IMS微震監(jiān)測技術(shù)在漂塘鎢礦的應(yīng)用

李海港，龍卿吉

(1.北京科技大學(xué)，北京 100083；2.江西省安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)研究中心(江西省工業(yè)安全工程技術(shù)研究中心)，江西 南昌 330030；3.北京礦冶研究總院，北京 100160；4.江西省安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局，江西 南昌 330030)

漂塘鎢礦地處享有“世界鎢都”美譽(yù)的江西省大余縣境內(nèi)，經(jīng)過八十多年的開采，目前漂塘礦區(qū)已形成了+676、+616、+556、+496、+448、+388、+328、+268和+208共九個中段，采礦方法主要有淺孔留礦法和階段空場法。隨著開采時間的增加，漂塘礦區(qū)采空區(qū)體積越來越大，礦區(qū)原有的地應(yīng)力隨開采不斷地發(fā)生變化、調(diào)整。礦區(qū)各中段不同程度的出現(xiàn)了裂縫、頂?shù)装逑鲁?、巷道變形、及冒頂片幫等地壓事件，礦區(qū)中東部區(qū)域地壓顯現(xiàn)更為明顯，對礦區(qū)人員生命財(cái)產(chǎn)構(gòu)成較大安全威脅。深埋礦床開采的關(guān)鍵技術(shù)問題之一是高地應(yīng)力環(huán)境誘致的地壓問題，包括采場地壓和井巷地壓問題，難采難支護(hù)、甚至誘發(fā)巖爆和礦震等動力地質(zhì)災(zāi)害已成為深部、高應(yīng)力礦床開采的基本地壓特征。微震監(jiān)測技術(shù)作為一種先進(jìn)的和行之有效的地壓監(jiān)測手段，在國外的高地應(yīng)力礦山得到了廣泛的應(yīng)用[1-4]。本研究在前期微震監(jiān)測技術(shù)試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，針對礦山巖體失穩(wěn)的安全隱患問題，對IMS微震監(jiān)測技術(shù)的實(shí)際效果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證分析。

1 IMS微震監(jiān)測技術(shù)

“IMS”是Institute of Mine Seismology(南非礦震研究院)的簡稱，該公司自主研發(fā)的IMS高精度微震監(jiān)測系統(tǒng)，是一個技術(shù)先進(jìn)的數(shù)字化、智能化、高分辨率地震監(jiān)測系統(tǒng)。具有在線地震信息處理，分析和可視化功能。該系統(tǒng)易于使用，可在Microsoft Windows或Linux操作系統(tǒng)下運(yùn)行。該系統(tǒng)基于模塊化設(shè)計(jì)，易于擴(kuò)展和系統(tǒng)升級，并提供全天候24小時技術(shù)支持，在礦山微震監(jiān)控領(lǐng)域處于全球領(lǐng)先地位。

2 IMS微震監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 微震檢波器

微震檢波器是IMS微震監(jiān)測系統(tǒng)中的核心設(shè)備之一，微震檢波器通過將巖石運(yùn)動(巖石速度或加速度)轉(zhuǎn)換成一個可衡量的電信號來衡量微震活動中釋放的能量及相關(guān)參數(shù)。根據(jù)檢測原理不同，檢波器分為速度檢波器、加速度檢波器和力平衡檢波器。IMS微震網(wǎng)絡(luò)可以是速度、加速度和力平衡檢波器的任意組合，同時每種檢波器有單向(通道)的和三向之分，單向檢波器主要檢測來自Z軸方向的巖石運(yùn)動和變化。而三向檢波器則可以監(jiān)測X、Y和Z軸三個方向的巖石運(yùn)動和變化，所以三向檢波器能對微震事件的源進(jìn)行最精確的檢測，從而使得微震事件源的定位更精確。漂塘礦區(qū)IMS微震監(jiān)測系統(tǒng)的檢波器是速度型檢波器，包含單向和三向檢波器的陣列組合。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)微震監(jiān)測經(jīng)驗(yàn)，檢波器間距150～200m左右技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較合理，漂塘礦區(qū)中段間距一般為60m左右，根據(jù)系統(tǒng)微震檢波器本中段可以兼顧相鄰中段數(shù)據(jù)的監(jiān)測特點(diǎn)，設(shè)計(jì)在礦區(qū)+496、+388和+268中段分別安裝5臺單通道檢波器和1臺三通道三向檢波器，整體監(jiān)測漂塘礦區(qū)多個中段的地壓微震事件，檢測器的三維立體分布如圖1所示，根據(jù)圖示設(shè)置檢波器陣列，可以計(jì)算得出系統(tǒng)對事件監(jiān)測的靈敏度(能監(jiān)測到最小震級的事件)，如圖2所示。由圖2可知，事件最大矩震級為-0.85，最小為-2.25，最大與最小事件的強(qiáng)度相差超過50倍，事件矩震級最小為-2.25表明微震監(jiān)測系統(tǒng)具有良好的靈敏度。

圖1 微震檢波器在漂塘礦區(qū)三維立體分布

圖2 中段區(qū)域微震事件靈敏度(俯視圖)

3 IMS微震監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行

3.1 系統(tǒng)的運(yùn)行

IMS地壓微震監(jiān)測系統(tǒng)自運(yùn)行以來，系統(tǒng)監(jiān)測到了發(fā)生在井下各中段的十幾萬個事件，平均每個月監(jiān)測到的事件數(shù)量有10000個，其中80%是干擾和噪聲，5%左右的是爆破事件，而剩余15%則是監(jiān)測到井下的微震事件，整個井下微震事件主要聚集井下各中段開采區(qū)域附近，主要分布在328、388和268中段的西部開采區(qū)域，監(jiān)測到最大震級為1.6的微震事件發(fā)生靠近328中段，微震事件分布如圖3所示。

3.2 系統(tǒng)監(jiān)測的波形

IMS地壓微震監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到井下多種波形，但主要有以下幾種：噪音波形、測試觸發(fā)波形、三通道檢波器X和Y通道出現(xiàn)問題的波形、三通道檢波器Z通道被干擾的波形、正常的微震事件的波形、兩個同時到達(dá)的微震事件波形和爆炸事件波形等。

3.3 微震事件波形的處理

監(jiān)測事件應(yīng)力波的檢波器的數(shù)量取決于事件震級和釋放能量的大小，同時也取決于檢波器的三維立體分布，一般來說，檢波器位置距離微震源越近，就越容易檢測到應(yīng)力波，檢波器網(wǎng)絡(luò)陣列越密，事件監(jiān)測效果就越好[5-8]。

除了常規(guī)的微震事件，礦區(qū)還有爆破、噪聲和干擾事件，針對這些事件，IMS微震軟件會進(jìn)行預(yù)處理、模型匹配，將一些無用的事件過濾，重點(diǎn)對微震事件進(jìn)行分析處理，根據(jù)檢波器檢測到應(yīng)力波到達(dá)的時間順序，微震軟件會將每個檢波器檢測到的應(yīng)力波形(包括P波和S波)通過原來采樣的時序呈現(xiàn)出來，如圖4所示。

圖3 微震事件分布 (左圖：震級>0級，右圖：震級>-4.0)

圖4 微震事件波形及微震處理軟件

3.4 事件的定位

事件的定位主要依賴于P波和S波到達(dá)檢波器時刻的確定，針對特征明顯的應(yīng)力波，軟件可以自動檢測P波和S波到達(dá)的時刻(圖5)，對于較為復(fù)雜、特征不明顯需要有經(jīng)驗(yàn)的工程師確認(rèn)到達(dá)時刻；同時越多檢波器檢測到事件的應(yīng)力波，就能獲得越精確的定位。

根據(jù)P波和S波的傳播速度差和到達(dá)檢波器的時間差，可以計(jì)算得出微震事件源距離檢波器的距離，多個(至少三個以上)檢波器在三維立體空間可以計(jì)算出微震事件源的大概位置，檢波器越多，事件定位越精確，如圖6所示。

圖5 微震事件P波和S波到達(dá)時刻的確定

圖6 多個檢波器定位事件三維位置

4 結(jié)論

IMS微震監(jiān)測系統(tǒng)自在漂塘鎢礦運(yùn)行以來，每天24小時對礦山巖體進(jìn)行微震監(jiān)控，成功對危險區(qū)域進(jìn)行預(yù)警，為礦區(qū)安全生產(chǎn)和開采方案的制定提供了依據(jù)。

1) 對巖體不穩(wěn)定性實(shí)現(xiàn)了三維定位。通過對各中段進(jìn)行24小時在線實(shí)時監(jiān)測，系統(tǒng)對巖體不穩(wěn)定位置實(shí)現(xiàn)了三維立體定位。

2)對于礦區(qū)重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域的巖體活動，微震事件定位精度在5～10m。事件定位的精確度越高，將越有利于正確分析和評估礦區(qū)的地壓變化規(guī)律，對于礦山安全生產(chǎn)具有很現(xiàn)實(shí)、具體的指導(dǎo)作用。

3) 對可能的地壓災(zāi)害提前發(fā)出預(yù)報預(yù)警。系統(tǒng)經(jīng)過微震數(shù)據(jù)分析，可做出巖體穩(wěn)定性的綜合性評估，對可能發(fā)生的安全威脅進(jìn)行預(yù)警預(yù)報。

4) 實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制和實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸，便于異地隨時查看系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和生產(chǎn)區(qū)域巖體活動狀況，掌握最新的巖體活動情況。

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