萬城鉛鋅礦的多通道微震監(jiān)測系統(tǒng)及其研究

馮曉東，楊 順

(1.萬城商務東升廟有限責任公司， 內(nèi)蒙古 巴彥淖爾市 015000；2. 長沙礦山研究院有限責任公司 采礦工程中心， 湖南 長沙 410012)

1 概 述

萬城鉛鋅礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市烏拉特后旗巴音寶力格鎮(zhèn)(東升廟)北東3 km處,行政區(qū)域劃分隸屬于烏拉特后旗管轄。該礦區(qū)地處狼山中段與河套平原接壤地帶，礦山于2004年投產(chǎn)開采。年生產(chǎn)能力70多萬噸，礦山采用豎井加斜井開拓方式，在分段空場法回采過程中，沒有保留中段頂?shù)椎V柱，形成了約130萬m3的特大采空區(qū)，為下部礦體的開采留下嚴重的安全隱患。目前形成的19，15，11和7號勘探線礦柱垂直高度達到40～110 m，如圖1所示。目前礦區(qū)有4個中段，分別為960,930,890 m及850 m中段，890 m及以上中段礦量已采空，均無采礦作業(yè)，形成了大面積的空區(qū)，單個采空區(qū)暴露面積超過3500 m2，礦柱穩(wěn)定性和采空區(qū)穩(wěn)定性問題突出。由于與地表貫通的通道總斷面小，一旦出現(xiàn)采空區(qū)失穩(wěn)的情況，采區(qū)受沖擊波的潛在危害極大。礦山具備極高的發(fā)生嚴重地壓災害的潛在危險。從上述的地壓問題看出，本礦生產(chǎn)安全形勢極為嚴峻，地壓監(jiān)測對于確保礦山安全生產(chǎn)，預防重大突發(fā)性地壓災害的發(fā)生具有極為重要的意義。因此，萬城鉛鋅礦與長沙礦山研究院有限責任公司合作，引進南非IMS微震監(jiān)測系統(tǒng)，成功建立了一套18通道微震監(jiān)測系統(tǒng)，于2013年9月底建成，并投入使用，18個傳感器分別位于萬7線、萬11線、萬15線與萬19線礦柱內(nèi)，主要監(jiān)測各礦柱的穩(wěn)定性。

圖1 采空區(qū)示意

2 多通道微震監(jiān)測系統(tǒng)

多通道微震監(jiān)測系統(tǒng)以巖體破裂釋放的彈性波為監(jiān)測對象，可對所監(jiān)測區(qū)域的巖體進行實時、全天候的自動監(jiān)測，同時實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠程傳輸，對波形數(shù)據(jù)進行處理并永久保存。通過傳感器陣列及時間同步信號，可對大能量多通道觸發(fā)事件進行震源定位。微震監(jiān)測系統(tǒng)的建立必須充分考慮所監(jiān)測對象及礦山的地壓現(xiàn)狀，結(jié)合萬城鉛鋅礦特點及安全問題，確定了監(jiān)測目標主要為萬7線、萬11線、萬15線、萬19線4個礦柱，傳感器布置如圖2所示。本套系統(tǒng)主要有地表主服務器、井下數(shù)據(jù)采集基站和傳感器3個部分組成，微地震信號經(jīng)由礦柱內(nèi)傳感器接受并通過前置放大器放大，經(jīng)數(shù)據(jù)采集基站進行A/D轉(zhuǎn)換并由光纜傳給地表主服務器，即可對傳上來的數(shù)據(jù)進行顯示及分析[1-2]。

圖2 18通道傳感器布置圖

本套監(jiān)測系統(tǒng)為全數(shù)字型寬頻帶全波采集監(jiān)測系統(tǒng)，可進行全天候?qū)崟r監(jiān)測。系統(tǒng)配置有Synapse、Trace、Ticker3D、JDI 4套軟件，可以實時顯示監(jiān)測的波形，并在三維模型中顯示震源定位的空間位置及坐標，對微震事件進行在線精確分析，并可實現(xiàn)對微震事件的震級、地震矩、釋放應力值等多指標的計算分析，還可進行譜分析獲得多種震源參數(shù)值等，為基于多參數(shù)分析巖體穩(wěn)定狀態(tài)提供了豐富的數(shù)據(jù)。

3 微震波形識別

就礦山微震監(jiān)測而言，微震波形辨識是技術(shù)難點。通常，礦山的工作環(huán)境復雜，采集的信號包含著各式各樣的噪聲，目前微震系統(tǒng)還無法實現(xiàn)對巖體破裂信號的自動識別與拾取，主要依賴于監(jiān)測人員的經(jīng)驗識別，因此針對本礦山井下不同震動信號產(chǎn)生機理的不同，傳感器最后記錄到的波形在振幅值、持續(xù)時間與時間間隔等表征的波形形態(tài)一般不同，通過對所收集到的波形進行分析，結(jié)合現(xiàn)場應用經(jīng)驗與井下作業(yè)規(guī)律，建立了一套適合本礦山的基于波形特征的信號經(jīng)驗識別方法[3-6]。

圖3描述了一個完整信號波形的幾個特征，包括幅值、信號持續(xù)時間、上升時間與信號間隔時間等直觀的特征，通過這些特征的差異對不同震源波形進行辨識。

圖4描述了不同震源波形的特點，(a)、(b)、(c)是井下巖體因承受的應力增加而導致巖體變形破裂產(chǎn)生的微震信號波形。這些信號是微震監(jiān)測的重點監(jiān)測對象，是監(jiān)測人員需要提取和進一步分析的有用信號。巖石破裂信號波形一般持續(xù)時間為15～30 ms，單個事件之間的時間間隔沒有規(guī)律性，(c)為典型的破裂面受剪切作用產(chǎn)生的彈性波波形，能較清晰地分辨出P波與S波震相，(a)與(b)為典型的破裂面受張拉作用產(chǎn)生的彈性波波形，只有P波震相。信號振幅大小與破裂源距離傳感器的遠近距離相關(guān)。(d)是鑿巖產(chǎn)生的波形，這類信號一般很好識別，單個事件波形之間的時間間隔與鑿巖設備的工作沖擊頻度相關(guān)，沖擊頻度穩(wěn)定，周期基本相等，信號振幅穩(wěn)定。(e)為生產(chǎn)爆破波形，由于爆破能量很大，一般會在離爆破點較近的傳感器產(chǎn)生限幅現(xiàn)象且被大多數(shù)傳感器接收到，這類信號一般在爆破作業(yè)時間產(chǎn)生，信號振幅一般很大。(f)是硬件設備運行異常時產(chǎn)生的沖擊電壓波形，這類信號一般幅值很大，且信號上升時間很短，振蕩簡單，一般很容易經(jīng)驗識別。

表1詳細地列出了井下不同震源的信號波形在信號持續(xù)時間、振幅值、上升時間與時間間隔等波形特征方面的差異。通過總結(jié)可以看出，鑿巖、爆破、電機車行駛與電子設備脈沖電壓干擾等信號波形的形態(tài)特征比較明顯，可以較容易地與巖體破裂信號進行區(qū)分，通過經(jīng)驗識別可以區(qū)分出大多數(shù)的噪音信號，為準確有效地提取有用信號和對礦柱與上覆巖體穩(wěn)定性狀態(tài)做出評價打下了堅實的基礎(chǔ)。

圖3 信號經(jīng)驗識別中幾個常用的特征

圖4 各類振動源信號波形

表1 礦山井下不同信號震源波形特征比較

4 監(jiān)測系統(tǒng)定位精度測試及分析

4.1 微震監(jiān)測定位方法

微震監(jiān)測定位方法有很多，主要分為幾何方法、物理法及數(shù)學方法等。在實際的礦山微震監(jiān)測應用中，Geiger法是應用最為廣泛的方法之一，它可以根據(jù)若干個傳感器被觸發(fā)的到時時差，選取一個迭代初值，通過一系列的迭代修正，使得計算出的殘值趨于最小值，最終取得最優(yōu)解。IMS的微震監(jiān)測系統(tǒng)也是基于Geiger法的基礎(chǔ)上，同時采用相對計算法來彌補Geiger法對于初始值過于依賴的缺陷，兩相結(jié)合提高定位精度[4，5，7]。

4.2 系統(tǒng)定位精度測試

在實際應用中，要根據(jù)礦山的實際情況設定適合該礦山巖體的波速，從而得出最佳的數(shù)據(jù)模型，減小定位誤差。測試定位精度一般采取人工定點爆破的方法，將系統(tǒng)定位的震源位置與實際爆破的震源位置進行比較，從而獲得定位誤差。

定位爆破測試點選在890 m中段萬11線與萬15線之間的巷道內(nèi)，該點在傳感器包裹的定位陣列以內(nèi)，通過設置不同的波速,比較系統(tǒng)定位點與實際爆破點之間的誤差，選擇出最適合本礦山的P、S波速模型。圖6所示為系統(tǒng)軟件波速反演擬合圖，得出適合礦山的P波波速為5070 m/s，S波波速為3314 m/s。在該速度模型下，系統(tǒng)定位坐標與實測坐標的對比見表2。該爆破測試信號被6個傳感器接收，爆破波形見圖5，實際坐標與爆破點的空間位見圖7。實心圓點表示系統(tǒng)自動定位點，圓圈表示實際爆破點。

表2 定位誤差

5 結(jié) 論

(1) 萬城鉛鋅礦18通道微震監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了對礦山內(nèi)巖體全天候?qū)崟r監(jiān)測，為掌握復雜空區(qū)開采巖體內(nèi)部穩(wěn)定性提供了有效的手段，提高了礦區(qū)安全生產(chǎn)的能力。

圖5 爆破波形

圖6 波速反演擬合

圖7 定位效果

(2) 根據(jù)礦山的特點，建立了一套與其相適應的波形辨識方法，極大的提高了有用信號的拾取能力，利用該經(jīng)驗識別法為后續(xù)的地震學分析提供了重要的原始數(shù)據(jù)，提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力。

(3) 采用人工爆破的方式對系統(tǒng)的精度進行測試，建立了適合本礦區(qū)的勻速速度模型，P波波速為5070 m/s，S波波速為3314 m/s，定位誤差在10 m以內(nèi)，實現(xiàn)了對震源的高精度定位，達到了預期的目標。

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