微震監(jiān)測技術在礦產采空區(qū)監(jiān)測中的應用

朱為民

（新余良山礦業(yè)有限責任公司，江西 新余338000）

隨著地下礦山特別是深部礦層采掘深度不斷的往下延伸，地壓活動顯現(xiàn)越來越頻繁，根據(jù)要求應開展地壓監(jiān)測研究工作，建立相應的監(jiān)測網絡系統(tǒng)，提高井下采空區(qū)地壓監(jiān)測管控能力。當前我國礦山領域里應用較多的是地壓監(jiān)測技術基本分為兩類，一類是以應力計、位移計、收斂計等為主的點監(jiān)測技術手段；另一類是以微震監(jiān)測系統(tǒng)、聲發(fā)射系統(tǒng)為主的大范圍地壓監(jiān)測技術。常規(guī)地壓監(jiān)測技術發(fā)展較早，監(jiān)測結果也比較直觀，但是監(jiān)測信息較為單一，監(jiān)測范圍較小不適合大范圍進行地壓活動監(jiān)測[1-3]。微震監(jiān)測技術具有大范圍區(qū)域監(jiān)測、傳感器非接觸式安裝、能夠獲取巖體內部破壞物理信息等特點，其技術原理是礦山的地壓災害的發(fā)生往往是一個巖石不斷破裂累積的過程，當巖石或節(jié)理斷層受到外界的應力擾動作用出現(xiàn)了微破裂，微破裂事件慢慢積累并貫通，進而出現(xiàn)了更大尺度的破裂，最終巖石出現(xiàn)了宏觀破壞，以巖石冒頂片幫、頂板垮塌、礦柱失穩(wěn)、地表沉陷等形式出現(xiàn)，而巖石破裂則以振動波的形式向四周傳播能量，通過在巖石破裂區(qū)周圍布置振動信號檢波器，檢測巖石彈性波到時和能量等相關地震學參數(shù)，通過震源定位算法計算出巖石破裂源的發(fā)生位置、發(fā)生時刻、震級等參數(shù)，進而可以定量評價地壓活動現(xiàn)狀和演化趨。

1 地壓監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

（1）信號檢測與分類。微震監(jiān)測系統(tǒng)其基本原理就是傳感器檢測周圍環(huán)境的振動信號，并進行相關計算處理，然而振動信號則包含種類較多，如微震事件信號、爆破事件信號、機械振動信號、溜井放礦等信號。為了準確的分析巖石破裂的活動情況，需要剔除非微震信號的干擾，但是目前微震監(jiān)測系統(tǒng)尚不能進行自動識別微震信號，需要人工識別信號，并進行分類，主流的做法是進行典型信號的分類，給數(shù)據(jù)處理人員提供一個指導依據(jù)。

信號分類的依據(jù)是波形特征和信號頻譜特征，信號特征歸納方法是：首先選取礦山特定時間的爆破信號進行特征總結，如采場爆破、掘進爆破、點炮，其次根據(jù)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。

（2）事件定位精度分析。微震監(jiān)測系統(tǒng)的定位精度是影響微震監(jiān)測應用的一個重要因素，不同的工程環(huán)境對定位精度要求是不同的，同時一個微震監(jiān)測系統(tǒng)的定位精度是一個動態(tài)值，并不是固定的，因此不能將一個微震監(jiān)測產品或者微震監(jiān)測系統(tǒng)的定位精度為一個固定值。

圖1 定位誤差分布等值線圖

某鐵礦總體監(jiān)測目標區(qū)域內定位誤差較小，滿足要求，但是對周邊區(qū)域的輻射較小，這是由于微震監(jiān)測點過少造成的，一期只投入了8個監(jiān)測點，而且覆蓋區(qū)域較大，兩個中段之間的距離達到了300m～400m，因而影響了最終的定位效果，不過爆破事件定位還是相對準確的，特別是+40～+85分段之間具有明顯的聚集和運動軌跡，表現(xiàn)系統(tǒng)定位效果較好，某鐵礦微震監(jiān)測定位誤差分布等值線見圖1。

（3）監(jiān)測臺網合理性分析。一期微震監(jiān)測臺網一共設計了8個監(jiān)測點，其中+85m分段5個監(jiān)測點，水平間距100m，+40m分段3個監(jiān)測點水平間距100m；+85m分段和+40m分段監(jiān)測點間距為210m左右，因而設計的微震監(jiān)測臺網網格尺寸為100m＊210m。微震監(jiān)測臺網布置。

將系統(tǒng)所有的事件震級進行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)檢測到事件矩震級分布范圍為-2.05～+0.61之間，而礦山微震監(jiān)測系統(tǒng)要求可以覆蓋-3～+3.0之間的微震事件，當然這取決于系統(tǒng)監(jiān)測目標和礦山實際生產情況，某鐵礦地壓監(jiān)測目標在于監(jiān)測到頂板冒頂事故及其前后地壓變化情況，從目前的監(jiān)測數(shù)據(jù)來看可以基本滿足從微破裂到宏觀破裂的全過程監(jiān)測，但是對于弱小的破裂事件捕捉數(shù)量不夠豐富。

此外從系統(tǒng)定位精度來看，目前爆破事件和溜井放礦振動事件定位精度效果很好，在臺網包絡范圍之內基本可以準確的定位到震源發(fā)生位置定位誤差可以控制到10m以內。

2 微震數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析與地壓活動規(guī)律研究

描述一個微震事件或者事件群需要5個獨立的的震源參數(shù)（x、y、z、t、M、E），即是微震事件發(fā)生的位置、發(fā)生的時刻、事件的地震矩、事件的能量。

（1）微震事件活動率分析。微震事件活動率表征了地壓變化的活動水平，是衡量地壓變化的主要指標之一，微震事件活動率大小與圍巖性質、地應力、斷層、爆破、充填和支護等因素有關，其中爆破開挖擾動、圍巖性質和地應力尤為關鍵，考慮到某鐵礦圍巖為堅硬類巖石，性質較為穩(wěn)定且節(jié)理裂隙不發(fā)育，同時礦山開采水平埋深較淺地應力不大，因而爆破開挖擾動引起斷層節(jié)理次生破壞是微震事件發(fā)生的主要原因。

該屆會議參會代表包括來自法國、意大利、美國、中國等28個國家和地區(qū)的112位數(shù)學史與數(shù)學教育專家、學者，以及中小學數(shù)學教師，具體國家和地區(qū)分布如圖1所示．會議共設大會報告6場，大會專題討論一場，兩小時工作坊8場，1.5小時工作坊12場，30分鐘口頭報告50場，15分鐘簡短口頭報告兩場及展覽會一場．

通過大概9個月的數(shù)據(jù)處理與分析，系統(tǒng)收集到了較為完善和豐富的微震數(shù)據(jù)，可以通過圖表的形式直觀反映微震事件活動率變化情況，以及與爆破活動率之間的對比。

可以看出微震事件1月份和5月份最多大于60個，其次是3月、6月和7月大于30個，其它月份微震事件數(shù)量少于20個，其中5月份向礦山發(fā)出過預警通知，同時得到了驗證，這表明月均發(fā)生微震事件超過60個則是危險的，超過30個則是比較危險，小于20個則是表明地壓活動比較穩(wěn)定。

爆破事件的活動率分布情況，其中3月和7月最多大于400個，1月和5月其次大于200個，其它月份小于150個。與微震活動率相對照，爆破活動率高的月份微震事件活動率也高，雖然不是完全的正相關但是基本一致，表明爆破活動是誘導微震事件發(fā)生主要外因。

（2）微震事件空間分布規(guī)律分析。微震事件空間分布規(guī)律可以體現(xiàn)為局部地質因素、采空區(qū)和斷層等因素對微震事件產生的影響，為了體現(xiàn)相關空間位置關系，通過建立空間過濾體進行事件過濾，可以看出1#采場、2#采場微震事件最多、+85m分段以上采空區(qū)也出現(xiàn)了較多微震事件，+40m到-5m分段采場微震事件主要分布在+40m分段附近，這與臺網控制范圍有關。

其中主要的爆破活動發(fā)生在1#、2#采場，同時此處微震事件也較多，同時比較微震事件和爆破事件分布情況，發(fā)現(xiàn)大部分爆破事件分布區(qū)域微震事件分布較少，而爆破事件與微震事件重合區(qū)域則是出現(xiàn)了巖石冒頂?shù)膮^(qū)域，這說明爆破事件雖然是微震事件發(fā)生的外因，但是局部巖性和節(jié)理情況則是微震事件發(fā)生的內因。

其次充填采空區(qū)微震事件隨著充填活動轉移而轉移，表明充填過程中對附近的圍巖產生了一定的擾動從而發(fā)生微震事件，不過整體活動率較低，且充填結束后就比較穩(wěn)定了。

3 微震事件強度特征參數(shù)分析

（1）應力云。從云圖可以看到微震事件視應力變化較大區(qū)域為1#采場、2#采場主溜井附近，主運輸斜坡道附近、采場連接處，充填采空區(qū)區(qū)域，這與微震事件發(fā)生位置基本重合，其中應力峰值為0.462Mpa，屬于較小的視應力，表明區(qū)域整體應力水平變化不大，預留的礦柱可穩(wěn)定的支撐頂板圍巖。

其中E表示事件能量，M表示事件地震矩，d值表征巖體系統(tǒng)勁度或剛度值，可類比于巖石應力應變曲線的斜率，當d值增大時表明區(qū)域內巖體處于硬化階段當d值減小時表明區(qū)域內巖體處于軟化階段，軟化階段則表明巖體內部出現(xiàn)了破壞并進行了能量釋放。

通過對2018.12～2019.7每個月的微震事件進行統(tǒng)計擬合發(fā)現(xiàn)，只有2月份d值小于1，其它月份d值大于1，其中1月份d值小于于1.5，其它月份均大于1.5，這表明區(qū)域內圍巖處于彈性壓密階段，既巖石硬化階段，屬于穩(wěn)定階段。由于圖表的相似性只列舉2018年12月份和2019年3月份。其中2月份由于停產停電事件數(shù)量很少，相對數(shù)值偏小。根據(jù)監(jiān)測到的微震事件擬合的d值見表1。

表1 d值統(tǒng)計表

（3）累計視體積和能量指數(shù)。能量指數(shù)和累計視體積反映了巖體受開挖影響內部能量存儲與釋放調整的周期性規(guī)律，當能量指數(shù)突然下降累計視體積突然上升時，表明未來一段時間會發(fā)生較大震級的事件，地壓風險增加。

4 結論

（1）某鐵礦微震監(jiān)測通過長期觀察總結可以通過波形特征、頻譜特征等方式區(qū)分爆破事件、微震事件、溜井放礦振動事件和其它噪聲事件；

（2）一期監(jiān)測臺網當前基本滿足現(xiàn)場地壓活動監(jiān)測需求，系統(tǒng)定位精度較高，包絡區(qū)內可以控制在10m以內，二期系統(tǒng)擴展建議降低水平間距和垂直間距可以進一步提高系統(tǒng)靈敏度和定位效果；

（3）爆破事件雖然是微震事件發(fā)生的外因但是局部巖性和節(jié)理情況則是微震事件發(fā)生的內因，其次充填采空區(qū)微震事件隨著充填活動轉移而轉移，表明充填過程中對附近的圍巖產生了一定的擾動從而發(fā)生微震事件，不過整體活動率較低，且充填結束后就比較穩(wěn)定；

（4）監(jiān)測區(qū)域內圍巖整體穩(wěn)定性高，抵抗風險能力強，應力明顯變化區(qū)域較少，地壓活動波動不頻繁；

（5）通過對微震事件“時、空、強”三要素的充分分析，研究得到某鐵礦深部地壓活動規(guī)律，其基本特征是頂板有斷層發(fā)育工作面較容易出現(xiàn)巖石冒落，同時出現(xiàn)地壓顯現(xiàn)工作面頂板暴露面積較大，礦柱間距較寬，并且伴隨爆破事件之后發(fā)生。