IMS微震監測系統在礦山中的應用設計

盧海珠

（中金嶺南凡口鉛鋅礦，廣東仁化 512300）

IMS微震監測系統在礦山中的應用設計

盧海珠

（中金嶺南凡口鉛鋅礦，廣東仁化 512300）

針對我國金屬礦山在向深部開采過程中存在的地壓顯現問題，通過對微震技術工作原理分析及微震技術對地壓災害預警應用的可行性分析，確定采用IMS微震監測系統對凡口鉛鋅礦應用微震監測應用設計，確定IMS微震監測系統傳感器、工作臺站及井下數據中心的布局，為凡口礦設計出有效井下地壓微震監測系統，為進一步開展地壓災害預警及防控研究奠定基礎。

IMS；微震；監測；應用

近年，我國部分金屬礦山已進入深部開采，此類礦山在開采過程中存在著多冒頂片幫、巖爆、礦震和采場大脫盤等嚴重地壓問題，深部開采中高應力地壓環境導致的地壓問題已成為深井開采亟待解決的問題之一［1］，近年隨著微震技術發展，利用微震技術對地壓災害預警在國外已有廣泛應用，因此，建立有效井下地壓微震監測系統，并開展地壓災害預警及防控研究，實現以主礦體及深部礦體為重點的井下地壓監測及控制，對于礦山安全生產意義重大。

1 微震監測技術原理

1.1 微震監測原理

微震信號的特征取決于震源性質、巖體性質及監測點到震源的距離等，在震源周圍布置一定數量的傳感器，組成傳感器網絡，如圖1所示，當巖體內部產生微震事件時，傳感器拾取微震應力波信號，通過多點同步采集測定各傳感器接收信號的時間，連同傳感器坐標及所測波速代入計算，即可確定震源時空參數，實現震源定位目的［2，3］。

圖1 微震定位原理

通常采用4個獨立特征參量（ΣE，ΣM，X，t）的對數形式對微震事件進行量化和定義。其中，t為事件間的平均時間，X為相臨事件之間的平均距離（包括震源大小），ΣM為微震矩之和，ΣE為發射能量之和。基于4個獨立特征參量，可求得如微震應變εs、微震應力σs、視體積VA、微震Schmidt數Scs等其它微震參數，由此得到同震變形及其應變率、應力和流變性的統計特征［4～6］。

1.2 微震與巖體穩定性的關系

圖2是一個典型的巖石壓縮試驗過程示意圖，在t1之前試樣處于應變硬化階段，狀態穩定；當經過t1后應變增加而應力不再增大，試樣開始進入軟化階段，當通過t2后，開始進入不穩定狀態，應力降Δσ加速而應變Δε發展加快，能量ΔU加速釋放，試樣發生破壞。

圖2 巖石應力應變破壞過程

本次微震監測采用IMS微震監測技術，IMS利用上述原理由監測到的微震事件計算出伴隨能量的釋放而產生的應力降（用能量指數表示）和同震非線性體應變。根據一定范圍巖體內的能量指數和體應變隨時間的變化，即可用于判斷巖體所處的工作狀態。如圖3所示，線條1表示能量指數隨時間的變化，線條2表示同震體應變隨時間的發展，當應變急劇增加，能量指數下降時，即預示著巖體進入失穩狀態，由于能量指數下降和應變發展之間存在一定的時間差，由此時間差即可對巖體失穩進行預警預報。

圖3 微震特征參數隨時間變化及預報原理1－能量指數；2－體應變

2 礦山微震監測系統構建實踐

2.1 工程背景

本次礦山微震監測系統工程實踐以中金嶺南凡口鉛鋅礦為實踐對象，凡口鉛鋅礦開采作業中段分淺部和深部采區，淺部采區主礦體Sh－320中段0＃采場在回采過程中，由于受礦巖結構破碎、斷層、采礦爆破震動、空區暴露時間過長等因素的影響，發生了兩幫充填體跨幫，導致周邊相鄰區域出現較大面積失穩，致使該地區成為了隱患區域。然而該區域資源品位高，并存留約30萬t的礦石量，具有重要的開采價值。垮塌區資源的開采條件極為復雜，面臨較大的安全風險，特別是巖體的失穩風險。因此，需要對主礦體垮塌區影響范圍資源開采地壓進行有效監測，為垮塌區資源回采過程提供預警信息，保障安全回采。具體監控范圍：－240～－360 m四個中段，高160m，控制礦體長度100m，南北坐標2778300至2778400，控制寬度小于200 m。

深部主要開采中段與淺部相比，深部井巷中的地壓大，巷道冒頂片幫明顯增多，大冒頂現象時有發生，支護工程量增加，支護成本大大增加。這些均體現出典型的深井開采的地壓特點。因此，為保證礦山（尤其是深部礦體）的安全生產，必須對該礦深部采區的地壓問題進行深入研究，采用微震系統監測深部地壓活動，旨在預防深井地壓危害特別是預防可能的大冒落、巖爆或礦震等災害發生。具體監控范圍：－400～－650 m六個中段，高290 m，控制礦體長度800 m，南北坐標2777800至2778600m，控制寬度小于200 m。

2.2 礦山微震監測系統構建設計

在考慮實際施工條件與環境的前提下與礦山有關部門協作，進行現場調研，調整、優化確定傳感器、工作臺站及井下數據中心的布局，確保達到預定的監測精度目標。

2.2.1 系統布局

擬在礦區建立5個微震工作站和32個檢波器的微震監測系統。工作站在－280m、－360m、－455 m、－550 m和－650 m中段各設置一個，編號依次為1號至5號工作站。微震工作站包含32位高精度的八通道數據采集器（netADC8）、波形處理器（netSP）、智能UPS、單端口調制通信設備和一些其它輔助設備，其中在－455 m中段工作站安裝2個八通道數據采集器，其它工作站均為1個。1號微震工作站連接5個單向檢波器，1個三向檢波器；在－360 m中段2號工作站布置5個單向檢波器、1個三向檢波器；－455 m中段3號工作站布置6個單向檢波器、2個三向檢波器；－550 m中段4號工作站布置5個單向檢波器、1個三向檢波器；－650 m中段5號工作站布置5個單向檢波器、1個三向檢波器。所有檢波器都將連接到八通道的數據采集器上，將檢測到的波形信號經模數轉換后送至波形處理器處理。

井下數據通信中心擬安裝在－455 m中段，主要由時鐘同步設備、4端口的專用調制解調器（DSLAM）、串口同步設備以及光電轉換設備組成，主要負責分發來自服務端的控制信號和時鐘同步信號，同時收集井下數據中心的緩存及中轉，最終將數據傳輸到位于地面的微震服務器，從而讓這些微震數據得到系統軟件的進一步處理。由于微震工作站內部設備類型相同，故以－280 m中段上的微震工作站為例，說明系統結構。工作站主要設備包含了一個32位高精度的數據采集器（netADC8）、一個智能UPS、一個波形處理器（netSP）和一個專用通信MODEM，用于將微震工作站采集處理好的設備發送到井下數據通信中心中轉，并最終傳送到微震監測服務器進行進一步處理。根據上述系統構建情況，可以得出系統微震監測網絡拓撲圖，如圖4所示。

圖4 凡口鉛鋅礦微震監測系統網絡拓撲圖

2.2.2 檢波器陣列分布及微震工作站布局

如圖5～圖9所示為檢波器在各中段的安裝位置示意圖，圖中三角形代表檢波器在各中段的安裝位置，標注的五邊形為微震工作站布置位置，實際位置可根據需要微調。

2.2.3 井下數據通信中心

選擇井下數據通信中心的位置時，需要考慮到供電的便捷性，避免來往行人或者設備的觸碰，也要方便系統設備未來的維護和檢修。綜合各項因素，建議把井下數據通信中心布置在巷道寬敞的地方或者硐室里，并且與各工作站的布線距離不應超過1 000 m。根據優化系統架構，將井下數據通信中心設置在－455 m中段，其位置暫定圖10中五邊形所示標注位置，后續可根據現場實際情況再做相應調整。

2.2.4 微震系統監控中心和遠程數據處理中心

微震系統監控中心主要由微震服務器、路由器、光電轉換器、不間斷電源（UPS）及相關軟件組成。微震服務器選擇穩定的Ubuntu Linux服務器操作系統，并配備雙網卡，其中的一個網絡接口連接到井下微震監測系統網絡，另一個網絡接口連接礦區局域網并能訪問互連網，將井下監測的微震數據發送到遠程數據處理中心。

圖5－280 m中段檢波器分布圖

圖6－360 m中段檢波器分布圖

圖7－455 m中段檢波器分布圖

圖8－550 m中段檢波器分布圖

圖9－650 m中段檢波器分布圖

圖10－455 m井下數據通信中心位置

遠程數據中心可以是IMS數據處理中心（下稱IMS數據中心）、系統供應商和中南大學數據處理中心。遠程數據中心主要功能為備份礦區微震事件，并對微震事件進行深入處理和分析，向礦山提供風險評估、系統維護等技術支持，最終指導礦山安全生產。

2.2.5 供電及通信

為了使IMS微震監測系統的各個組件能一直持續穩定運行，不受生產用電頻繁啟停的干擾和波動影響，為此，建議礦方為該系統配備一套獨立于生產用電的穩定220 V交流供電系統，專門為系統的井下數據通信中心、各個工作站供電，保證整個系統能全天候24 h不間斷地實時監測井下各中段發生的微震事件，從而了解各區域的地壓變化和發展規律。

井下各個檢波器監測到的微震數據必須有效地通過微震工作站傳輸到井下數據通信中心并最終傳輸到地面微震服務器，必須有一套可靠有效的通信網絡。根據系統架構設計，檢波器將通過雙屏蔽四對八芯的純銅信號電纜將檢波器檢測的微震數據傳輸到相應的工作站；工作站統一采集各個檢波器數據并做相應的數字化處理和波形處理，然后將數據打包并調制到一定頻率通過DSL通信協議傳輸到井下數據通信中心，傳輸線纜采用超五類的屏蔽網絡通信線纜；井下數據通信中心將各個微震工作站的數據統一打包、調制，并通過光電轉換器轉換成光信號，通過光纖將所有數據傳輸到地面微震服務器，并做進一步處理。

2.3 IMS微震監測系統應用效果

IMS微震監測系統安裝、調試后，運行良好，試運行期間共監測微震事件128次，釋放總能量為3.2 ×108J，發生位置主要為各中段生產作業區域，為正常生產作業所致，期間未有大能量事件發生，該IMS微震監測系統試運行期間，工作監測狀態良好，可對礦山生產進行實時監測，并有效預測。

3 結 語

我國金屬礦山在向深部開采過程中存在冒頂片幫、巖爆、礦震和采場大脫盤等嚴重地壓問題，嚴重影響著礦山的安全生產，本文通過微震技術工作原理分析及微震技術對地壓災害預警應用的可行性分析，并以中金嶺南凡口鉛鋅礦設計應用對象，進行現場調研、技術調整、優化設計，確定IMS微震監測系統傳感器、工作臺站及井下數據中心的布局，確保達到預定的監測精度目標，為該礦建立起有效井下地壓微震監測系統，該IMS微震監測系統設計實現了以主礦體及深部礦體為重點的井下地壓監測及控制，對于礦山安全生產意義重大。

［1］ 唐紹輝，潘懿，黃英華，等.深井礦山地壓災害微震監測技術應用研究［J］.巖石力學與工程學報，2009，28（S2）：3 597－3 603.

［2］ 鄭超.基于微震監測數據的礦山巖體強度參數表征方法研究［D］.沈陽：東北大學，2013.

［3］ 肖玲.基于微震監測的地下礦山地質災害分析預測［D］.武漢：武漢科技大學，2013.

［4］ 張飛，劉德峰，張衡，等.基于IMS微震監測系統的微震事件定位精度分析［J］.中國安全生產科學技術，2013，9（6）：21－26.

［5］ 覃敏.多中段強化開采地壓微震監測與預警技術應用研究［D］.長沙：長沙礦山研究院，2013.

［6］ 李海港，龍卿吉.IMS微震監測技術在漂塘鎢礦的應用［J］.中國礦業，2014，23（12）：132－135.

Application of IMSMicroseism ic Monitoring System in Mine

LU Hai-zhu
（Fankou Lead-zinc Mine，Renhua 512300，China）

Based on the analysis of the working principle of the microseismic technique and the feasibility of the application of the microseismic technology to the early warning of the ground pressure disaster，it uses the IMS microseismic monitoring system to analyze the ground pressure in the process of deep mining of the metalmines in China.The application ofmicroseismic monitoring application design，determines the IMSmicroseismic monitoring system sensors，workstations and downhole data center layout for the Fankoumine to design an effective underground pressuremicroseismic monitoring system for the further development of ground pressure disaster early warning and prevention and control research foundation.

IMS；microseism；monitoring；application

TD76

A

1003－5540（2017）01－0008－05

2016－11－06

盧海珠（1968－），男，工程師，主要從事礦山生產技術管理工作。