微震監(jiān)測(cè)技術(shù)在礦產(chǎn)采空區(qū)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

朱為民

（新余良山礦業(yè)有限責(zé)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(dòng)顯現(xiàn)越來(lái)越頻繁，根據(jù)要求應(yīng)開(kāi)展地壓監(jiān)測(cè)研究工作，建立相應(yīng)的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，提高井下采空區(qū)地壓監(jiān)測(cè)管控能力。當(dāng)前我國(guó)礦山領(lǐng)域里應(yīng)用較多的是地壓監(jiān)測(cè)技術(shù)基本分為兩類(lèi)，一類(lèi)是以應(yīng)力計(jì)、位移計(jì)、收斂計(jì)等為主的點(diǎn)監(jiān)測(cè)技術(shù)手段；另一類(lèi)是以微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、聲發(fā)射系統(tǒng)為主的大范圍地壓監(jiān)測(cè)技術(shù)。常規(guī)地壓監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展較早，監(jiān)測(cè)結(jié)果也比較直觀，但是監(jiān)測(cè)信息較為單一，監(jiān)測(cè)范圍較小不適合大范圍進(jìn)行地壓活動(dòng)監(jiān)測(cè)[1-3]。微震監(jiān)測(cè)技術(shù)具有大范圍區(qū)域監(jiān)測(cè)、傳感器非接觸式安裝、能夠獲取巖體內(nèi)部破壞物理信息等特點(diǎn)，其技術(shù)原理是礦山的地壓災(zāi)害的發(fā)生往往是一個(gè)巖石不斷破裂累積的過(guò)程，當(dāng)巖石或節(jié)理斷層受到外界的應(yīng)力擾動(dòng)作用出現(xiàn)了微破裂，微破裂事件慢慢積累并貫通，進(jìn)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(dòng)波的形式向四周傳播能量，通過(guò)在巖石破裂區(qū)周?chē)贾谜駝?dòng)信號(hào)檢波器，檢測(cè)巖石彈性波到時(shí)和能量等相關(guān)地震學(xué)參數(shù)，通過(guò)震源定位算法計(jì)算出巖石破裂源的發(fā)生位置、發(fā)生時(shí)刻、震級(jí)等參數(shù)，進(jìn)而可以定量評(píng)價(jià)地壓活動(dòng)現(xiàn)狀和演化趨。

1 地壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

（1）信號(hào)檢測(cè)與分類(lèi)。微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)其基本原理就是傳感器檢測(cè)周?chē)h(huán)境的振動(dòng)信號(hào)，并進(jìn)行相關(guān)計(jì)算處理，然而振動(dòng)信號(hào)則包含種類(lèi)較多，如微震事件信號(hào)、爆破事件信號(hào)、機(jī)械振動(dòng)信號(hào)、溜井放礦等信號(hào)。為了準(zhǔn)確的分析巖石破裂的活動(dòng)情況，需要剔除非微震信號(hào)的干擾，但是目前微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)尚不能進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別微震信號(hào)，需要人工識(shí)別信號(hào)，并進(jìn)行分類(lèi)，主流的做法是進(jìn)行典型信號(hào)的分類(lèi)，給數(shù)據(jù)處理人員提供一個(gè)指導(dǎo)依據(jù)。

信號(hào)分類(lèi)的依據(jù)是波形特征和信號(hào)頻譜特征，信號(hào)特征歸納方法是：首先選取礦山特定時(shí)間的爆破信號(hào)進(jìn)行特征總結(jié)，如采場(chǎng)爆破、掘進(jìn)爆破、點(diǎn)炮，其次根據(jù)排除法濾掉爆破和噪聲事件，同時(shí)可以輔助波形的聲音特征識(shí)別微震事件，最后歸納微震事件信號(hào)的波形特征和頻譜特征。

（2）事件定位精度分析。微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的定位精度是影響微震監(jiān)測(cè)應(yīng)用的一個(gè)重要因素，不同的工程環(huán)境對(duì)定位精度要求是不同的，同時(shí)一個(gè)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的定位精度是一個(gè)動(dòng)態(tài)值，并不是固定的，因此不能將一個(gè)微震監(jiān)測(cè)產(chǎn)品或者微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的定位精度為一個(gè)固定值。

圖1 定位誤差分布等值線(xiàn)圖

某鐵礦總體監(jiān)測(cè)目標(biāo)區(qū)域內(nèi)定位誤差較小，滿(mǎn)足要求，但是對(duì)周邊區(qū)域的輻射較小，這是由于微震監(jiān)測(cè)點(diǎn)過(guò)少造成的，一期只投入了8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，而且覆蓋區(qū)域較大，兩個(gè)中段之間的距離達(dá)到了300m～400m，因而影響了最終的定位效果，不過(guò)爆破事件定位還是相對(duì)準(zhǔn)確的，特別是+40～+85分段之間具有明顯的聚集和運(yùn)動(dòng)軌跡，表現(xiàn)系統(tǒng)定位效果較好，某鐵礦微震監(jiān)測(cè)定位誤差分布等值線(xiàn)見(jiàn)圖1。

（3）監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)合理性分析。一期微震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)一共設(shè)計(jì)了8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中+85m分段5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，水平間距100m，+40m分段3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平間距100m；+85m分段和+40m分段監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距為210m左右，因而設(shè)計(jì)的微震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)網(wǎng)格尺寸為100m＊210m。微震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)布置。

將系統(tǒng)所有的事件震級(jí)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)檢測(cè)到事件矩震級(jí)分布范圍為-2.05～+0.61之間，而礦山微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要求可以覆蓋-3～+3.0之間的微震事件，當(dāng)然這取決于系統(tǒng)監(jiān)測(cè)目標(biāo)和礦山實(shí)際生產(chǎn)情況，某鐵礦地壓監(jiān)測(cè)目標(biāo)在于監(jiān)測(cè)到頂板冒頂事故及其前后地壓變化情況，從目前的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看可以基本滿(mǎn)足從微破裂到宏觀破裂的全過(guò)程監(jiān)測(cè)，但是對(duì)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(lái)看，目前爆破事件和溜井放礦振動(dòng)事件定位精度效果很好，在臺(tái)網(wǎng)包絡(luò)范圍之內(nèi)基本可以準(zhǔn)確的定位到震源發(fā)生位置定位誤差可以控制到10m以?xún)?nèi)。

2 微震數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析與地壓活動(dòng)規(guī)律研究

描述一個(gè)微震事件或者事件群需要5個(gè)獨(dú)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(shí)刻、事件的地震矩、事件的能量。

（1）微震事件活動(dòng)率分析。微震事件活動(dòng)率表征了地壓變化的活動(dòng)水平，是衡量地壓變化的主要指標(biāo)之一，微震事件活動(dòng)率大小與圍巖性質(zhì)、地應(yīng)力、斷層、爆破、充填和支護(hù)等因素有關(guān)，其中爆破開(kāi)挖擾動(dòng)、圍巖性質(zhì)和地應(yīng)力尤為關(guān)鍵，考慮到某鐵礦圍巖為堅(jiān)硬類(lèi)巖石，性質(zhì)較為穩(wěn)定且節(jié)理裂隙不發(fā)育，同時(shí)礦山開(kāi)采水平埋深較淺地應(yīng)力不大，因而爆破開(kāi)挖擾動(dòng)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(huì)議參會(huì)代表包括來(lái)自法國(guó)、意大利、美國(guó)、中國(guó)等28個(gè)國(guó)家和地區(qū)的112位數(shù)學(xué)史與數(shù)學(xué)教育專(zhuān)家、學(xué)者，以及中小學(xué)數(shù)學(xué)教師，具體國(guó)家和地區(qū)分布如圖1所示．會(huì)議共設(shè)大會(huì)報(bào)告6場(chǎng)，大會(huì)專(zhuān)題討論一場(chǎng)，兩小時(shí)工作坊8場(chǎng)，1.5小時(shí)工作坊12場(chǎng)，30分鐘口頭報(bào)告50場(chǎng)，15分鐘簡(jiǎn)短口頭報(bào)告兩場(chǎng)及展覽會(huì)一場(chǎng)．

通過(guò)大概9個(gè)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(guò)圖表的形式直觀反映微震事件活動(dòng)率變化情況，以及與爆破活動(dòng)率之間的對(duì)比。

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

爆破事件的活動(dòng)率分布情況，其中3月和7月最多大于400個(gè)，1月和5月其次大于200個(gè)，其它月份小于150個(gè)。與微震活動(dòng)率相對(duì)照，爆破活動(dòng)率高的月份微震事件活動(dòng)率也高，雖然不是完全的正相關(guān)但是基本一致，表明爆破活動(dòng)是誘導(dǎo)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(zhì)因素、采空區(qū)和斷層等因素對(duì)微震事件產(chǎn)生的影響，為了體現(xiàn)相關(guān)空間位置關(guān)系，通過(guò)建立空間過(guò)濾體進(jìn)行事件過(guò)濾，可以看出1#采場(chǎng)、2#采場(chǎng)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(chǎng)微震事件主要分布在+40m分段附近，這與臺(tái)網(wǎng)控制范圍有關(guān)。

其中主要的爆破活動(dòng)發(fā)生在1#、2#采場(chǎng)，同時(shí)此處微震事件也較多，同時(shí)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(shuō)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(nèi)因。

其次充填采空區(qū)微震事件隨著充填活動(dòng)轉(zhuǎn)移而轉(zhuǎn)移，表明充填過(guò)程中對(duì)附近的圍巖產(chǎn)生了一定的擾動(dòng)從而發(fā)生微震事件，不過(guò)整體活動(dòng)率較低，且充填結(jié)束后就比較穩(wěn)定了。

3 微震事件強(qiáng)度特征參數(shù)分析

（1）應(yīng)力云。從云圖可以看到微震事件視應(yīng)力變化較大區(qū)域?yàn)?#采場(chǎng)、2#采場(chǎng)主溜井附近，主運(yùn)輸斜坡道附近、采場(chǎng)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(yīng)力峰值為0.462Mpa，屬于較小的視應(yīng)力，表明區(qū)域整體應(yīng)力水平變化不大，預(yù)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(lèi)比于巖石應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)的斜率，當(dāng)d值增大時(shí)表明區(qū)域內(nèi)巖體處于硬化階段當(dāng)d值減小時(shí)表明區(qū)域內(nèi)巖體處于軟化階段，軟化階段則表明巖體內(nèi)部出現(xiàn)了破壞并進(jìn)行了能量釋放。

通過(guò)對(duì)2018.12～2019.7每個(gè)月的微震事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(nèi)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(chǎn)停電事件數(shù)量很少，相對(duì)數(shù)值偏小。根據(jù)監(jiān)測(cè)到的微震事件擬合的d值見(jiàn)表1。

表1 d值統(tǒng)計(jì)表

（3）累計(jì)視體積和能量指數(shù)。能量指數(shù)和累計(jì)視體積反映了巖體受開(kāi)挖影響內(nèi)部能量存儲(chǔ)與釋放調(diào)整的周期性規(guī)律，當(dāng)能量指數(shù)突然下降累計(jì)視體積突然上升時(shí)，表明未來(lái)一段時(shí)間會(huì)發(fā)生較大震級(jí)的事件，地壓風(fēng)險(xiǎn)增加。

4 結(jié)論

（1）某鐵礦微震監(jiān)測(cè)通過(guò)長(zhǎng)期觀察總結(jié)可以通過(guò)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(dòng)事件和其它噪聲事件；

（2）一期監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)當(dāng)前基本滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)地壓活動(dòng)監(jiān)測(cè)需求，系統(tǒng)定位精度較高，包絡(luò)區(qū)內(nèi)可以控制在10m以?xún)?nèi)，二期系統(tǒng)擴(kuò)展建議降低水平間距和垂直間距可以進(jìn)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(nèi)因，其次充填采空區(qū)微震事件隨著充填活動(dòng)轉(zhuǎn)移而轉(zhuǎn)移，表明充填過(guò)程中對(duì)附近的圍巖產(chǎn)生了一定的擾動(dòng)從而發(fā)生微震事件，不過(guò)整體活動(dòng)率較低，且充填結(jié)束后就比較穩(wěn)定；

（4）監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)圍巖整體穩(wěn)定性高，抵抗風(fēng)險(xiǎn)能力強(qiáng)，應(yīng)力明顯變化區(qū)域較少，地壓活動(dòng)波動(dòng)不頻繁；

（5）通過(guò)對(duì)微震事件“時(shí)、空、強(qiáng)”三要素的充分分析，研究得到某鐵礦深部地壓活動(dòng)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(shí)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。