基于監(jiān)測(cè)非法采礦行為的微震監(jiān)測(cè)功能二次開發(fā)技術(shù)

韓瑞亮，李富平，南世卿，郭獻(xiàn)章，蘇明，萬(wàn)小軍

(1.河北聯(lián)合大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北唐山 063009;2.河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司，河北唐山;3.東北大學(xué)，遼寧沈陽(yáng) 110000)

1 微震監(jiān)測(cè)簡(jiǎn)介

大量研究資料表明，隨著地下深部采礦以及地下巖土工程的不斷發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)高應(yīng)力水平下礦、巖的破壞(如巖爆、隱伏斷層激活等)過程中，其內(nèi)部積聚的勢(shì)能會(huì)以地震波的形式釋放并傳播。巖體在破壞之前，必然持續(xù)一段時(shí)間以聲波的形式釋放積蓄的能量。礦床開采活動(dòng)在巖體中引起彈性變形和非彈性變形，在巖體中積蓄的彈性勢(shì)能在非彈性變形過程中以震動(dòng)波的形式被逐步或突然釋放出去，這種能量釋放的強(qiáng)度，隨著結(jié)構(gòu)臨近失穩(wěn)而變化，導(dǎo)致巖體內(nèi)部發(fā)生微震(microseisms，MS)事件。這種通過分析微震事件產(chǎn)生的信號(hào)(位置、震級(jí)等參數(shù))特征，推斷開挖過程中的巖體狀態(tài)和礦巖的力學(xué)行為，估測(cè)礦巖是否發(fā)生破壞，以實(shí)現(xiàn)防止、控制或預(yù)測(cè)潛在的不穩(wěn)定巖體，從而避免危險(xiǎn)事故發(fā)生的技術(shù)，稱為微震監(jiān)測(cè)技術(shù)。

通過在地下巖土工程關(guān)鍵位置中布置傳感器陣列，可以實(shí)現(xiàn)微震數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、傳輸和處理，并利用定位原理確定破壞發(fā)生的位置，且在三維空間上顯示出來。因此，微震監(jiān)測(cè)技術(shù)具有全天候、遠(yuǎn)距離、動(dòng)態(tài)、三維、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，可以根據(jù)震源情況進(jìn)一步分析推斷礦巖的破壞尺度和性質(zhì)，為研究覆巖空間破裂形態(tài)提供新的手段。微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集并處理的信息常應(yīng)用于:測(cè)定區(qū)域場(chǎng)所不穩(wěn)定性事件的次數(shù)與大小;評(píng)定溜道和礦柱的穩(wěn)定性;測(cè)量采場(chǎng)塊體速度和加速度最大峰值引起的爆炸和大事故;識(shí)別潛在的破裂與缺陷;援助爆炸和大事件修復(fù);幫助識(shí)別巖石破裂和頂板冒落的潛在區(qū)域;追蹤坍落處前方的裂縫擴(kuò)展等。

如何以微震監(jiān)測(cè)為基礎(chǔ)，結(jié)合其他最新科技成果，通過定量監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)，對(duì)礦山災(zāi)害進(jìn)行充分的認(rèn)識(shí)和理解，達(dá)到防災(zāi)減災(zāi)目的，對(duì)促進(jìn)礦山安全管理的科學(xué)化、現(xiàn)代化具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 微震監(jiān)測(cè)技術(shù)的時(shí)空定位原理

研究地震定位方法和提高地震定位精度，一直是地震科學(xué)中的一個(gè)重要課題，地震學(xué)家在不斷改進(jìn)或提出新的定位方法，期望得到更高的地震定位精度，朱元清等曾對(duì)地震定位精度的可能誤差進(jìn)行了較詳細(xì)的分析。早期地震定位方法主要是幾何作圖法，它的歷史可以追溯到地震儀問世的年代，并已形成多種經(jīng)典的方法。

目前，聲源的定位方法很多，較常見的有:區(qū)域定位法和點(diǎn)定位法(時(shí)差定位法)(圖1)。區(qū)域定位法對(duì)傳感器布置位置無特殊要求，但要求檢測(cè)區(qū)域內(nèi)源信號(hào)至少被一個(gè)傳感器接收到，聲源的位置就是首先接收到源信號(hào)的傳感器的位置。該方法的優(yōu)點(diǎn)是傳感器位置布置靈活，檢測(cè)范圍大，但檢測(cè)到的聲源的位置僅表示一定區(qū)域，具有不確定性。點(diǎn)定位方法是根據(jù)聲源信號(hào)到達(dá)同一陣列內(nèi)不同傳感器時(shí)所形成的一組時(shí)差，經(jīng)過幾何關(guān)系的計(jì)算確定聲源位置。該方法定出來的聲源為一確定點(diǎn)，可靠性高，大多數(shù)試驗(yàn)和聲發(fā)射儀器中用該方法來確定源位置。

圖1 定位原理圖

本監(jiān)測(cè)定位原理為:在監(jiān)測(cè)區(qū)域以一定的網(wǎng)度布置傳感器，組成傳感器陣列，當(dāng)監(jiān)測(cè)巖體內(nèi)出現(xiàn)微震時(shí)，傳感器即可將信號(hào)拾取，并將這種物理量轉(zhuǎn)換為電壓量或電荷量，通過多點(diǎn)同步數(shù)據(jù)采集測(cè)定各傳感器接收到該信號(hào)的時(shí)刻，連同各傳感器坐標(biāo)及所測(cè)波速代入方程組求解，即可確定聲發(fā)射源的時(shí)空參數(shù)，達(dá)到定位之目的。

該原理用數(shù)學(xué)算法解釋為最小二乘法，這是基于P波技術(shù)發(fā)展的經(jīng)典定位算法。它是基于由多個(gè)傳感器獲得的到達(dá)時(shí)間所建立的固定方程組(式1)，然后求解方程組的解來得到震源位置坐標(biāo)。

式中:Xi，Yi，Zi——第 i個(gè) AE 傳感器的坐標(biāo)位置;

Vi——第i個(gè)探頭處測(cè)得的波速;

Ti——到時(shí);

X0，Y0，Z0——震源坐標(biāo);

T0——破裂發(fā)生時(shí)刻。

假設(shè)有5個(gè)傳感器接受到有效信號(hào):

將各項(xiàng)對(duì)第一項(xiàng)求差，消去x2、y2、z2、t2，從而得到線性超越方程組:

由上面分析可知，當(dāng)5個(gè)傳感器接受到有效信號(hào)時(shí)，能得到一個(gè)解(可能不是最優(yōu)解)，當(dāng)6個(gè)傳感器接收到有效信號(hào)時(shí)，方程通過排列組合，能得到6個(gè)解，對(duì)于7組以上方程有更多的解。暫定6組方程計(jì)算6個(gè)解，7組方程計(jì)算7個(gè)解，以此類推。對(duì)所有的定位結(jié)果取其空間幾何的中心值，作為定位結(jié)果。最小二乘法是比較經(jīng)典的定位算法，其基本原理及定位算法同時(shí)也是其他定位方法的基礎(chǔ)。

3 石人溝鐵礦微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用及其構(gòu)成

在充分考慮石人溝鐵礦的開采方案和開采計(jì)劃、礦體的賦存條件，確定采用18通道全數(shù)字型微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(圖2)對(duì)石人溝鐵礦露天邊坡、0 m、－60 m三個(gè)水平下盤圍巖進(jìn)行微震監(jiān)測(cè)。

圖2 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

石人溝鐵礦微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體上由地面微震數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、井下微震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、傳感器三部分組成。30個(gè)傳感器采集的微震信號(hào)，由內(nèi)置于傳感器中的信號(hào)放大器放大輸出，經(jīng)由信號(hào)電纜傳至露天邊坡、井下－60 m和0 m三個(gè)水平的五個(gè)Paladin微震采集儀，并進(jìn)行信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換后輸出，由于數(shù)字信號(hào)傳輸距離有限，因此再由調(diào)制解調(diào)器將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，再通過電話雙絞線將模擬信號(hào)傳輸至0 m水平的井下微震采集工作站，然后再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)經(jīng)過光纜傳輸至地面微震數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，同時(shí)與礦山網(wǎng)絡(luò)中心連接，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集以及遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。

該微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(MMS)主要包括三個(gè)部分:Hyperion地面數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)(圖3)、Paladin井下數(shù)字信號(hào)采集系統(tǒng)(圖4)、以及由大連力軟科技有限公司開發(fā)基于遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)腗MS-View三維可視化軟件。

圖3 主機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)圖

圖4 Paladin采集儀

4 微震監(jiān)測(cè)技術(shù)用于監(jiān)測(cè)非法采礦的功能開發(fā)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，礦業(yè)生產(chǎn)可以帶來巨大的利潤(rùn)，在利益的驅(qū)使下很多地區(qū)出現(xiàn)了沒有經(jīng)過規(guī)劃和批準(zhǔn)的非法采掘現(xiàn)象。非法采礦大多采用極為粗放的開采方法，掠奪式地開采礦產(chǎn)資源，往往導(dǎo)致按照合理方法應(yīng)當(dāng)采出的資源因礦床破壞而難以采出，造成資源破壞和浪費(fèi)，對(duì)國(guó)家的礦產(chǎn)開采秩序有很大的負(fù)面影響。這些非法采礦盜采礦點(diǎn)多、效率低下，盜采后會(huì)造成所剩礦塊大部分礦量無法正常采出，還會(huì)造成不明采空區(qū)，如有積水，將造成突水災(zāi)害，嚴(yán)重影響職工的生命安全，給社會(huì)帶來很大的危害性。然而，目前礦山防盜采方面，尚無有效的設(shè)備和辦法在盜采發(fā)生的第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)，大多是等盜采規(guī)模很大或是造成礦難的時(shí)候礦方才察覺。然而，所發(fā)生的損失已經(jīng)無法彌補(bǔ)并給國(guó)家利益造成造成巨大的損失，同時(shí)給社會(huì)帶來很大的危害性。因此急需一種能夠能夠?qū)崿F(xiàn)快速安裝，全天候、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并能夠指示礦山盜采的準(zhǔn)確時(shí)間和三維定位的裝置，同時(shí)可以對(duì)監(jiān)測(cè)部位的地壓災(zāi)害進(jìn)行有效的預(yù)測(cè)的設(shè)備，以保護(hù)礦山資源。國(guó)家十一五科技攻關(guān)項(xiàng)目，石人溝鐵礦露天轉(zhuǎn)地下開采平穩(wěn)過渡關(guān)鍵技術(shù)研究中，石人溝從加拿大引入了微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，引入該系統(tǒng)是為了監(jiān)測(cè)露天轉(zhuǎn)地下開采中境界頂柱和地下巖體穩(wěn)定性的。在項(xiàng)目實(shí)施過程中，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)指導(dǎo)礦山生產(chǎn)這一功能還可以有效的監(jiān)測(cè)和打擊非法采礦，保護(hù)礦產(chǎn)資源和采礦秩序。

石人溝鐵礦礦區(qū)及人文環(huán)境復(fù)雜，在利益的驅(qū)使下近年來經(jīng)常有附近村民偷采盜采事件發(fā)生，卻屢禁不止。2000年前后礦山專門成立了護(hù)礦隊(duì)，日夜巡防，也不能有效制止此類事情的發(fā)生。2010年3月29號(hào)，石人溝微震項(xiàng)目組成員在分析處理微震事件的時(shí)候，監(jiān)測(cè)到礦區(qū)北部端幫有很多大能量信號(hào)發(fā)生(見圖5)，對(duì)空間分布圖提取顏色深的點(diǎn)(見圖6)。

圖5 三月份微震事件空間分布圖

圖6 三月份關(guān)注事件的空間位置圖

對(duì)圖5、圖6進(jìn)行分析得出爆破信號(hào)(見圖7)。

圖7 爆破事件對(duì)應(yīng)波形圖

分析可得，位置坐標(biāo)為(N4456799，E573515，D92)(見圖8)。

圖8 三月份關(guān)注事件信息圖

然而與礦山相關(guān)負(fù)責(zé)人聯(lián)系，此區(qū)域礦上已經(jīng)停止生產(chǎn)活動(dòng)，項(xiàng)目組即懷疑此處有偷盜采情況發(fā)生。隨后，微震項(xiàng)目組結(jié)合礦山管理處去坐標(biāo)(N4456799，E573515，D92)對(duì)應(yīng)位置附近現(xiàn)場(chǎng)查看，果然發(fā)現(xiàn)有采礦跡象，確定有偷盜采情況發(fā)生。上報(bào)礦山領(lǐng)導(dǎo)層，請(qǐng)示護(hù)礦礦警對(duì)此區(qū)域密切關(guān)注，對(duì)此區(qū)域進(jìn)行不定期巡查。在隨后的半個(gè)多月的微震監(jiān)測(cè)中，微震事件空間分布圖上，此區(qū)域的信號(hào)數(shù)量明顯減少，且沒有能量大的信號(hào)的發(fā)生(見圖 9、10、11)。

圖9 四月份微震事件空間分布圖

圖10 四月份關(guān)注事件的空間位置圖

通過對(duì)比微震監(jiān)測(cè)圖5和圖9標(biāo)示區(qū)域的區(qū)別，更進(jìn)一步證明了此區(qū)域三月份該區(qū)域有非法采礦的發(fā)生。

5 結(jié)語(yǔ)

通過分析，微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)追蹤偷采、盜采事件，并可以對(duì)事件發(fā)生的地點(diǎn)進(jìn)行有效定位。通過對(duì)威震監(jiān)測(cè)功能的二次開發(fā)，利用該系統(tǒng)功能可以有效的打擊非法采礦，如能在其他同類礦山推廣使用，對(duì)保護(hù)國(guó)家資源，保障礦業(yè)開采的安全、有序可以發(fā)揮了巨大的作用。同時(shí)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地壓災(zāi)害的全天候、數(shù)字化、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，通過人工震源檢驗(yàn)，其定位精度相當(dāng)理想。需要指出的是，微震系統(tǒng)的功能強(qiáng)大，對(duì)其進(jìn)行多功能的應(yīng)用開發(fā)，充分發(fā)揮其作用，對(duì)提高我國(guó)礦山地壓監(jiān)測(cè)技術(shù)和安全管理水平有很大的發(fā)展前景。

圖11 四月份關(guān)注事件信息圖

［1］陶建勛.微震監(jiān)測(cè)技術(shù)在礦山安全管理中的應(yīng)用［J］.技術(shù)經(jīng)驗(yàn).2009.8.

［2］姜福興.微震監(jiān)測(cè)技術(shù)在礦井巖層破裂監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2002，24(2):147-149.

［3］張銀平.巖體聲發(fā)射與微震監(jiān)測(cè)定位技術(shù)及其應(yīng)用［J］.工程爆破，2002，8(1):40.

［4］孫成棟.巖石聲學(xué)測(cè)試［M］.北京:地質(zhì)出版社，1981.

［5］郭獻(xiàn)章.微震監(jiān)測(cè)技術(shù)在濟(jì)南張馬屯鐵礦的應(yīng)用［D］.2008.6.

［6］Gendzwill D.J.，Prugger A.F.Algorithms for microearthquake locations［J］，Proc.4th Symp.On Acoustic Emissions and Microseismicity，Penn State Uninversity，College Park，Pennsylvania，1985.