BMS微震監測系統在深部巖體穩定性監測中的應用

何玉龍 王棟毅 李海龍

摘要：隨著礦山開采逐漸往深部延伸，出現了輕微巖爆現象，生產區域內存在由巖爆誘發的礦柱失穩和頂板冒落的危險。根據三山島金礦深部礦體地質條件和圍巖實際地質情況，研制了新一代的BMS微震監測系統，構建了礦山預警系統。該系統能有效監測到采場礦柱失穩和頂板冒落的微弱振動信號，分析微震波形，監測巖爆的發生，為深部礦體安全開采提供依據。

關鍵詞：深部開采；巖體穩定性；巖爆；微震監測；波形分析

中圖分類號：TD32文章編號：1001-1277（2024）04-0005-04

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20240402

引 言

隨著對深部礦體的進一步開采，巖爆逐漸成為不可忽視的井下危險因素，由此帶來的礦柱失穩和頂板冒落也嚴重威脅到井下安全。巖爆是指對高應力區地下工程進行作業時，在開挖活動的擾動下，巖體原有應力被打破，導致其內部儲存的應變能突然釋放［1-3］，產生破壞。巖爆的發生常伴隨著巖體振動［4］。

采礦活動引起圍巖內應力的轉移和積聚，巖體在應力作用下發生破裂、產生振動并向四周傳播。檢波器監測到振動信號，并進行相關處理和分析，這就是微震監測系統的基本原理［5-7］。

巖體裂隙產生、發育和貫通等過程中始終伴隨著微震活動的產生，有效微震信號包含了大量可以表達巖體狀態變化的信息［8-11］。因此，通過監測巖體的微震信號，可以實現深部礦（巖）體區域穩定性的監測預警。

1 工程背景

山東黃金礦業（萊州）有限公司三山島金礦（下稱“三山島金礦”）是山東黃金集團有限公司的主體礦山之一，下設三山島金礦直屬礦區和新立礦區，是國內唯一海下開采的黃金礦山。新立礦區采用豎井加平巷開拓的點柱式上向分層充填采礦法進行開采，設計生產能力1 500 t/d，為適應市場經濟發展需要，三山島金礦對新立礦區實行強化開采，將生產能力從原來的1 500 t/d 擴大至6 000 t/d。

在高強度開采條件下，對礦體上盤巖體的擾動增加，礦區存在涌水、突水甚至海水潰入的潛在危險。此外，三山島金礦直屬礦區已經進入深部開采（采掘工程深度超過600 m），目前已經出現輕微巖爆現象，生產區域存在由巖爆誘發的礦柱失穩和頂板冒落的危險。而且，三山島金礦次級斷裂F3的活動及由此誘發的地面和井下危害日趨嚴重。因此，研制新一代微震監測系統保障海下采礦活動的安全已經成為礦山迫切需要解決的首要問題。

2 BMS微震監測系統

微震監測系統的結構總體分為集中式與分布式2種。分布式監測系統主要用于監測礦震，定位精度較低，適合采區尺度；集中式監測系統常用于監測礦震和巖層破裂，定位精度較高，適合采掘工程尺度。

由于海下金礦床開采需要高精度和大面積監測，因此，三山島金礦采取分布式監測系統與集中式監測系統相結合的方式，即區域間分布式、區內集中式的測區監測系統布置方式，定位精度可達10 m左右，滿足海下金礦床開采巖體破裂的監測預警要求。在此基礎上，研制了新一代BMS微震監測系統。

2.1 工作原理

BMS微震監測系統可以監測振動能力超過100 J、頻率為1～1 500 Hz及低于110 dB的振動事件，屬于高精度微震監測系統。

安置在測區內的檢波器接收振動信息，傳送至井下微震監測子站，將電訊號轉變為光訊號，經光纜傳送至微震監測主站，經由內部交換機再將光訊號傳送至地面工控機，在數據存儲及數據處理計算機完成微震事件的定位方向解析與多方向顯示。BMS微震監測系統結構及工作原理如圖1所示。

2.2 BMS微震監測系統功能

BMS微震監測系統配備HOSMON和TEROTREAT軟件，能夠監測井下微震事件并提供以下功能：

2024年第4期/第45卷礦業工程礦業工程黃 金

1）實時、連續、自動采集微震信號，記錄并進行各種濾波處理。

2）微震事件的自動備份。

3）自動定位微震事件。

4）自動進行震源定位并在圖上顯示震源位置。

5）自動保存微震事件波形圖。

6）微震監測系統參數設置和修改。

7）地面操作微震監測子站，包括啟動、重啟、停止等。

2.3 BMS微震監測系統優點

與國外同類系統相比，BMS微震監測系統具有以下優點：

1）系統采用區間分布式、區內集中式的監測方案，不僅可以監測工作面頂、底板的巖層破裂（高頻、小能量破裂），還可以監測礦井范圍的礦震、沖擊地壓、巖體破裂、斷層滑移等事件（中、低頻，大能量破裂）。因此，BMS微震監測系統的使用范圍廣。

2）BMS微震監測系統標準配置2臺微震監測子站，共24通道，可以布置24個測點，是國外同類設備通道數的2倍；最大可以接10臺微震監測子站，共120通道。

3）BMS微震監測系統數字信號傳輸全部采用光纜網絡傳輸，以太網傳輸模式，信號傳輸安全、可靠、穩定，足以滿足大型礦井信號傳輸要求。信號光纜成本較低，可以重復利用，且可以利用現有的井下工業環網系統，井筒內不用另鋪線纜，與國外的電纜傳輸相比，成本僅是其的20 %～25 %，且使用簡單可靠。

4）BMS微震監測系統能夠實現遠程監測監控，通過并入山東黃金集團有限公司的集中化監控網絡，實現多點遠程監測監控；通過連入Internet網絡，能夠實現基于瀏覽器的web顯示和查詢，最大限度利用現有網絡，節約通訊網絡的建設費用。

5）BMS微震監測系統精度高，在水平和垂直方向的平均定位精度能夠達到10 m，遠大于國外同類設備。采用外置式安裝和深孔安裝檢波器的方法，使檢波器的布置真正達到空間立體布置，從而保證了定位的高精度。

3 微震波形的分析

通過微震監測系統監測到的有效微震事件，可以發現其中大部分為爆破產生的巖體破裂，個別存在點柱壓力過大導致點柱斷裂。對其他巖體破裂異常事件，考慮是否為巖爆事件。

3.1 微震事件區分

當微震事件記錄后，除了區分是否為有效微震事件，還要進行有效微震事件的判斷：是巖體破裂事件還是爆破事件。因為巖體破裂事件和爆破事件波形具有不同特征，所以這兩類事件可以從頻譜、延續時間、事件時間間隔、振動次數、振幅能量和頻率等方面進行對比分辨。

以三山島金礦2022年12月18日4：19：52典型的點柱型巖體破裂事件為例，16#測點的事件波形圖中有4次明顯的振動波形，對這4次振動波形進行頻譜分析可知，4段波形頻譜峰值分別為134 Hz、134 Hz、34 Hz和134 Hz。2022年12月18日4：19：52巖體破裂事件波形圖如圖2所示。

從振動頻率來分析，一般爆破的頻率為80～140 Hz，在此頻率下的振動對采場的穩定性基本沒有影響。而在2022年12月18日4：19：52的巖體破裂事件中有的振動頻率僅34 Hz，低頻振動的危害性遠大于高頻振動對采場結構穩定性的影響，慶幸的是低頻振幅能量?。? 076 mV），持續時間較短，破壞性較小，未造成采場以外巖體的破裂，經過及時排除險情，采場的安全性得到了保障。

從振動波形時間間隔來看，巖體破裂事件間隔在很大的區間范圍內變動，如圖3所示，震動波時間間隔分別為1.8 s、1.4 s和2.4 s，沒有明顯的規律。三段爆破時間間隔基本在0.5 s內（如圖4所示），與礦內使用半秒延遲爆破雷管相一致。

在振動次數方面，爆破與巖體破裂的微震特征也有明顯的區別，由圖3和圖4可知：在3 s內爆破事件有5次振動，而巖體破裂事件在近6 s內振動了4次；在振幅能量和頻率等方面，爆破振幅能量一般為10～2 000 mV，振動事件頻率分布于85～110 Hz，而巖體破裂則在近處的測點能收到大于5 000 mV的振幅能量，近處測點收到破裂的頻率為130～140 Hz，且帶有低頻信號。爆破及巖體破裂微震特征對比如表1所示。

對照以上特征可以便捷地將爆破和巖體破裂的微震事件進行區分，發現井下異常事件，指導礦山做好安全開采工作。

3.2 動壓微震波形分析

動壓微震事件波形與爆破、人為干擾、電干擾等波形有明顯的區別，從波形圖中可以看到明顯的振動波形，其次，波形圖中記錄下的振動波形之間時間間隔極短，振動波形未完全衰減，下次振動又至，振動波形和波形之間不易區分；一般情況下波形圖中記錄的振幅能量值不大，在100 mV左右。典型動壓微震事件波形圖如圖5所示。

對于連續的巖體破裂事件，一般沒有明顯的波形分界面，振幅能量值一般較?。ǘ鄶翟?00 mV左右），巖體破裂至一定程度會有大能量事件發生，前期的小能量振動事件危害性較小，但當地應力增加至一定程度，必然產生大能量事件，此時對采場穩定性危害也較大。動壓大能量微震事件波形圖與連續巖體破裂小能量事件波形圖如圖6和圖7所示。由圖6和圖7可知：大能量巖體破裂事件振動峰值波形明顯，而小能量的巖體破裂事件窗口中的波形較分散，振幅能量值也較低。巖體在地應力的作用下，產生持續的破裂，破裂產生的振幅能量不大，傳遞到距離最近的檢波器的振幅能量僅為179 mV。能量不同的動壓微震均具有振動時間長的特性。

4 巖爆危險區域預警

BMS微震監測系統可以準確有效地監測及定位采動造成的巖體破裂，并確定采場的三維應力分布規律和高地應力的分布區域，分析監測到的微震波形，預報巖爆可能的發生區域。通過一段時間的監測，結合礦區巖體破裂狀況，可能發生巖爆的情況有以下兩類：

1）裂隙發展導致的巖爆。微震事件發生時，如果順著某一破裂帶繼續發展，可能會導致采場結構發生變化，造成應力積聚，發生巖爆。

2）微震事件數量異常或大能量事件增多。在某一時間段內，如果突發大量的微震事件，產生能量顯著增多，說明采場內巖石活動劇烈，可能導致巖爆發生。

三山島金礦直屬礦區井下生產實行2天內安排3個班組的生產組織方式，一個采場通常1天爆破1～2次。在微震監測系統的測點監測范圍內（在200 m內監測效果較好），震源距測點的空間位置等爆破巖體振動信息均能監測到。三山島金礦直屬礦區采用微差光面爆破，能達到爆破時減小對上盤巖體及頂板穩定性影響的目的。從本次監測的巖體破裂位置方面看，巖體破裂的點基本都在采場內部（如圖8所示）。因此，目前的生產方式對礦體圍巖影響較小。

5 結 論

1）研制了新一代適用于海下安全開采監測預警的BMS微震監測系統，采用“分布式與集中式”相結合的設計理念，實現了既能夠監測小范圍礦柱失穩和采場頂板的斷裂，又能夠監測上盤因開采導致的巖層移動的目標。

2）微震監測結果表明，三山島金礦目前的海下開采是安全的，海下采場的設計參數是合理的，不會出現海水潰入的危險。

3）BMS微震監測系統的應用，可以更好地監測巖體的微震事件，分析微震波形，定位微震發生位置，指導礦山開采，預防巖爆的發生。

［參 考 文 獻］

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Application of BMS microseismic monitoring system in deep rock mass stability monitoring

Abstract：With the gradual extension of mining operations into deeper levels，minor rockburst phenomena have emerged，posing risks of instability in mining pillars and roof caving induced by rockbursts within the production area.Based on the actual geological conditions of deep ore bodies and surrounding rocks in Sanshandao Gold Mine，a new generation of microseismic monitoring system has been developed，in order to establish a mine early warning system.This system can effectively monitor faint seismic signals associated with the instability of mining pillars and roof caving in the mining area，analyze microseismic waveforms，and detect occurrences of rockburst events，providing basis for the safe mining of deep rock mass.

Keywords：deep mining;rock mass stability;rockburst;microseismic monitoring;waveform analysis