阿舍勒铜矿微震监测系统站网布置的优化设计.pdf
阿舍勒铜矿微震监测系统站网布置的优化设计 ① 覃 敏1,2, 黄英华1,2, 刘 畅1,2 (1.长沙矿山研究院有限责任公司,湖南 长沙 410012; 2.金属矿山安全技术国家重点实验室,湖南 长沙 410012) 摘 要 根据新疆阿舍勒铜矿的矿山地质条件和地压活动规律,拟定了两套微震系统站网布置方案,一套是传感器七中段布 置方案,另一套是三中段布置方案。 从有效监测范围、灵敏度和定位误差综合考虑,最终确定传感器七中段布置方案。 系统安 装完毕后,经过 5 次人工放炮手段来调试系统的定位精度,最好精度达到 7.1 m,本微震监测系统能对井下地压活动准确监测 预报。 关键词 采空区; 地压活动; 微震站网布置; 灵敏度; 优化设计; 调试定位 中图分类号 TD326文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2014.02.003 文章编号 0253-6099(2014)02-0010-05 Optimization Design for Microseismic Monitoring Network in Ashel Copper Mine QIN Min1,2, HUANG Ying⁃hua1,2, LIU Chang1,2 (1.Changsha Institute of Mining Research Co Ltd, Changsha 410012, Hunan, China; 2.State Key Laboratory of Metal Mine Safety Technology, Changsha 410012, Hunan, China) Abstract Based on the geological conditions and regularity of ground pressure activity in Ashele Copper Mine in Xinjiang, two sets of placement options were prepared in microseismic network design, in which one has sensors placed on 7 different sublevels, another on 3 sublevels. With effective monitoring scope, sensitivity and positioning error taken into consideration, the option with sensors placed on 7 sublevels was chosen as final program. After the installation completed, system debugging was conducted for the microseismic monitoring by 5 times of artificial blasting to ensure the positioning precision, with the highest precision reaching 7.1 m. It is concluded that such microseismic monitoring network can give an accurate prediction of underground pressure activities. Key words mined⁃out area; ground pressure activity; microseismic network layout; sensitivity; optimization design; debugging and positioning 微震技术是利用岩体受力变形和破坏后本身产生 的微震来监测工程岩体稳定性的技术方法。 微震现象 是 20 世纪 30 年代末由美国阿伯特及杜瓦尔发现的。 迄今为止,微震技术的发展已经历了半个世纪。 当前 微震监测岩爆技术在南非、加拿大、美国、俄罗斯、波兰 等国都得到了广泛应用。 2000 年南非 IMS 微震监测 系统公司基于重整化群理论、幂率规律,采用模式识别 等方法开展了岩爆时空预报的进一步定量研究,并开 发了相应的算法 SOOTHSAY 和 INDICATOR。 采用该 算法预报的成功率在 WEST WITS 地区达到了 53%, 在 FREE STATE 达到了 65%,显示了该技术的突出优 势。 在国内,安徽铜陵冬瓜山铜矿、广东凡口铅锌矿微 震监测系统均取得了一定的效果[1-3]。 新疆阿舍勒铜矿于 2002 年 4 月全面开工建设,同 年 9 月正式投产,随着矿山产量和效益稳步上升,已成 为国内集采选为一体的大型矿山企业。 阿舍勒铜矿主 采矿体为Ⅰ号矿体,该矿体属火山喷发⁃沉积成因的黄 铁矿型铜、锌多金属矿体,近南北走向,南高北低,向东 倾斜,矿体下部倾角较陡,为 75以上,局部为直立甚 至略有倒转。 800 m 以上主矿体倾角 25~45。 中段 矿体长度 300 m 左右,矿体下部厚大,上部相对较窄, 总体来说,矿体具有走向长度短、埋藏深、储量大、水平 ①收稿日期 2013-10-13 基金项目 湖南省重大科技专项(2011FJ1003) 作者简介 覃 敏(1986-),男,湖北赤壁人,硕士研究生,主要从事采矿工程安全开采方面的研究。 第 34 卷第 2 期 2014 年 04 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.34 №2 April 2014 厚度大等特点,同时,矿体与围岩从上往下由极不稳固 向中等稳固过渡。 现场调查及分析表明,虽然 600 m 水平以下矿体 及上下盘围岩的整体稳定性有所好转,但由于深部矿 体走向长度短,地应力大,采场布置集中,受地应力和 多次采动的影响,矿体上、下盘沿脉巷道及穿脉巷道都 出现不同程度变形和破坏,2008 年,500 中段 6#和 10# 采场甚至发生大面积的垮塌,2012 年 1 月 18 日,550 中段 16#采场 5#大孔硐室爆破后,600 中段至 633 分段 出现大面积垮塌。 为保证矿山的安全生产,防止灾害 性地压活动,需对矿山地压灾害进行微震监测,实现对 不良地压活动的有效预报预警。 1 微震监测站网布置的优化设计 传感器布置的位置及合理性对于矿山微震系统的 建立是至关重要的,只有对传感器进行合理布局,才能 发挥出微震监测系统的作用[4]。 针对阿舍勒铜矿矿 体赋存条件、开采现状和矿山生产实际需要,确定了两 套 24 通道全数字型矿山微震监测系统传感器布置方 案,择优选择。 1.1 传感器七中段布置及效果 该方案井下由 4 台数据采集仪和 24 个单分量传 感器组成,其中每台数据采集仪携带 6 个传感器。 传 感器分别布置在 450、500、600、800、813、827 和 840 m 等中段,并在 450、500、600 m 和 813 m 中段布置数据 采集硐室,数据采集仪与井下数采中心通过电缆连接 后,利用矿山已有光纤通讯网络将数据传送到地表的 控制中心对数据进行处理和分析。 根据本微震监测系 统布置方案,对传感器布置进行敏感度分析[4-7],研究 本方案传感器布置监测系统能够达到的精度误差。 传 感器布置定位云图及整体布局达到的效果云图[8-10]如 图 1~6 所示。 图 1 450 m 中段定位云图 图 2 500 m 中段定位云图 图 3 600 m 中段定位云图 图 4 800 m 中段以上定位云图 图 5 整体布局效果俯视图 11第 2 期覃 敏等 阿舍勒铜矿微震监测系统站网布置的优化设计 图 6 整体布局效果侧视图 由图 1~6 可知,450、500 和 600 m 所有采场及 10 m 范围内围岩定位精度可控制在 10 m 以内,受上部崩 落采矿法的限制,840、827、813 和 800 中段传感器布 置在运输大巷 12 线以北,距采场南端较远,与下部中 段传感器之间也有较大距离。 因此,崩落法采矿中段 14 勘探线以北采场及围岩定位精度在 10 m 以内,14 线以南定位精定在 18 m 以内。 从整体布局效果图可 以看到,该方案可以有效的监测 700 m 以下采场和 800 m 以上采空区的稳定性。 1.2 传感器三中段布置及效果 本方案井下 3 台数据采集仪各携带 8 通道的传感 器(5 个单分量传感器和 1 个三分量传感器),分别布 置在 400、550 和 667 m 三个中段,并在各中段布置数 据采集硐室,各中段数据采集仪与井下数采中心通过 电缆连接后,利用矿山已有光纤通讯网络将数据传送 到地表的控制中心对数据进行处理和分析。 根据本微震监测系统布置方案,传感器布置定位 云图及整体布局达到的效果云图如图 7~11 所示。 由 图 7~9 可知,400、550 和 667 m 所有采场及 10 m 范围 内围岩定位精度可控制在 10 m 以内。 从图 10~11 可 以看到,该方案可以有效的监测 700 m 以下采场的稳 定性。 图 7 400 m 中段定位云图 图 8 550 m 中段以上定位云图 图 9 667 m 中段定位云图 图 10 整体布局效果俯视图 图 11 整体布局效果侧视图 1.3 两种方案的优选 系统站网布置优化设计指标[11-12]① 充分利用 目前矿山已有巷道和硐室;② 地压活动的主要区域; 21矿 冶 工 程第 34 卷 ③ 突出重点、兼顾局部与整体监测;④ 错落有致布 置,使传感器阵列形成的几何体不要呈现扁平化; ⑤ 传感器尽量布置在监测区域的周围巷道内;⑥ 采 集仪硐室能够方便布置;⑦ 钻孔数和铺设线路要合理 化。 微震方案优缺点比较见表 1。 表 1 微震监测方案优缺点比较 方案优点缺点 方案一 传感器七中段布置 监测范围广,能有效的 兼顾上部空区和下部 中深孔、 深孔采矿区 域,监测精度高,能精 确的定位采矿引起的 地压活动 施工的传感器钻孔多, 铺设的电缆和光缆长, 后期的维护工作量较 大,单分量传感器不能 对来压矢量进行精确 判断 方案二 传感器三中段布置 施工的传感器钻孔少, 铺设的电缆和光缆短, 后期的维护工作量小, 三分量传感器能对来 压矢量进行精确判断 监测范围较小,只能对 700 m 中段水平以下 的地压活动进行监测, 不能兼顾到整体监测 通过对两种方案优缺点比较,结合矿山监测的主 要范围为 700 m 中段以下中深孔采矿和大孔采矿区 域,其次是 800 m 中段以上采空区。 传感器七中段布 置(方案一)具有监测范围广,突出重点监测下部采矿 区域,兼顾到上部空区,传感器布置错落有致更有层次 感,监测精度高,能准确的定位采矿引起的地压活动。 相较于传感器三中段布置(方案二),方案一优化了监 测范围,兼顾到了矿山的整体监测,充分利用矿山已有 的巷道和硐室,完全满足矿山对井下地压活动的监测 预报。 故确定了方案一为最优方案。 2 微震系统调试定位 微震监测系统能否在矿山成功运行,波速的设置 也是至关重要的。 由于波速会对监测结果造成一定误 差,为了尽量减小其对定位精度的影响,就要准确设定 地震波的纵波波速和横波波速[13-15]。 实际操作过程 首先根据金属矿一般的波速范围来选取一个值,在该 矿山初步设定的纵波波速为 4 720 m/ s,横波波速为 2 776.5 m/ s;其次通过 2 次人工爆破来验证波速,发现 最小误差达到 13.9 m,重新设定波速值,对 450-1, 450-2,450-3传感器所在位置 p 波设定为 4 650 m/ s, 其他位置的 p 波设定为 4 720 m/ s,对 500-7,500-8, 500-9 及 600-16,600-17,600-18 传感器所在位置 s 波设定为 2 700 m/ s,其他位置的 s 波设定为 2 776.5 m/ s;然后再通过 3 次人工爆破来进行波速验证,最终 控制误差在有效范围 10 m 左右,最小误差为 7.1 m。 人工爆破有一定的要求爆破位置要选取岩体结 构完整区域,多次爆破要选在不同的位置,一段爆破要 有 1.5~2.5 kg 的药量,爆破时间要有间隔,与矿山工 作爆破要相差 30 s 以上,避免相互干扰产生误差。 人 工爆破的具体操作首先,测量人员要实地准确测出爆 破位置中心点的坐标,测量误差控制在 1 m 以内;其 次,放炮人员要准确记录放炮时间,而且放炮人员的时 间要和地表监测服务器的时间一致。 本次微震定位精 度调试共进行 5 次人工爆破,5 次爆破分别是在 600 m 中段爆破 2 次,在 300 m 中段爆破 1 次和 488 m 分段 爆破 2 次。 具体爆破位置和监测定位统计如表 2 所 示。 第 4 次波形处理及微震定位如图 12~13 所示。 表 2 人工爆破精度调试表 爆破 序号 实际坐标定位坐标 XYZXYZ 误差 / m 1451 416.0 351 128.6 601.3451 429.8 351 129.8 600.813.9 2451 418.3 351 130.4 602.0451 424.7 351 129.9 587.216.1 3451 420.9 351 140.8 488.1451 417.1 351 149.8 480.812.2 4451 465.3 351 186.8 300.0451 458.0 351 179.6 297.310.6 5451 423.0 351 138.7 487.8451 427.0 351 144.2 489.97.1 图 12 第 4 次人工爆破波形处理图 图 13 第 4 次微震定位图 31第 2 期覃 敏等 阿舍勒铜矿微震监测系统站网布置的优化设计 3 微震事件预报 微震系统建成以来,对矿山的地压活动进行实时 有效监测,准确地预报矿山的微震事件。 随着矿山开 采进度的推进,不同开采活动的干扰,微震系统监测到 了 952 个微震事件。 微震事件在矿山 300 m 中段至 840 m 中段都有分布,相对比较集中的区域是 450 m 中段至 600 m 中段,在 450 m 中段以下和 600 m 中段 以上相对少一些。 从震级上来说,在 600 m 中段以上 集中的大震级事件相对多一些。 大部分微震事件集中 在采场区域,在南北侧也分布了一些微震事件,在矿体 下盘至马头门这个区域内也分布了一些微震事件。 其 中震级不小于 1 的微震事件统计见表 3,所有微震事 件所在矿山位置如图 14 所示。 表 3 微震事件预报统计表 编号日期时间 坐标 XYZ 震级 12012/11/2203410451 374351 0036471.0 22012/11/2905523451 289350 8816691.43 32013/1/13165208451 288351 1008111.2 42013/1/1503621451 535350 9607141.5 52013/1/1603317451 576351 1016751.3 图 14 矿山微震事件分布立体图 4 结 语 微震监测系统要在矿山实时有效长期进行地压灾 害监测,首先是把微震监测系统在矿山成功的建立起 来。 其中最关键的就是传感器站网的布置,不仅要考 虑到微震监测系统设备的技术要求,还涉及到矿山的 地压活动规律和矿山开采现状,以及矿山的重点监测 区域等。 阿舍勒铜矿体赋存在地质构造和地壳活动相 对复杂与频繁的环境之中,地压问题比较严重。 综合 考虑最终确定传感器七中段布置可以满足阿舍勒铜矿 的监测要求。 在阿舍勒铜矿建立的微震监测系统是南 非的第七代监测系统,在矿山地压监测方面处于国际 先进水平。 参考文献 [1] 陶雪芬. 湖南柿竹园多金属矿地压监测系统研究[D]. 武汉武汉 理工大学资源与安全工程学院,2010. 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