三山島金礦新立礦區(qū)微震系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用*

杜富瑞 謝玉玲 胡乃聯(lián) 李國(guó)清

(1.金屬礦山高效開(kāi)采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;2.山東黃金礦業(yè)股份有限公司)

三山島金礦作為國(guó)內(nèi)唯一瀕海特大型黃金礦山，在安全生產(chǎn)方面可以借鑒的成功經(jīng)驗(yàn)較少。新立礦區(qū)深部開(kāi)采中面臨地壓增大導(dǎo)致的巖爆、礦柱破裂、大冒落等問(wèn)題，且礦體賦存于構(gòu)造斷裂帶的下盤(pán)，上盤(pán)巖石十分破碎，一經(jīng)揭露即垮落。礦體內(nèi)節(jié)理裂隙較發(fā)育，上盤(pán)與礦體支護(hù)困難。在以上多種因素的作用下，礦區(qū)存在上盤(pán)巖層沿?cái)嗔褞уe(cuò)動(dòng)，產(chǎn)生涌水、突水甚至海水潰入的潛在危險(xiǎn)。礦山對(duì)此類(lèi)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防預(yù)測(cè)，主要依靠大量的防范性工程，這種防治手段的弊端在于投資巨大，造成生產(chǎn)成本上升，且?guī)в幸欢ǖ拿つ啃浴?/p>

微震監(jiān)測(cè)技術(shù)在國(guó)外起步較早，現(xiàn)已成為礦山安全生產(chǎn)管理的重要組成部分。在南非、美國(guó)、加拿大、和澳大利亞等國(guó)礦山［1-2］、隧道、熱干巖發(fā)電和油氣料儲(chǔ)存硐室［3］等方面大量應(yīng)用，取得了很好的效果。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)一些學(xué)者［4-8］如姜福興等人均致力于微震監(jiān)測(cè)技術(shù)研究，并在國(guó)內(nèi)一些礦山取得了較好的應(yīng)用效果，這些研究成果大部分以煤礦為研究對(duì)象。三山島金礦復(fù)雜地質(zhì)特點(diǎn)決定了不能簡(jiǎn)單地將其他微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行移植應(yīng)用。本研究針對(duì)三山島金礦新立礦區(qū)的實(shí)際監(jiān)測(cè)環(huán)境，開(kāi)發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高精度多通道微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了井下生產(chǎn)的安全監(jiān)測(cè)。

1 多通道微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成

研發(fā)一套完整的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)須考慮以下因素:監(jiān)測(cè)對(duì)象、采集數(shù)據(jù)精度、監(jiān)測(cè)范圍及系統(tǒng)成本。針對(duì)新立礦區(qū)開(kāi)采需要高精度和大面積監(jiān)測(cè)的要求，采用集中式與分布式相結(jié)合的系統(tǒng)架構(gòu)，即區(qū)域內(nèi)采用分布式、各區(qū)域間采用集中式的測(cè)點(diǎn)布置方式。系統(tǒng)設(shè)置24個(gè)接收通道，最小采樣間隔0.125～2 ms，記錄精度16/24位。

微地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括4個(gè)井下監(jiān)測(cè)子站、1個(gè)井下監(jiān)控主站和地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(如圖1所示)。子站負(fù)責(zé)微震信號(hào)的收集，并上傳至監(jiān)控主站;監(jiān)控主站負(fù)責(zé)接收子站數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)至上位機(jī)，同時(shí)負(fù)責(zé)系統(tǒng)時(shí)鐘命令的發(fā)送，保證整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)鐘同步;地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)擁有數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、分析和服務(wù)器的功能，實(shí)時(shí)、連續(xù)、自動(dòng)采集微地震信號(hào)、記錄并進(jìn)行各種濾波處理，對(duì)微地震事件進(jìn)行定位，并進(jìn)行三維展示。為了保證震動(dòng)信號(hào)采樣的準(zhǔn)確和響應(yīng)及時(shí)，必須保證采樣信號(hào)的時(shí)鐘同步。多臺(tái)子站間的同步是通過(guò)一整套的光電轉(zhuǎn)換由時(shí)間服務(wù)器完成。子站內(nèi)沒(méi)有內(nèi)部時(shí)鐘，分站信號(hào)采集所需的時(shí)間由時(shí)鐘服務(wù)器供給，時(shí)鐘服務(wù)器設(shè)置在監(jiān)控主站內(nèi)。安裝在測(cè)區(qū)內(nèi)拾震傳感器接收震動(dòng)信號(hào)，傳輸至井下微地震監(jiān)測(cè)子站，監(jiān)測(cè)子站對(duì)其進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，通過(guò)TCP/IP協(xié)議傳輸至監(jiān)控主站。監(jiān)控主站收集各個(gè)子站數(shù)據(jù)，以TCP/IP協(xié)議發(fā)送至地面上位機(jī)，并通過(guò)工業(yè)環(huán)網(wǎng)傳送至信息中心。利用單模光纖進(jìn)行信號(hào)傳輸，具有傳輸距離遠(yuǎn)，衰減小，抗干擾性能強(qiáng)的特點(diǎn)。

1.2 傳感器布置

圖1 微震系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

爆破、巖石破裂信號(hào)的能量隨距離的增大呈指數(shù)衰減，頻率隨距離的增加也呈衰減趨勢(shì)［9-10］。拾震傳感器負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)區(qū)域震動(dòng)信號(hào)的提取，為了保證微震系統(tǒng)的精確運(yùn)行，傳感器采用4.5 Hz低頻高靈敏度磁電式傳感器和60 Hz高頻高靈敏度磁電式傳感器，既能監(jiān)測(cè)小范圍采場(chǎng)內(nèi)巖體的穩(wěn)定性，又能監(jiān)測(cè)開(kāi)采導(dǎo)致的上盤(pán)巖體的破裂和移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)局部采場(chǎng)和整個(gè)礦區(qū)穩(wěn)定性的安全監(jiān)測(cè)。在－135，－165，－200，－400 m這4個(gè)水平上布置拾震傳感器，每個(gè)水平上分別布置6路拾震傳感器，整個(gè)系統(tǒng)共24路傳感器。在實(shí)際布置過(guò)程中，各水平的測(cè)點(diǎn)均布置在穿脈端頭的斷裂帶處，如圖2所示，1號(hào)傳感器布置于23號(hào)穿脈。

這種布置方式既能對(duì)巖層移動(dòng)和礦柱破裂產(chǎn)生的微地震信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，又能監(jiān)控大斷裂危險(xiǎn)區(qū)域，可以對(duì)海水的的潰入起到預(yù)防和監(jiān)測(cè)，對(duì)深部開(kāi)采導(dǎo)致的巖爆起到預(yù)警。

2 微地震系統(tǒng)的定位研究

2.1 到時(shí)拾取

定位工作離不開(kāi)拾取到時(shí)，研究拾取到時(shí)是進(jìn)行微地震事件定位的第一步，也是關(guān)鍵的一步。只有做到到時(shí)拾取誤差盡可能減小，才能提高定位精度。不論是巷道掘進(jìn)爆破還是采場(chǎng)生產(chǎn)爆破，均采用光面微差爆破，爆破段數(shù)從2～10段不等，在定位的時(shí)候可以瀏覽所有有效信號(hào)的波形信息，選取事件中多數(shù)測(cè)點(diǎn)都能收到，波形較清晰，且到時(shí)容易拾取的那個(gè)波形段進(jìn)行到時(shí)的拾取。到時(shí)拾取流程如圖3所示。

圖3 到時(shí)拾取流程

在系統(tǒng)運(yùn)行前期，濾波功能不強(qiáng)，電干擾較多，測(cè)點(diǎn)到時(shí)不夠清晰，拾取到時(shí)工作困難。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)改進(jìn)后，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了濾波處理，目前微震波形較清晰，到時(shí)容易拾取。以某一次到時(shí)拾取為例，只有1個(gè)測(cè)點(diǎn)收到的波形信息起跳位置明顯(即離爆破位置最近的1個(gè)測(cè)點(diǎn)波形清楚)，其余測(cè)點(diǎn)的波形信息起跳位置不明顯。這種情況下，到時(shí)位置可以以波形的第1個(gè)峰值位置作為到時(shí)信息拾取位置，到時(shí)波形如圖4所示。

圖4 到時(shí)波形選擇

2.2 定位計(jì)算

在定位計(jì)算過(guò)程中，需要根據(jù)收到微震事件測(cè)點(diǎn)的數(shù)量確定定位方法。在監(jiān)測(cè)工作中遇到過(guò)有1～6個(gè)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到微地震事件。

(1)1個(gè)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到微地震事件的定位方法:當(dāng)只有1個(gè)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到微地震事件時(shí)，按理論來(lái)說(shuō)是不能定位的，但根據(jù)波的傳播規(guī)律，可以進(jìn)行粗略的定位。如一次生產(chǎn)爆破后，知道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能測(cè)得的最大距離，以及振幅與傳播距離的對(duì)應(yīng)關(guān)系，再將系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)的布置考慮在內(nèi)，因此，可以得到1個(gè)微地震事件發(fā)生的估計(jì)震源點(diǎn)。估計(jì)震源點(diǎn)與實(shí)際震源點(diǎn)的誤差要根據(jù)地層地質(zhì)結(jié)構(gòu)不同而不同，總體來(lái)說(shuō)，誤差值較大，得出的震源點(diǎn)的位置是一個(gè)區(qū)域位置。

(2)2個(gè)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到微地震事件的定位方法:當(dāng)1個(gè)微地震事件發(fā)生后，如果有2個(gè)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到此次事件，定位工作首先做的是分析事件的到時(shí)和振幅信息，從中發(fā)現(xiàn)震源位置距離哪個(gè)測(cè)點(diǎn)距離較近，根據(jù)振幅與傳播距離的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以判斷震源發(fā)生的位置，此位置與實(shí)際震源位置的誤差值也較大，震源點(diǎn)也代表著一個(gè)區(qū)域范圍。

(3)3個(gè)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到微地震事件的定位方法:當(dāng)1個(gè)微地震事件發(fā)生后，如果有3個(gè)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到此次事件，定位工作首先做的是查看3個(gè)測(cè)點(diǎn)的空間分布位置及到時(shí)拾取工作，如果3個(gè)測(cè)點(diǎn)分布于空間立體位置，可以使用項(xiàng)目組研究的“雙曲線(xiàn)定位”方法，利用雙曲線(xiàn)在空間的交點(diǎn)定位得出震源位置。如果3個(gè)測(cè)點(diǎn)分布于平面位置中，無(wú)法利用“雙曲線(xiàn)定位”，此時(shí)，需要分析事件的到時(shí)和振幅信息，根據(jù)振幅與傳播距離的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以判斷震源發(fā)生的位置，此定位結(jié)果與實(shí)際震源位置的誤差值相對(duì)前2種情況的定位效果良好，震源點(diǎn)距離定位點(diǎn)的距離在20 m左右。

(4)4～6個(gè)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到微地震事件的定位方法:在微地震事件監(jiān)測(cè)的測(cè)點(diǎn)較多的情況下，如4個(gè)測(cè)點(diǎn)或是4個(gè)以上的測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到微地震事件，在拾取到時(shí)工作完成后，將到時(shí)信息導(dǎo)入“微地震分布式定位系統(tǒng)”進(jìn)行定位，定位誤差在15 m左右。

編寫(xiě)了基于CserialPort類(lèi)的上位機(jī)管理軟件，實(shí)現(xiàn)了與下位機(jī)的通信，完成了對(duì)微震信號(hào)的收集，運(yùn)用定位算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)微震震源的定位。以2013年1月4日定位事件為例，定位結(jié)果為(4 489.1，5 441.4，－231)。經(jīng)過(guò)圖中坐標(biāo)與實(shí)際坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換后便可以得出微地震事件發(fā)生位置的確切地點(diǎn)。如圖5所示。

圖5 事件的定位結(jié)果輸出

3 微地震事件分析

在建立深部監(jiān)測(cè)系統(tǒng)之前，每天監(jiān)測(cè)到的微地震事件數(shù)量在5個(gè)左右，而深部微地震建立之后，每天監(jiān)測(cè)到微地震事件數(shù)量在10～20個(gè)，除了能監(jiān)測(cè)到微地震系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)范圍內(nèi)的生產(chǎn)爆破信息，還能監(jiān)測(cè)到一定量的動(dòng)壓引起的巖體活動(dòng)的微地震事件。51#勘探線(xiàn)附近的測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到微地震事件表明，在－400 m水平51#采場(chǎng)西部的采場(chǎng)地壓活動(dòng)性較強(qiáng)。微地震事件數(shù)量反映了微地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能對(duì)51#采場(chǎng)進(jìn)行良好的監(jiān)測(cè)，達(dá)到了深部采場(chǎng)圍巖穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)的目的。

微地震事件的能量間接的由地震波的振幅值表達(dá)，再由測(cè)點(diǎn)位置的能量反算震源位置的震級(jí)。未安裝51#勘探線(xiàn)深部檢波器時(shí)，開(kāi)采擾動(dòng)引起的小能量微地震事件很多都未監(jiān)測(cè)到，只監(jiān)測(cè)到一部分能量稍大的微地震事件。經(jīng)過(guò)1個(gè)月的深部監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)，比較可知，在開(kāi)采擾動(dòng)的初期，地壓活動(dòng)性較弱，能量較小，當(dāng)?shù)貕悍e累至一定程度后，必然導(dǎo)致大能量事件的發(fā)生，巖體破裂時(shí)在震源位置能產(chǎn)生最大0.57級(jí)的震級(jí)。目前監(jiān)測(cè)到的深部動(dòng)壓導(dǎo)致的巖體破裂事件能量最小值在30 J，巖體破裂事件能量最大值在279.3 J。

微地震系統(tǒng)安裝完畢后，2013年4月份連續(xù)3 d監(jiān)測(cè)到大量的開(kāi)采擾動(dòng)產(chǎn)生的微地震事件。動(dòng)壓微地震事件波形與爆破、人為干擾、電干擾等波形有明顯的區(qū)別，從波形圖中看以看到明顯的震動(dòng)波形，其次，波形圖中記錄下的震動(dòng)波形之間時(shí)間間隔極短，震動(dòng)波形未完全衰減，下次震動(dòng)又至，震動(dòng)波形和波形之間不易區(qū)分;一般情況下波形圖中記錄的震動(dòng)能量值不大，在100 mV左右。典型動(dòng)壓微地震事件波形圖如圖6所示。

圖6 典型動(dòng)壓微地震事件波形

從3個(gè)方面分析了微地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)效果，微地震事件數(shù)量明顯增加，微地震事件能量可以測(cè)量，對(duì)一些不容易明確計(jì)算能量的事件可以進(jìn)行估值;動(dòng)壓引起的微地震事件波形判別容易，表明微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)效果明顯。

4 結(jié)論

針對(duì)三山島金礦新立礦區(qū)的實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)情況，搭建了微震監(jiān)測(cè)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)巖爆和斷層突水事故的預(yù)防。系統(tǒng)自建成以來(lái)，運(yùn)行良好，實(shí)現(xiàn)了對(duì)井下巖爆突水事故的監(jiān)測(cè)監(jiān)控，系統(tǒng)可以根據(jù)礦山實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)通道的擴(kuò)展，也可以將系統(tǒng)移植到其他礦區(qū)或礦山使用，系統(tǒng)具備良好的可擴(kuò)展性和可移植性。微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)海底礦床巖爆和突水事故的精確監(jiān)測(cè)監(jiān)控，避免了礦山災(zāi)害的發(fā)生，提高了井下作業(yè)的安全性，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

［1］ Wang H L，GE M C.Acoustic emission microseismic Source location analysis for a limestone mine exhibiting［J］.International Journal of Rock Mechanics and Ming Sciences，2008，45(5):720-728.

［2］ GE M C.Efficient mine microseismic monitoring［J］.International Journal of Coal Geology，2005，64(1/2):44-56.

［3］ 李庶林.討論微震監(jiān)測(cè)技術(shù)在地下工程中的應(yīng)用［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2009，5(1):122-128.

［4］ 楊天鴻，唐春安，譚志宏，等.巖石破壞突水模型研究現(xiàn)狀及突水預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)研究發(fā)展趨勢(shì)［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26(2):268-277.

［5］ 姜福興，Xun Luo，楊淑華.采場(chǎng)覆巖空間破裂與采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)的微震探測(cè)研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2003，25(1):23-25.

［6］ 陸菜平，竇林名，吳興榮，等.巖體微震監(jiān)測(cè)的頻譜分析與信號(hào)識(shí)別［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2005，27(7):772-775.

［7］ 潘一山，趙揚(yáng)鋒，官福海，等.礦震監(jiān)測(cè)定位系統(tǒng)的研究及應(yīng)用［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26(5):1002-1011.

［8］ 趙興東，唐春安，李元輝，等.基于微震監(jiān)測(cè)及應(yīng)力場(chǎng)分析的沖擊地壓預(yù)測(cè)方法［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24(增1):4745-4749.

［9］ 李洪濤，盧文波，舒大強(qiáng)，等.爆破地震波的能量衰減規(guī)律研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29(增1):3364-3369.

［10］ 宋光明，曾新吾，陳壽如，等.位置條件對(duì)爆破震動(dòng)信號(hào)分析中小波包時(shí)頻特征的影響［J］.工程爆破，2002，8(4):1-6.