度800m，根據該礦采空區現場的情況以及傳感器本身的接收范圍，共設計布置3個數據采集基站、12支傳感器，系統框架圖見圖2。

圖2 某礦微震監測系統設計框架圖

1）在276中段下盤穩定區域重新掘進脈外巷道，安裝2臺數據采集基站和6支微震檢波傳感器。在脈外巷道掘進過程中，可先在現有或已掘進的巷道里鉆孔安裝帶有可拆卸裝置的微震傳感器進行監測，保證脈外巷道掘進工作的安全；隨著巷道掘進面向前推進，利用可拆卸裝置將傳感器回收并轉移至新掘進面附近進行安裝。

2）延伸126中段現有運輸巷至東風井附近，在該巷道內安裝1臺數據采集基站和4支檢波器。

3）在376中段、326中段運輸大巷脈外封堵位置附近分別安裝1支傳感器。

由于設計采用的微震監測系統的傳感器有效監測范圍約為200m，在376中段、326中段以及276中段布置的8個傳感器可覆蓋的監測范圍包括276中段及以上200m，也即從276中段、326中段、376中段以及上部的PD10，甚至PD9和PD8西側綜合井附近的局部區域所發生的微震活動均可被這套微震監測系統所監測到。在126中段和276中段布置的共10個傳感器形成的監測臺網，可覆蓋的監測范圍包括226中段、176中段、126中段，也即在126～276中段不需要再增加微震監測點，即可對該區域發生的地壓活動實現完全監測。

綜上所述共12支微震傳感器共同組成的監測臺網，可實現對PD10、426中段、376中段、326中段、276中段、226中段、176中段、126中段等區域采空區地壓活動情況的整體實時監測。傳感器的安裝坐標見表1。

根據礦體頂底板圍巖物理力學性質，參照類似礦山實際參數，巖石移動角按上盤65°、下盤70°、側移75°分別圈定該礦體在126中段、276中段、326中段、376中段的移動帶。通過微震監測點與移動帶的位置比較，可以看出所設計的傳感器位置及掘進巷道均在各中段移動帶以外，因此所選的監測位置及掘進巷道均是安全的。移動帶及各監測點具體位置見圖3、圖4、圖5、圖6，圖中礦體周邊的粗線即代表著該中段礦體移動帶。

表1 傳感器安裝位置坐標

圖3 126中段移動帶及微震監測點位置圖

4 監測施工區域安全性分析

圖4 276中段移動帶及微震監測點位置圖

圖5 326中段移動帶及微震監測點位置圖

圖6 376中段移動帶及微震監測點位置圖

垮塌之后，礦山派人查看現場情況，在276、326中段、376中段綜合井附近、礦體以外巷道未發現冒頂、片幫、陷落情況，未見有地下水，未有氣浪沖擊現象，且在垮塌之后，礦山組織人員在礦體外30多米外建立了封堵墻，避免沖擊地壓對人員設備的傷害。根據以上情況，基本判斷本方案所設計的一期微震監測點所在的是安全的，具備安裝微震監測設備的條件。

為了保證本系統實施過程中的人員設備安全，根據采空區和井下生產系統現狀，先在可實施的區域布置微震監測點，初步建立微震監測系統，為后續系統的建立和巷道掘進提供安全指導，隨著新巷道掘進工作的推進，逐步建立和完善微震監測系統。因此，擬將本監測系統的實施分為兩個階段。

第一階段：首先在376中段安裝1個傳感器、在326中段安裝1個傳感器、在276中段西側脈外穩定區域安裝2個傳感器；在276中段綜合井附近安裝1＃微震數據采集基站；在地面監控中心安裝微震數據采集與分析服務器。待監測系統線路敷設和安裝調試工作完成后，立即啟動微震監測服務器的采集與數據分析工作，為后續巷道開拓提供參考。

第二階段：待1＃微震數據采集基站投入運行后，開始實施276中段下盤脈外巷道以及126中段延伸巷道。隨著巷道開拓的推進，可陸續鉆孔安裝微震傳感器進行監測，以保證巷道開拓工作過程中的人員設備安全。

5 臺網精度分析

在對監測點位置進行初步布置后，對監測臺網做臺網精度分析，進行更深層次的優化。臺網精度分析是基于如下理論獲得的［1］。

設地震事件震源未知數，見式（1）。

式中：t0為地震事件發生的時間；x0，y0，z0為地震事件發生的三維坐標。

A．Kijko和 M．Sciocatti［2－3］認為傳感器測站位置的優化取決于x的協方差矩陣Cx，見式（2）。

式中：K為常數，A值表達式見式（3）。

式中：Ti（i＝1，…，n）為計算得到的地震到時；n為傳感器觀站數。

該協方差可用置信橢球體進行圖形解釋，協方差矩陣的特征值構成橢圓主軸的長度。求解測站優化即求解使該橢球體體積最小的測站布置。由于該橢球體體積最小的乘積成比例，因此，對監測網所記錄到的所有地震事件，優化的測站位置應使式（4）最小化。

式中：ne為地震事件數，位于將被監測的地震活躍的區域；ph（hi）為震源為hi＝｛xi，yi，zi｝T的事件的相對重要性，可以是一個事件出現在該位置相鄰的概率函數；λx0（hi）為 Cx的特征值。

在實際礦山設計微震監測臺網時，可根據礦山實際情況設計多個測站布置方案，利用上述方法繪制每種測站布置方案對應的地震事件參數x＝｛t0，x0，y0，z0｝T的標準誤差圖，從中確定最優測站布置方案。S．J．Gibowicz和 A．Kijko［4］表示震中位置的標準差見式（5）。

式中：（Cx）ij為矩陣 Cx的（i，j）元素。

由上式繪制的期望標準差圖形是事件震級的函數，即該圖形表示了震級為ML、震源坐標為hi的地震事件的震源定位標準誤差。

本方案由于采空區現場條件的限制，傳感器WZ1－01～WZ1－04距離其它傳感器距離較遠，所以在臺網精度分析時，將監測臺網分成兩部分單獨進行：WZ1－01～WZ1－04為第1組，其它8支傳感器（WZ2－01～WZ2－04、WZ3－01～WZ3－04）為第2組。它們分別的定位精度與傳感器靈敏度云圖見圖7、圖8。從圖中可以看出：①傳感器所包圍的監測區域內部定位誤差在18m，局部地方達到9m，監測區域外部定位誤差較大，44～62m；②傳感器所包圍的監測區域內部傳感器靈敏度在－1．9m／min；監測區域外部附近為－1．4～－1．1m／min。

6 結 論

1）某礦1＃和2＃礦體采空區規模大、走向長、分布范圍廣，采用應力、應變、位移等傳統監測手段，僅能從局部監測空區變化情況，難以掌握空區的整體變化及穩定狀況。本方案選擇微震監測手段對某礦采空區穩定性進行實時監測，具有施工安全性好、安裝維護方便、傳感器布置靈活及災源定位功能先進等優點。

2）根據采空區現狀及微震傳感器特性，在某礦采區綜合井與豎井之間設置3個數據采集基站和12支微震傳感器共同組成監測臺網，可實現對包括PD10、426中段、376 中 段、326中段、276 中 段、226中段、176中段、126中段等區域空區地壓活動情況的實時監測。從臺網精度分析以及傳感器靈敏度分析云圖上可以看出，所設計的微震監測臺網可以滿足監測要求。

3）通過對礦體在376中段、326中段、276中段、226中段的移動帶分析，進一步確定了監測點的布置位置處于移動帶以外，保證了監測系統建設的施工安全。

4）設計采用帶有可拆卸裝置的微震傳感器，在巷道掘進過程中可回收前期安裝的傳感器并移至新工作面使用，節約了項目投資成本。

圖7 傳感器組1（WZ1－01～WZ1－04）臺網定位精度和靈敏度分析云圖

圖8 傳感器組2（WZ2－01～WZ2－04、WZ3－01～WZ3－04）臺網定位精度和靈敏度分析云圖

5）微震監測數據判斷采空區穩定性的原則：采空區失穩之前微震事件率持續增加，且微震事件發生的位置集中；采空區失穩之前微震能量釋放持續維持高位，有突然降低的趨勢，而此時微震累積視體積增加且有突然增高的趨勢。

［1］ 唐禮忠，楊承祥，潘長良．大規模深井開采微震監測系統站網布置優化［J］．巖石力學與工程學報．2006，25（10）：2036－2042．

［2］ Kijko A，Sciocatti M．Optimal spatial distribution of seismic stations in mines［J］．Int．J．Rock Mech．and Mining Sci．and Geomechanics Abstracts，1995，32（6）：607－615．

［3］ Kijko A．An algorithm for the optimum distribution of a regional seismic netxvorkfJ］，Pure Appl．Geophys．，1977，115：999－1009．

［4］ Gibowicz S J，Kijko A．An Introduction to Mining Seismology［M］．New York：Academic Press．1994．