基于微震技術的礦山地壓活動監(jiān)測及預警研究

張爾輝 朱權潔 繆華祥 高林生 晁海杰 張 震

（1.華北科技學院安全工程學院，北京 101601；2.北京久安偉業(yè)科技有限公司，北京 100000；3.寧夏煤業(yè)紅石灣煤礦有限責任公司，寧夏 銀川 750409）

礦山動力災害作為礦井中最嚴重的自然災害之一，是一種巖體中聚積的彈性變形勢能在一定條件下突然猛烈釋放，導致巖石爆裂并彈射出來的現象［1］。目前，隨著我國金屬礦山開采深度不斷增加，動力災害呈現越來越嚴重的發(fā)展態(tài)勢，給礦井安全生產和職工的生命安全造成了極大威脅。礦山動力災害的微觀解釋為微震活動規(guī)律異常導致應力分布不均，進而誘發(fā)的片幫、巖爆、塌方等災害。因此，掌握礦山微震活動規(guī)律對于控制動力災害，進而達到防災減災的目的具有重要意義。

我國學術界對礦山微震活動問題一直非常重視，不少學者針對微震的實時監(jiān)測進行了多方面研究。2004年，我國金屬礦山首套微震監(jiān)測系統(tǒng)建成并投入使用［2］；隨后，楊志國等［3］、唐禮忠等［4］先后將微震監(jiān)測系統(tǒng)應用于冬瓜山銅礦。2014年，曹玲玲等［5］在已有的監(jiān)測技術及監(jiān)測系統(tǒng)的基礎上提出了基于ARM和FPGA的高精度礦山微震監(jiān)測系統(tǒng)，并成功應用于實際工程中。隨著微震監(jiān)測技術不斷完善，監(jiān)測精度不斷提高，數據越來越復雜化，對微震信號處理方法要求也越來越高。朱權潔等［6］在前人研究成果的基礎之上，基于小波理論，探討、驗證了礦山微震信號的分形特征，并確立了相關的無標度區(qū)間及分形盒維數算法；該課題組［7］通過對處理后的微震事件進行二次優(yōu)化，提高了微震定位精度；程浩等［8］在已有微震定位成果的基礎上，在分層閾值上增加分層自適應因子，提出了一種新的分層自適應閾值方法，進一步提高了微震定位精度。微震信號的處理、分析和反饋結果對工程實踐具有重要意義，對此，鄭超等［9］基于已有的微震監(jiān)測資料，分析了礦山深部開挖條件下的圍巖裂隙損傷演化機制；楊天鴻等［10］利用微震監(jiān)測數據結合應力場分析實現了礦山巖體強度參數動態(tài)標定；唐禮忠等［11］、黃維新等［12］將微震監(jiān)測技術應用于冬瓜山礦區(qū)井下震動監(jiān)測，分析了定位精度和系統(tǒng)靈敏度，實現了礦山安全管理。為了將微震監(jiān)測和數據分析結果更好地服務于礦山動力災害的預測預警，張海明等［13］基于微震監(jiān)測技術實現了巖爆危險區(qū)域預報、采場安全等級劃分、斷層突水預測；馮曉東等［14］根據微震監(jiān)測的前兆信息，對礦柱張性裂紋產生進行了成功預警；Luo等［15］利用微震監(jiān)測技術建立了損傷巖體的多場耦合模型，并利用該模型對采場巖體失穩(wěn)進行了預測。

隨著科技的進步，微震監(jiān)測系統(tǒng)逐漸得到革新。早在20世紀50年代，第一代地震儀（模擬光點記錄地震儀器）被應用于工程地質勘探工作中；20世紀60年代初，模擬光點記錄地震儀器被模擬磁帶記錄地震儀取代；20世紀70年代初，科技發(fā)展進入數字化時代，集中控制式數字磁帶地震儀器也隨之產生；20世紀70年代中期，遙測地震儀開始問世，并廣泛應用于實際工程中［16］。傳統(tǒng)的微震監(jiān)測技術和微震監(jiān)測系統(tǒng)能在一定程度上實現礦山微震活動監(jiān)測，并得到有效的微震信號。然而，傳統(tǒng)的微震監(jiān)測系統(tǒng)一方面監(jiān)測范圍有限，不能針對大范圍的區(qū)域進行有效監(jiān)測，且無法適用于復雜的地質構造區(qū)域；另一方面，傳統(tǒng)的微震監(jiān)測系統(tǒng)不能實現全自動的信號處理和解釋，需要人工操作完成，導致分析結果受人為因素影響而產生誤差，且人工處理效率低，質量差。KJ549微震監(jiān)測系統(tǒng)在傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)技術特征的基礎上進行了大量改進，克服了傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)的技術弊端，實現了大范圍、高精度、全自動的技術革新。

本研究基于KJ549微震監(jiān)測系統(tǒng)對山東某金礦19中段（-590 m）和20中段（-630 m）進行了礦山微震實時連續(xù)監(jiān)測，實現了礦山動力災害的有效預測預警。

1 微震監(jiān)測技術原理

微震監(jiān)測技術的基本原理是通過傳感器接收和采集由巖體破壞或者巖石破裂發(fā)射出的地震波信號，通過對地震波信號進行處理分析，從而得到礦震發(fā)生的位置、震級大小、能量、地震矩等信息，并根據反饋信息實現礦山災害的預測預警［17］。

1.1 層析成像的全波自動定位

KJ549微震監(jiān)測系統(tǒng)基于層析成像方法實現了全波自動定位，提高了定位速度和精度。假設震源傳播速度為平均速度v，以球面波（縱波或橫波）的形式向外擴散，則在以微地震震源為球心的球坐標系(r,θ,?)中，各向同性均勻介質中的地震波波場與緯度θ和經度?無關。在球坐標系時空域(r,t)中，描述微地震波傳播規(guī)律的標量波動方程及其通解為

式中，r為震源與檢波器之間的距離，m；t為地震波的旅行時；f(0,t)為在傳播距離為r=0處的地震波，即震源函數；f(r,t)為在傳播距離為r處的地震波。

根據層析成像理論及其自動定位方法［18］，利用震源層析成像自動定位的最大能量準則定位判據，可以確定最大能量值對應的慢度時間信號（稱為ps道信號），最大能量值A(ps,t)可以表示為

式中，xi,yi,zi分別表示第i個檢波器的三維坐標；xs,ys,zs為第s個檢波器的三維坐標。

分析式（1）、式（2）可得，ps道信號與震源函數之間的關系為

由于埋置于地下巖層中的檢波器數據量有限，且在空間上是離散分布的，因此式（3）的離散型表達式為

式中，ri為第i個檢波器與震源之間的距離，m；N為檢波器數量，為1～12。

綜合上述公式推導過程，可得震源函數的計算公式為

式中，α(r)為幾何擴散能量補償因子。

1.2 微震輻射能量求取

假設在各向同性均勻無限彈性介質中有一點從震源發(fā)出的球面波，并以震源為原點的球坐標系表示。質點沿著徑向方向震動，并且在震動過程中沿著徑向方向傳播，質點震動的位移函數為u(t-r/v)，則能流密度I與波的傳播方向一致，大小為［19］

式中，σr為質點剪切應力，可表示為

式中，u為剪切模量；λ為拉梅常數；θ為質點傳播方向與水平方向的夾角，（°）。

令v2=(λ+2u)/ρ（ρ為介質密度，v為地震波傳播速度），則：

于是，能流密度計算公式可表示為

令t'=t-r/v，質點震動速率函數，于是，能流密度公式為

因此，微地震事件的震源有效輻射能量E可進行如下計算：

式中，f(t')為震源震動速度函數。

2 微震監(jiān)測系統(tǒng)構建

2.1 系統(tǒng)簡介

KJ549微震監(jiān)測系統(tǒng)由檢波器、數據采集站、數據傳輸站、中央控制記錄系統(tǒng)和微震數據處理工作站組成，如圖1所示。該系統(tǒng)被廣泛應用于煤礦沖擊地壓、煤與瓦斯突出、底板突水、頂板潰水、掘進與開挖、地質異常體、采空區(qū)等的監(jiān)測和預警［20］；非煤礦山中的巖爆、邊坡、透水監(jiān)測和預警［13］；土木工程中的隧道地鐵開挖和運營、路塹、地下硐室、水電大壩、高速公路邊坡、高層建筑物等監(jiān)測和預警［21］；石油工程中的非常規(guī)油氣水壓致裂監(jiān)測、地下石油儲備庫監(jiān)測［22］；公共安全領域中的文物金庫防盜、邊防預警監(jiān)測等領域［23］。

該系統(tǒng)與傳統(tǒng)的微震監(jiān)測系統(tǒng)相比優(yōu)勢在于：①具有32位A/D轉換的高動態(tài)范圍和信號程控增益放大功能，確保弱震和強震信號均能被接收到；②提供標準定位方法、精細定位方法和無需預設波速的人機交互可視化震源定位功能；③基于衛(wèi)星布陣平衡理論和層析成像技術，提高了微震事件的定位精度；④在信號去噪處理方面，采用了多頻段分級去噪，保證了有效信號得以保留和干擾信號得到濾除；⑤采集的微震信號質量較傳統(tǒng)微震監(jiān)測系統(tǒng)有較大提升，主要體現在采集硬件（采集卡）的升級，保證了信號的高品質；⑥能夠自動計算和分析震源位置與采區(qū)、工作面之間的距離關系，并能夠實現計算結果的多維展示。

2.2 系統(tǒng)安裝

圖2為KJ549硬件設備組成及其安裝連接示意圖，地面部分主要由數據記錄系統(tǒng)和數據處理兩部分構成。井下傳輸分站通過工業(yè)環(huán)網將礦山微震數據傳輸到地面系統(tǒng)，由中央控制記錄系統(tǒng)工控機儲存原始數據。若無地質異常現象，數據連續(xù)存儲于記錄系統(tǒng)工控機；一旦有地質異常現象，記錄系統(tǒng)工控機通過局域網（或網線）將異常信號傳輸到數據處理系統(tǒng)工作站，并由數據處理系統(tǒng)工作站對異常信號進行處理、分析，提取數據特征，判斷潛在危險性，并提出合理的避災減災措施。考慮到采集站通訊電纜接入口數量有限，KJ549微震監(jiān)測系統(tǒng)最多可接入12個檢波器。

礦用本安型檢波器安裝如圖3所示，圖中顯示了檢波器、萬向連接頭、錨桿、樹脂錨固劑、引線、鉆孔和墻體等組件。檢波器需確保垂直向上，與墻體平行安裝，為保證檢波器垂直安裝，錨桿與檢波器之間通過萬向連接頭過度，萬向連接頭可360°旋轉；錨桿長度為2.0 m，保證墻體外部留有15 cm以上長度，以便固定檢波器；鉆孔內部錨桿通過樹脂錨固劑與墻體固定，保證錨桿的錨固效果；檢波器引線需綁定編號標簽，以便區(qū)分檢波器編號，保證后期震源定位準確。礦用本安型檢波器安裝簡單，便于攜帶，且監(jiān)測有效區(qū)域較大，單個檢波器監(jiān)測范圍達200～1 000 m，有效克服了傳統(tǒng)檢波器存在的技術弊端。

2.3 臺網建立

本研究監(jiān)測在-590 m和-630 m水平中段共建立了1個微震數據采集站、1個微震數據傳輸站和12個檢波器的微震監(jiān)測系統(tǒng)。采集站和傳輸站布置于-630 m水平配電硐室，-590 m和-630 m兩個水平中段各布置6個檢波器。圖4中，采集站、傳輸站的具體布置位置為配電硐室，通過鐵架固定于墻體幫壁，設備技術特征和安裝流程符合《煤礦安全規(guī)程》［24］要求；接線盒用于連接檢波器引線和通訊電纜，形成完整通路，其余組件的安裝技術要求與上文所述的系統(tǒng)安裝要求一致。

圖5為-590 m水平和-630 m水平檢波器具體分布位置。-590 m水平中段檢波器編號為G1～G6，G1檢波器布置于-590 m水平34號線分巷，G2～G6檢波器沿-590 m水平運輸大巷依次排列；-630 m水平中段檢波器編號為G7～G12，G7檢波器布置于-630 m水平34號線分巷。由于-630 m水平18號線穿脈砌墻封堵，無法通行，因此G8～G12檢波器沿-630 m水平運輸大巷依次排列，G12檢波器布置于18號線穿脈。檢波器安裝技術要求為每兩個檢波器相距200 m，但實際施工過程中受井下環(huán)境及地質構造影響，部分檢波器安裝位置有所改動。12個檢波器構成了立體式監(jiān)測網絡，實現對整個待采區(qū)的全范圍、實時、連續(xù)監(jiān)測。

2.4 信號處理流程

微震信號處理分析由微震數據處理系統(tǒng)工作站完成，主要包括系統(tǒng)準備、微震數據載入、礦區(qū)CAD圖載入、微震時間序列分析和災害預警等環(huán)節(jié)。其中，微震時間序列分析包括時間—能量、時間—頻次分析；災害預警主要是通過輸出礦山巖石破裂圖和原巖應力場云圖，根據圖形顯示結果對監(jiān)測區(qū)域進行合理評估，并采取相應的預防措施。具體流程如圖6所示。

3 工程實例

3.1 工程背景

山東某金礦現主要采用上向水平分層進路充填采礦法，隨著礦山開采深度增加，地壓活動有所顯現，采場局部范圍發(fā)生巖體冒落的可能性增加。為了及時掌握采場頂板的冒落規(guī)律，監(jiān)測和預警井下生產作業(yè)區(qū)域地壓活動，以便及時采取有效措施預防人員、設備損傷事故發(fā)生，建立了地壓監(jiān)測系統(tǒng)進行監(jiān)測。根據該礦的地質及開采條件，圍繞礦井深部主礦體，本研究在-590 m和-630 m水平中段建立了一套現場實時、動態(tài)、自動監(jiān)測預警的多通道地壓管理監(jiān)測系統(tǒng)。

3.2 微震數據分析

數據分析主要由微震數據處理系統(tǒng)工作站完成。記錄系統(tǒng)工控機連續(xù)顯示、存儲數據的過程中，一旦有異常信號，異常信號將由網線傳入微震數據處理系統(tǒng)進行精細化處理分析。微震數據載入處理系統(tǒng)后，導入礦區(qū)CAD圖，通過微震空間分析直觀呈現監(jiān)測區(qū)域內的微震事件空間分布位置，獲得震源的集中分布區(qū)域，如圖7所示。圖7中顯示了-590 m和-630 m兩個水平中段巷道平面布置、檢波器坐標和微震事件空間分布情況（圓圈表示）。其中，微震事件定位點中的數字表示定位點產生的先后順序，圓圈形狀大小表示微震事件的能量大小，顏色表示震級大小，方塊表示檢波器。

由圖7可知：在2019-09-01—2019-09-21有效監(jiān)測時段內，去除由放炮、行車等采礦作業(yè)觸發(fā)的微震信號和其他干擾信號后，共監(jiān)測到614個有效微震事件；微震事件分布于整個監(jiān)測區(qū)域，且有多個集中區(qū)域；本次監(jiān)測微震事件主要分布于-800～-500 m深度范圍內，屬于有效的監(jiān)測范圍。

微震數據和礦區(qū)信息載入后開始對微震數據展開分析，通過震源時間序列分析可以得到震源隨時間的變化規(guī)律（在一定程度上反應震源能量的變化規(guī)律），可以推斷發(fā)生前后微地震事件的顯現規(guī)律。本研究以時間為主線，從微震事件能量、微震頻次和應力分布等多方面深入分析礦山微震的活動規(guī)律。

為直觀分析有效監(jiān)測時間段內微震事件的能量變化特征，對能量值取對數（以10為底）后繪制了如圖8所示的時間—能量直方圖。由圖8可知，微震能量對數值整體位于0～5范圍內，2019-09-02為最大值，能量值達到6，最小能量值為-0.2（2019-09-19），整體能量變化波動較小，表明采場活動無較大變動，每日現場作業(yè)基本保持一致。圖中顯示每日微震能量的變化趨勢均為先增大，后減小，最后有一段時間幾乎為0。這是由于礦山作業(yè)制度為“三八制”，早班采場作業(yè)活動強度大，包括采礦、爆破、拉底、掘進和行車運輸等作業(yè)活動，微震能量變化進入“高峰期”；中班無復雜作業(yè)活動，主要包括采礦、掘進和行車運輸等，微震能量變化進入“低峰期”；晚班主要為作業(yè)檢修班，該時段無作業(yè)活動，微震能量變化進入“平靜期”。由此可見：微震能量的變化趨勢與礦山作業(yè)活動密切相關，作業(yè)形式和作業(yè)地點直接影響了微震能量的分布范圍和變化趨勢。

圖9為微震時間—頻次分布直方圖，圖中顯示了震動次數隨時間的變化特征。由圖9可知：監(jiān)測期內，每日震動次數整體維持在0～20，有部分日期超過20，2019-09-02達到最大值，震動次數為37，最小震動次數為4（2019-09-14）。整體震動次數變化波動較大，月初震動次數突增突降交替變化，月中震動次數變化波動相對平緩，月末震動次數基本保持不變，平穩(wěn)變化。由此可見：震動次數的變化與采礦作業(yè)的深入推進有直接關系，月初作業(yè)頻繁，震動次數波動較大，隨著時間推移，作業(yè)活動逐漸減少，震動次數也逐漸趨于穩(wěn)定。

本研究微震監(jiān)測數據存儲與數據分析過程由中央控制記錄系統(tǒng)工控機和微震數據處理系統(tǒng)工作站自動完成，無需人為參與計算，用戶只需根據實際情況和個人需求按系統(tǒng)操作流程逐步進行即可。

3.3 微震活動特征展示

基于微震事件處理、分析結果，微震監(jiān)測系統(tǒng)可以繪制巖石破裂圖和應力場分布云圖，從多方面展示微震活動特征，進一步確定微震事件空間分布特征和微震事件集中區(qū)域，為實現礦山動力災害的預測預警提供可靠依據。

圖10為巖石破裂分布圖，破裂圖能直觀地體現高危險潛伏區(qū)和危險程度。由圖10可知：破裂分布于整個監(jiān)測區(qū)域，10號線穿脈及以下和運輸大巷34號線西穿脈及以上較為集中，因此，這兩個區(qū)域危險程度最高，應作為重點防護區(qū)域，其他區(qū)域也應引起足夠重視。

圖11為原巖應力場分布云圖。由圖11可知：應力場分布主要集中于4個區(qū)域，分別為10號線穿脈及以下到14號線穿脈、16號線西穿脈到34號線西穿脈及以上、運輸大巷28號線穿脈到34號線穿脈和34號線穿脈西側以下區(qū)域。應力場集中區(qū)域反映了該區(qū)域礦山作業(yè)活動頻繁，導致區(qū)域范圍內微震活動劇烈，應力分布集中，巖體破壞變形嚴重，礦山動力災害發(fā)生概率較高。應力場分布集中區(qū)域與微震事件集中區(qū)域、破裂分布集中區(qū)域基本吻合，均反映了高危險潛伏區(qū)域。針對高危險潛伏區(qū)域應加大管理力度，采取相應的治理措施，避免災害發(fā)生。

3.4 微震活動規(guī)律解釋

根據礦方提供的礦山作業(yè)活動區(qū)域和活動時間（圖12）可知，在監(jiān)測時間段內，監(jiān)測范圍內有采礦、爆破、拉底、行車運輸等礦山作業(yè)活動。由微震事件分布平面圖（圖13）可直觀地體現多個微震事件集中區(qū)域。結合圖12和圖13可以對微震事件活動規(guī)律進行合理解釋：①微震事件集中區(qū)域1位于10號線穿脈及以下到14號線穿脈之間，該區(qū)域在監(jiān)測期內為采礦區(qū)，受采礦作業(yè)影響，該區(qū)域有較多的微震事件；②微震事件集中區(qū)域2位于24號線穿脈到30號線穿脈之間，該區(qū)域對應圖12中2019-08-03—2019-08-29采礦區(qū)域和行車運輸區(qū)域，同樣受采礦作業(yè)和行車運輸影響，該區(qū)域微震事件較集中；③微震事件集中區(qū)域3位于32號線到34號線及以上之間，該區(qū)域有多種礦山作業(yè)活動，包括采掘爆破、拉底、采礦和行車運輸，因此，該區(qū)域同樣有較多的微震事件產生；④微震事件集中區(qū)域4位于19號中段34號線3號和4號礦石溜井周圍，該區(qū)域受放礦、行車等作業(yè)活動的影響，形成微震事件集中區(qū)域。

3.5 災害預警

基于微震數據分析結果、微震活動特征展示和微震活動解釋結果，確定了該金礦的高危險潛伏區(qū)域和礦山作業(yè)活動與微震活動規(guī)律的直接關系，實現了礦山動力災害的預測預警，并提出了合理的應對措施。該礦10號線西穿脈到34號線西穿脈范圍內有4個高危險潛在區(qū)域，這些區(qū)域應作為重點關注區(qū)域，投入大量的人力物力，避免事故發(fā)生。礦山技術人員應加強對-590 m和-630 m中段之間微震事件集中區(qū)域、破裂嚴重區(qū)域、應力場集中區(qū)域、變形較大區(qū)域等潛在危險區(qū)域的監(jiān)測和現場巡查，加強現場施工管理，嚴格遵守安全作業(yè)規(guī)程，提高安全意識，若發(fā)現巖體變形、片幫等異常現象，應及時采取加強支護等措施。

4 結 論

（1）KJ549微震監(jiān)測系統(tǒng)具有良好的定位功能，精度高、功耗低、調試簡單；具有快速傳輸和計算功能，各路信號具備實時、同步、連續(xù)、動態(tài)滾動顯示完全波形的功能；能夠完整保存采集和分析數據，具有數據、圖像的顯示和輸出功能；此外，該系統(tǒng)安裝、維護簡單。

（2）以山東某金礦為研究對象，進行了系統(tǒng)現場安裝、優(yōu)化設計、應用研究，認為KJ549微震監(jiān)測系統(tǒng)能有效應用于金屬礦山地壓活動監(jiān)測，其各組件技術特征可達到預定的監(jiān)測精度要求，為該礦井建立了有效的地壓監(jiān)測系統(tǒng)。確定了該礦10號線西穿脈到34號線西穿脈范圍內有4個高危險潛在區(qū)域，這些區(qū)域應作為重點關注區(qū)域。

（3）根據本研究地壓監(jiān)測分析結果，礦山技術人員應加強對-590 m和-630 m中段之間采場的現場巡查；重點注意爆破之后應力重新分布過程中爆破區(qū)域內巖體的穩(wěn)定性，及時清理采場頂板浮石，保障作業(yè)安全；加強現場施工管理，嚴格遵守安全作業(yè)規(guī)程，提高安全意識，若發(fā)現巖體變形、片幫等異常現象，應及時采取加強支護等措施。

（4）隨著礦山開采深度日愈增加，地壓活動規(guī)律愈加復雜化，對監(jiān)測技術和監(jiān)測設備的要求也越來越高。對KJ549微震監(jiān)測系統(tǒng)升級優(yōu)化，可進一步推廣應用于復雜地質構造、不同開采區(qū)域，對于確保礦井安全生產將會發(fā)揮更大的作用。