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深井矿山地压灾害微震监测技术应用研究 摘要会泽矿区深部8 号矿体埋藏深度达1 000 m，矿体赋存于十余条断层所控制的破碎带中，开采条件十分复杂。 根据矿山实际情况，建立一套具有地震学定量分析和可视化解释功能的数字化 24 通道微震监测系统。详细介绍微 震监测系统的组成和性能，采用人工爆破震源对微震监测系统的定位精度进行 3 次测试，监测范围内的震源定位 误差为 3.16～6.78 m，达到预期目的，证明该监测系统可满足矿山地压监测要求。该系统于 2007 年 8 月正式投入 使用，在半年监测数据的基础上，通过对井下采集的多种振动波形特征、微震事件 b 值时序特征及震源应力降等 参数进行分析，初步总结深部 8 号矿体开采过程中的地压活动规律。 APPLICATION RESEARCH OF MICRO-SEISMIC MONITORING TECHNOLOGY TO GEOSTRESS HAZARDS IN DEEP MINING TANG Shaohui1，PAN Yi1，HUANG Yinghua1，JI Xuewen2 1. Safety Engineering Technology Research Center of Non-Coal Mine，Changsha Institute of Mining Research，Changsha，Hunan 410012，China；2. Yunnan Chihong Zn and Ge Co.，Ltd.，Qujing，Yunnan 654200，China AbstractThe 8th ore body of Huize mineral field is buried in depth of 1 000 m. The ore body exists in crush belt which is controlled by more than 10 faults with the complicated conditions. According to the actual situation during mining，digitalized 24-channel micro-seismic monitoring system was established，which has functions of seismology quantitative analysis and visualization interpretation. The composition and perance of micro-seismic monitor system were described. Using blasting to locate the accuracy of micro-seismic monitoring system for three tests， it is found that the source location error is the 3.16～6.78 m within the scope of monitoring， This result which are achieved from the expected aim proves that the monitoring system can supply monitoring requirements in mine ground pressure. The system has already been ally put into use in August 2007. On the basis of monitoring data in six months，the laws of the activities of ground pressure in 8th ore body are generally summed up after analyzing parameters，such as various characteristics of vibration waves，the time sequence characteristics of b value of micro-seismic events and the geostress drop parameters. Key wordsmining engineering；deep mining；micro-seismic monitoring；source location；wave recognition 1 引 言 云南驰宏锌锗股份有限公司会泽矿区矿产资源 丰富，储量大，矿石品位高，且富含锗、银、镉等 多种稀有金属，是国内外罕见的大型、特富多金属 矿。通过实施深部资源综合开发、环保节能技改工 程，会泽矿区设计采矿生产能力达到 66104 t/a 以 上、年产铅锌金属16104 t，锗金属生产能力 20 t/a， 年增加利税总额人民币 4～5 亿元。会泽矿区深部 资源综合开发、环保节能技改工程项目已于 2002 年全面开工建设。 云南驰宏锌锗股份有限公司会泽矿区深部 8 号 矿体赋存条件极为复杂，集“深、碎、水、小” 于一体[1 ～3] 1 矿体埋藏深度大，矿床地应力高。8 号矿体 埋藏深度为 1 380 m中段 1 571 m以上，根据地应 力测试资料，沿岩层走向方向的水平主应力达到 28 MPa，工程地质钻探过程中均有不同程度的岩芯饼 化现象，在穿脉巷道中发现侧帮岩体有较为典型的 片状剥落现象，前期研究结果表明，会泽矿区深部 资源开采存在岩爆的条件。 2 矿岩破碎，矿岩稳固性差。深部岩体质量 RMR 分级和 Q 系统分级为差，矿岩稳固性差。 3 水体下矿体开采。矿床三面环水，矿体与 充水、含水岩层直接接触，并处于长江支流牛 栏江的河床之下。 4 矿床金属储量大，但矿体规模小。根据设 计的采矿生产能力和矿体的大小，采矿生产作业将 高度集中，要求采矿的强度极高，同时，由于矿石 价值极高，开采要求尽最大限度回收矿产资源。 会泽矿区深部 8 号矿体复杂的开采技术条件及 开采技术要求在我国尚无先例，为了控制和预防深 部资源开采过程中的岩爆危害，保证深部资源的安 全、高效开采，云南驰宏锌锗股份有限公司和长沙 矿山研究院合作开展了云南省科技计划项目深 井采矿地压灾害微震监测、预报与控制技术研究。 引进了南非 ISS 公司的多通道微震监测系统，并已 于 2007 年 8 月正式运行，实现了对 8 号矿体开采 地压活动的连续监测。本文主要介绍多通道微震监 测系统的主要性能、系统定位精度试验成果，在半 年监测数据的基础上，对微震事件 b 值时序特征及 震源应力降等参数进行了分析，初步给出了深部 8 号矿体开采过程中的地压活动规律。 2 矿区地质及采矿方法 矿区范围北起龙王庙，南至车家坪一线，西起 麒麟厂逆断层，东至牛栏江、银厂坡逆断层一线， 面积约 10 km2。矿床位于矿山厂金牛厂背斜逆 断层北东端的南东翼，麒麟厂逆断层的南东盘。北 西向断裂为矿区最发育的次级断裂，伴随麒麟厂逆 断层产生有十二条羽状北西向横断层组，断裂活动 具多期性。走向 N10 ～70 W，倾向南东，倾角 50 ～85 ，分布密度 50～100 m，断裂面多呈波状 或锯齿状，断裂带内主要由大小混杂堆积物组成， 见构造透镜体化，显示了多期活动的特征。从浅部 到深部，该组断裂分布密度逐渐减小，规模逐渐增 大，与矿体共存和麒麟厂导矿断层相联系，构造岩 的热液蚀变、矿化特征明显。 8 号矿体赋存于下石炭统摆佐组地层中上部白 云岩中。矿体顶、底板与围岩界限清楚，沿层产 出。矿体走向 N18 ～E24 ，平均 21 左右，矿体倾 角 53 ～67 。矿体主要赋存于 40～70 号勘探线范 围，走向长 210～245 m平均约 227 m，水平厚度 1.5～18.0 m。平面上中部厚大，沿走向端部变薄或 分枝尖灭，矿体总体向南西方向侧伏，以层状、似 层状产出为特征。 8 号矿体主要采用上向进路两步骤回采充填采 矿法，阶段高度 60 m，分段高度 12 m，分层高度 4 m。矿房垂直于走向布置，矿房、矿柱宽度均为 6 m， 长度为矿体厚度， 采用“一房一柱”的布置形 式。一步骤回采矿柱，矿柱采用块石砼胶结充填或 膏体胶结充填方式，待分段相邻矿柱回采结束后再 进行矿房的回采，矿房采用水砂或干式充填方式。 3 微震监测系统 深部 8 号矿体的SHMA微震监测系统包括井下数 据控制中心seismic controller、微震检测与数据采 集单元QS、传感器geophone、通讯单元RS485 等硬件，计时系统软件RTS、数据采集、过滤及传 输软件Xquery、数据分析软件JMTS和数据解释 与可视化软件JDI。 井下数据控制中心连续地采集、处理及分析微 震或非微震数据，把这些数据储存并通过光纤连接 到地表局域网中的中心监控计算机上；微震检测与 数据采集单元是劲博实业第四代数字微震监测系统 的重要组成部分，通过有线或无线连接传感器，每 个 QS 可连接 6 个通道的传感器。传感器用于感应 微地震信号并将其传送至 QS，传感器分单分量和 三分量两类，采用的传感器固有频率为 4.5 Hz单分 量和 14.0 Hz三分量，可用频率范围为 4～2 000 Hz 单分量和 12～2 000 Hz三分量；通讯单元通过调 制解调器和同步通讯电缆将QS 和井下数据控制中心 连成一体。 计时系统软件提供操作界面进行系统配置、执 行数据采集以及故障在线诊断；数据采集、过滤及 传输软件能采集井下各种声源信号，数据处理软件 具有相位选择、地震定位、量级计算等功能；数据 分析与可视化软件是微震数据可视化与分析软件 包，可运行于 Windows 和 Linux 平台，具有三维交 互、事件滤波与显示、历时分析、事件动态图等功 能。 在选择了监测系统的基础上，设计了多个微震 系统传感器布置方案，通过对各个方案的系统定 位误差及灵敏度分析后，最终确定在 1 331，1 391， 1 451 m 水平 3 个中段布置 4 套 QS24 通道监测系 统，其中 1 451 m 水平中段布置一套 QS1 个三分量， 3 个单分量传感器、1 391 m 水平中段布置二套 QS4 个三分量传感器、1 331 m 水平中段布置一套 QS1 个三分量，3 个单分量传感器，微震监测系统 构成及布置图如图 1 所示。 4 监测系统定位精度测试及分析 4.1 微震定位方法 微震事件的空间定位是岩爆、矿山岩体失稳预 报及岩体应力分析等主要技术参数，研究微震定位 方法[9 ，10]和提高其定位精度一直是微震监测研究的 重要课题。由于非线性定位方法运算量较大，效率 相对较低的缺点， SHJC微震监测系统主要采用线性 定位方法中的 Geiger 法及相对计算法。Geiger 图 1 微震监测系统构成及布置 监测中心计算机 Linux 操作系统 微震监测系统监测软件 地震波分析软件 数据可视化分析软件 1 331 水平 井下数据控制中心 公司局域网连接光缆 地表 井下 Equinox MR485_8 QS1 QS2 QS3 QS4 1 451 m 水平 1 391 m 水 平第一套 1 391 m 水平 第二套 1 331 m 水平 三分量 传感器 1451_1 52 线 单分量 传感器 1451_2 42 线 单分量 传感器 1451_3 46 线 单分量 传感器 1451_4 56 线 三分量 传感器 1391_1 44 线 三分量 传感器 1391_2 48 线 三分量 传感器 1391_3 56 线 三分量 传感器 1391_4 62 线 三分量 传感器 1331_1 56 线 单分量 传感器 1331_2 52 线 单分量 传感器 1331_3 64 线 单分量 传感器 1331_4 70 线 法由德国物理学家 Geiger 提出，其实质是将非线性 方程组线性化，并通过最小二乘原理求解。Geiger 法对初始值的依赖性较大，有时会使得定位发散或 得不到定位结果。在实际微震事件监测中，如果传 感器较好的包围震中，则可以得到较精确的定位结 果；如果传感器布置不合理，震源偏在传感器网的 一侧等，则使得方程是一个病态方程，由最小二乘 法求解会不稳定， 得不到正确的震源位置或解发散。 在采用相对计算法进行定位时，由于定位事件以及 参考事件的时间读数误差，从而引起系统定位的误 差。 SHJC微震系统综合采用 Geiger 法及相对计算法 以提高定位精度。 4.2 系统定位精度测试 微震系统定位误差的原因主要有两大类[11]，即 系统本身信号处理产生的误差和矿山自然地质条件 所引起的误差。 为减小系统信号处理产生的误差，通过敏感度 分析优化传感器布置和综合采用不同的定位方法提 高定位精度。为了测试 8 号矿体 ISS 微震监测系统 的定位精度，采用人工爆破方法进行了 3 次定位试 验。为使测试过程中尽量触发更多的传感器，定位 爆破点均选在 1 391 m 水平中段。 岩体声波波速是影响定位精度的重要参数，为 此，进行了现场岩体声波速度测试，微震系统监测 范围的岩性为白云岩C1b及硫化矿体，两种岩体的 平均纵波速度为 5 325 m/sP 波，采用所测试的岩 体声波波速进行波速反算及校准，第一次人工爆破 波形图及 P，S 波波速计算图如图 2，3 所示图 3 中“▲” “●”分别为传感器和震源点位置。计算得 出监测范围内岩体平均波速为5 200 m/sP 波， 3 168 m/sS 波， 所得结果与现场声波速度测试结果 基本一致。 采用标定的岩体声波波速检验监测系统的定位 精度。爆破震源中心点的空间位置坐标与监测计算 图 2 第一次人工爆破波形图 Fig.2 Records wave of the first artificial blast 图 3 P，S 波波速计算图 Fig.3 The calculation of VP and VS 得出的定位坐标对比，即可得出监测系统的震源定 位误差。3 次现场试验爆破点源坐标及系统定位坐 标如表 1 所示。 爆破试验定位结果显示，在设计监测范围内， 微震监测系统定位误差为 3.16～6.78 m，满足定位 误差小于 8 m 的要求。图 4 为第三次人工爆破地点 及系统定位示意图。 震源距传感器距离/m 传感器触发时间/s VS3 174 m/s VP5 142 m/s 表 1 爆破定位试验结果统计表 Table 1 Locating results of artificial blast 点源坐标/m 定位坐标/m 放炮编号 X Y Z X Y Z 爆破能级 触发传感器/次 定位误差/m 第一次 374 161 2 948 500 1 391 374 164 2 947 504 1 387－0.7 11 6.40 第二次 374 165 2 947 506 1 392 374 171 2 947 509 1 393－0.7 10 6.78 第三次 374 117 2 947 438 1 393 374 114 2 947 437 1 393－0.9 11 3.16 图 4 第三次人工爆破地点及系统定位示意图 Fig.4 Locating results of the third artificial blast 5 井下采集波形分析 微震监测系统可以采集频率几赫兹到几千赫兹 微震信号，所以它可能检测到矿山井下多种震源信 号。由于微震监测系统检测到的波形往往相当复杂， 采用软件自动波形识别和首波到时拾取方法时常会 得出无效的结果。研究矿山井下各种震源的波形特 征，对于区分不同种类的振动，从而真正识别出岩 体破坏产生的微地震波形是至关重要的。 监测到的各种振动波形特征[5 ，6]见图 5～8。岩 体破坏微震波形一般频率为 100～200 Hz，主频不 到 100 Hz；采场爆破波形的主要特征是多个子波连 续出现或重叠，各子波间的时间差与采场实际爆破 微差基本一致，为 130～210 ms；掘进爆破波形主 要特征是先后间断性出现多个子波， 振幅衰减较快， 各子波相隔时间与掘进爆破的爆破时间间隔基本一 致，约为 110～250 ms；井下机械作业波形主要特 征是整个示波窗口内出现振动波形， 幅值相差不大， 无法确定振动波起跳点，软件自动计算的事件位置 明显奇异。 图 5 岩体破坏微震波形 Fig.5 Micro-seismic wave of rock failure 通过对井下多种振动的波形特征分析，可以在 监测系统自动滤波的基础上，进行人工分析，将不 同的波形区分开，剔除无效波形，为分析矿山井下 图 6 采场爆破波形 Fig.6 Blast wave in stope 图 7 掘进爆破波形 Fig.7 Blast wave in heading 图 8 机械震动波形 Fig.8 Mechanism noise wave 地压活动的变化提供可靠的依据。 6 微震监测结果初步分析 2007 年 8 月微震监测系统正式投入运行时，8 号矿体 1 511 m 中段全部回采完毕；1 451 m 中段采 场回采到 15 分层，至 1 511 m 水平还有 6 个分层， 1 331，1 391 m 中段采场正在开采第一分层。根据 半年的微震监测数据重点对微震事件 b 值、震源应 力降进行了统计，结合矿山开采进度分析了地压活 动的变化趋势[12 ～16]。 传感器 系统定位点 爆破震源点 12 11 8 9 10 6 5 3 2 4 C3m C2w C1d 1 C1b C3m C2w C1d D3zg 3 C3m C2w 6.1 微震事件 b 值时序特征趋势分析 b 值的变化反应微震事件群体内部结构的调 整，表现为大震与小震数目比例关系的变化，b 值 减小表示微震群体内大震数目的增加， 反之则减少。 2007 年 8 月～2008 年 1 月不同能级事件出现概率 和出现周期统计如表 2 所示，一共监测到 57 个能级 不小于 0 的大事件。其中绝大多数大事件都出现在 离矿体较远的区域，仅有三次发生在矿体附近，一 次事件发生在 1 413 m 水平附近，影响范围为 50 m， 垂直方向上从 1 438～1 388 m。2007 年 8 月～2008 年 1 月 b 值统计结果如表 3 所示。 表 2 不同能级事件出现概率和周期 Table 2 Probability and recurrence times 出现概率 能级 出现周期/d 2 周 1 个月 3 个月 6 个月1 a 0.2 3 0.989 1.000 1.000 1.0001.000 0.4 4 0.956 0.999 1.000 1.0001.000 0.6 6 0.881 0.990 1.000 1.0001.000 0.8 9 0.757 0.951 1.000 1.0001.000 1.0 14 0.593 0.854 0.997 1.0001.000 1.2 24 0.411 0.678 0.966 0.9991.000 1.4 48 0.223 0.432 0.817 0.9680.999 1.6 172 0.071 0.146 0.378 0.6190.854 表 3 每月计算 b 值表 Table 3 b-value table of monthly calculation 时间/年月 b 值 286 . 0 807002 087 . 0 907002 196 . 0 017002 587 . 0 117002 796 . 0 217002 205 . 0 108002 从表 3 可知，b 值总趋势是下降的，因此，随 着 8 号矿体开采范围的逐步增大，开采强度增加， 采动影响范围大，大微震事件将有所增加。 6.2 震源应力降分析 剪应力是产生微震事件的主要原因，微震发生 时，岩体破裂面剪应力产生变化，其变化值称为震 源应力降，震源应力降大小反映了岩体破裂面剪应力 的变化状况，因此，震源应力降是预测地压活动的 重要参数。2007 年 9 月～2008 年 2 月微震事件震 源应力降统计结果如表 4 所示，图 9 为 2007 年 9 月份震源应力降分析结果图图中“●” “▽”分别表 示微震事件和传感器位置。 表 4 微震事件震源应力降统计结果 Table 4 Statistics results of seismic stress 时间/年月 应力降 50 . 1 907002 60 . 1 017002 35 . 0 117002 26 . 0 217002 20 . 1 108002 40 . 1 208002 图 9 2007 年 9 月份震源应力降分析结果侧视图 Fig.9 Side view of contours of source stress drop in September， 2007 在设计的微震系统监测范围内，1 331 m， 1 391 m 中段附近均出现了较大范围的应力降，其 中在 1 331 m 中段南侧的一盘区达到最大值。2007 年 9～10 月份开采盘区内中间的矿房采场，其应力 降的最大值 9 月为 1.05，10 月为 1.06；2007 年 11， 12 月份主要开采盘区两翼的矿柱采场，其应力降最 大值 11 月为 0.53，12 月为 0.62；2008 年 1，2 月份 主要开采盘区两翼的矿房采场，其应力降最大值为 1.02。根据震源应力降统计结果分析得出 1 矿柱采场采、充结束后，由于充填体的强 度明显低于围岩强度，回采矿房采场时震源应力降 明显高于回采矿柱采场； 2 同一个采场回采过程中，由于回采空间的 －0.50 －0.32 －0.15 0.02 0.19 0.36 0.53 0.71 0.88 1.05 －0.50 －0.32 －0.15 0.02 0.19 0.36 0.53 0.71 0.88 1.05 N N 应力降 应力降 逐步增大，应力逐步转移到未采矿体中，震源应力 降逐步增加。 7 结 论 1 云南驰宏锌锗股份有限公司会泽矿区深部 8号矿体建立的24通道微震监测系统具有先进和丰 富的地震学定量分析和可视化解释功能，是我国目前 金属矿山的第三套全天候、全数字化微震监测系统。 2 采用人工爆破方式对系统定位精度的测试 结果表明，监测范围内的系统定位误差为 3.16～ 6.78 m，在较为破碎的岩体中实现了较高的定位精 度，达到了预期目的。 3 一步骤回采矿柱采场的震源应力降明显低 于二步骤回采矿房采场，且在同一个采场回采过程 中，震源应力降逐步增加。矿房采场回采过程中的 地压活动更为显著。 4 对所采集的微震监测数据的震源参数统计 分析结果表明，随着 8 号矿体开采范围的逐步增 大，开采强度增加，地压活动将逐步加剧。 上海劲博实业有限公司 联系人王振辉 电话15000032104