某礦微震監(jiān)測系統(tǒng)設計與臺網(wǎng)精度分析

袁本勝，張 君，劉建東，韓志磊

（1．北京礦冶研究總院，北京102600；2．金屬礦山智能開采技術北京市重點實驗室，北京102600）

2013年9月23日夜間，某礦采區(qū)所屬綜合井、東風井上部采空區(qū)發(fā)生大面積垮塌，波及范圍上至地表、下至綜合井五中段（175m水平），垂直深度達400余米。

空區(qū)塌方前，采區(qū)內(nèi)部分巷道有不同程度的前兆反應：8月3日前后，東風井運輸?shù)溃≒D8脈外巷）內(nèi)側沿脈發(fā)生頂板冒落；8月15日前后PD5坑口門平臺（沿脈）出現(xiàn)小塌陷坑；9月10日PD9局部巷道發(fā)生邊幫脫落，脫落毛石約30t；9月21日綜合井三中段局部運輸?shù)理敯灏l(fā)生小范圍冒頂，塌方毛石約100t；9月22日綜合井一中段采場內(nèi)有塌方聲音；9月23日夜上部采空區(qū)出現(xiàn)大面積坍塌。9月24日全天垮塌現(xiàn)象較為頻繁，之后垮塌的間隔時間逐步加長，最近一次小范圍垮塌發(fā)生在10月5日。

經(jīng)過實地考察判斷，垮塌長度在450m左右，寬度20～70m。地表原有及塌方過程中產(chǎn)生的塌陷坑，已被上部山體塌落毛石全部填平。塌方區(qū)域內(nèi)下盤巖石較為穩(wěn)定，上盤70m左右處地表出現(xiàn)一條不規(guī)則裂縫。井下情況如下：①PD08平硐以上空區(qū)全部坍塌；②綜合井一、二、三、四和五中段主沿脈巷道接近礦脈10～20m范圍坍塌嚴重已無法進入，推斷各中段沿脈及脈外巷道坍塌范圍在150～300m；③東風井因各中段垮塌無法進入，具體受損情況不詳。但東風井上部平硐預留礦柱較大且附近開采程度較小，加之礦脈走向較短、礦脈較窄，分析其塌方程度低于綜合井附近。

根據(jù)現(xiàn)場查看情況估算本次采空區(qū)垮塌范圍如圖1中密集網(wǎng)格所示的區(qū)域。從圖中可以看出本次垮塌范圍為上至地表、下至226中段、東至東風井附近、西部至綜合井。

圖1 垮塌區(qū)域估計

本次采空區(qū)垮塌造成部分開拓巷道和大部分采準巷道廢棄，綜合井生產(chǎn)系統(tǒng)全部被破壞，東風井通風系統(tǒng)部分受損，井下啟動生產(chǎn)必須重建和完善風、水、電等各大系統(tǒng)。

1 采空區(qū)垮塌分析

經(jīng)分析采空區(qū)垮塌主要原因如下：①隨著開采深度的不斷增加，礦壓不斷加大，深部留下的空區(qū)越來越多，采空區(qū)頂?shù)装鍘r石及礦柱的應力狀況逐漸惡化；②在綜合井沿走向中偏西段縱向上有一條帶形斷層破碎帶，部分原生礦巖整體穩(wěn)固性低；③由于空區(qū)存在時間較長、體積大（約130萬～170萬m3），受PD9及以上保護層礦柱部分被采和深部開采的擾動影響，采空區(qū)頂?shù)装鍘r石及礦柱承壓超過極限，最終導致垮塌。

2 存在的主要問題

某礦采區(qū)采空區(qū)大面積垮塌導致了井下生產(chǎn)系統(tǒng)全面破壞，需要重建和完善風、水、電等各大系統(tǒng)方能恢復井下生產(chǎn)。盡管此次垮塌使采空區(qū)地壓能量得到部分釋放，空區(qū)的威脅有所降低，但目前采空區(qū)是否趨于穩(wěn)定還未可知，潛在的震動與沖擊仍然會對礦山井下安全構成威脅，因此需要首先對采空區(qū)的穩(wěn)定性進行分析和評估。

采空區(qū)地壓監(jiān)測是分析采空區(qū)穩(wěn)定性的有效技術手段。該礦采空區(qū)規(guī)模大、走向長、分布范圍廣，采用應力、應變、位移等傳統(tǒng)監(jiān)測手段，僅能從局部監(jiān)測空區(qū)變化情況，難以掌握空區(qū)的整體變化及穩(wěn)定狀況。本方案選擇目前世界上最先進的微震監(jiān)測手段對某礦采區(qū)采空區(qū)穩(wěn)定性進行整體、全面、實時的監(jiān)測，為地壓監(jiān)測系統(tǒng)的建立和井下生產(chǎn)系統(tǒng)的恢復提供指導。

3 監(jiān)測系統(tǒng)設計

采空區(qū)頂板跨塌所誘發(fā)的沖擊地壓是某礦采區(qū)1號和2號礦體東部采空區(qū)的主要危害，根據(jù)采空區(qū)形態(tài)及歷史地壓顯現(xiàn)規(guī)律，擬選擇326中段、276中段和126中段作為微震監(jiān)測傳感器的主要安裝中段。

某礦采空區(qū)從376中段到126中段，垂直高度100m，空區(qū)跨度800m，根據(jù)該礦采空區(qū)現(xiàn)場的情況以及傳感器本身的接收范圍，共設計布置3個數(shù)據(jù)采集基站、12支傳感器，系統(tǒng)框架圖見圖2。

圖2 某礦微震監(jiān)測系統(tǒng)設計框架圖

1）在276中段下盤穩(wěn)定區(qū)域重新掘進脈外巷道，安裝2臺數(shù)據(jù)采集基站和6支微震檢波傳感器。在脈外巷道掘進過程中，可先在現(xiàn)有或已掘進的巷道里鉆孔安裝帶有可拆卸裝置的微震傳感器進行監(jiān)測，保證脈外巷道掘進工作的安全；隨著巷道掘進面向前推進，利用可拆卸裝置將傳感器回收并轉移至新掘進面附近進行安裝。

2）延伸126中段現(xiàn)有運輸巷至東風井附近，在該巷道內(nèi)安裝1臺數(shù)據(jù)采集基站和4支檢波器。

3）在376中段、326中段運輸大巷脈外封堵位置附近分別安裝1支傳感器。

由于設計采用的微震監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器有效監(jiān)測范圍約為200m，在376中段、326中段以及276中段布置的8個傳感器可覆蓋的監(jiān)測范圍包括276中段及以上200m，也即從276中段、326中段、376中段以及上部的PD10，甚至PD9和PD8西側綜合井附近的局部區(qū)域所發(fā)生的微震活動均可被這套微震監(jiān)測系統(tǒng)所監(jiān)測到。在126中段和276中段布置的共10個傳感器形成的監(jiān)測臺網(wǎng)，可覆蓋的監(jiān)測范圍包括226中段、176中段、126中段，也即在126～276中段不需要再增加微震監(jiān)測點，即可對該區(qū)域發(fā)生的地壓活動實現(xiàn)完全監(jiān)測。

綜上所述共12支微震傳感器共同組成的監(jiān)測臺網(wǎng)，可實現(xiàn)對PD10、426中段、376中段、326中段、276中段、226中段、176中段、126中段等區(qū)域采空區(qū)地壓活動情況的整體實時監(jiān)測。傳感器的安裝坐標見表1。

根據(jù)礦體頂?shù)装鍑鷰r物理力學性質，參照類似礦山實際參數(shù)，巖石移動角按上盤65°、下盤70°、側移75°分別圈定該礦體在126中段、276中段、326中段、376中段的移動帶。通過微震監(jiān)測點與移動帶的位置比較，可以看出所設計的傳感器位置及掘進巷道均在各中段移動帶以外，因此所選的監(jiān)測位置及掘進巷道均是安全的。移動帶及各監(jiān)測點具體位置見圖3、圖4、圖5、圖6，圖中礦體周邊的粗線即代表著該中段礦體移動帶。

表1 傳感器安裝位置坐標

圖3 126中段移動帶及微震監(jiān)測點位置圖

4 監(jiān)測施工區(qū)域安全性分析

圖4 276中段移動帶及微震監(jiān)測點位置圖

圖5 326中段移動帶及微震監(jiān)測點位置圖

圖6 376中段移動帶及微震監(jiān)測點位置圖

垮塌之后，礦山派人查看現(xiàn)場情況，在276、326中段、376中段綜合井附近、礦體以外巷道未發(fā)現(xiàn)冒頂、片幫、陷落情況，未見有地下水，未有氣浪沖擊現(xiàn)象，且在垮塌之后，礦山組織人員在礦體外30多米外建立了封堵墻，避免沖擊地壓對人員設備的傷害。根據(jù)以上情況，基本判斷本方案所設計的一期微震監(jiān)測點所在的是安全的，具備安裝微震監(jiān)測設備的條件。

為了保證本系統(tǒng)實施過程中的人員設備安全，根據(jù)采空區(qū)和井下生產(chǎn)系統(tǒng)現(xiàn)狀，先在可實施的區(qū)域布置微震監(jiān)測點，初步建立微震監(jiān)測系統(tǒng)，為后續(xù)系統(tǒng)的建立和巷道掘進提供安全指導，隨著新巷道掘進工作的推進，逐步建立和完善微震監(jiān)測系統(tǒng)。因此，擬將本監(jiān)測系統(tǒng)的實施分為兩個階段。

第一階段：首先在376中段安裝1個傳感器、在326中段安裝1個傳感器、在276中段西側脈外穩(wěn)定區(qū)域安裝2個傳感器；在276中段綜合井附近安裝1＃微震數(shù)據(jù)采集基站；在地面監(jiān)控中心安裝微震數(shù)據(jù)采集與分析服務器。待監(jiān)測系統(tǒng)線路敷設和安裝調(diào)試工作完成后，立即啟動微震監(jiān)測服務器的采集與數(shù)據(jù)分析工作，為后續(xù)巷道開拓提供參考。

第二階段：待1＃微震數(shù)據(jù)采集基站投入運行后，開始實施276中段下盤脈外巷道以及126中段延伸巷道。隨著巷道開拓的推進，可陸續(xù)鉆孔安裝微震傳感器進行監(jiān)測，以保證巷道開拓工作過程中的人員設備安全。

5 臺網(wǎng)精度分析

在對監(jiān)測點位置進行初步布置后，對監(jiān)測臺網(wǎng)做臺網(wǎng)精度分析，進行更深層次的優(yōu)化。臺網(wǎng)精度分析是基于如下理論獲得的［1］。

設地震事件震源未知數(shù)，見式（1）。

式中：t0為地震事件發(fā)生的時間；x0，y0，z0為地震事件發(fā)生的三維坐標。

A．Kijko和 M．Sciocatti［2－3］認為傳感器測站位置的優(yōu)化取決于x的協(xié)方差矩陣Cx，見式（2）。

式中：K為常數(shù)，A值表達式見式（3）。

式中：Ti（i＝1，…，n）為計算得到的地震到時；n為傳感器觀站數(shù)。

該協(xié)方差可用置信橢球體進行圖形解釋，協(xié)方差矩陣的特征值構成橢圓主軸的長度。求解測站優(yōu)化即求解使該橢球體體積最小的測站布置。由于該橢球體體積最小的乘積成比例，因此，對監(jiān)測網(wǎng)所記錄到的所有地震事件，優(yōu)化的測站位置應使式（4）最小化。

式中：ne為地震事件數(shù)，位于將被監(jiān)測的地震活躍的區(qū)域；ph（hi）為震源為hi＝｛xi，yi，zi｝T的事件的相對重要性，可以是一個事件出現(xiàn)在該位置相鄰的概率函數(shù)；λx0（hi）為 Cx的特征值。

在實際礦山設計微震監(jiān)測臺網(wǎng)時，可根據(jù)礦山實際情況設計多個測站布置方案，利用上述方法繪制每種測站布置方案對應的地震事件參數(shù)x＝｛t0，x0，y0，z0｝T的標準誤差圖，從中確定最優(yōu)測站布置方案。S．J．Gibowicz和 A．Kijko［4］表示震中位置的標準差見式（5）。

式中：（Cx）ij為矩陣 Cx的（i，j）元素。

由上式繪制的期望標準差圖形是事件震級的函數(shù)，即該圖形表示了震級為ML、震源坐標為hi的地震事件的震源定位標準誤差。

本方案由于采空區(qū)現(xiàn)場條件的限制，傳感器WZ1－01～WZ1－04距離其它傳感器距離較遠，所以在臺網(wǎng)精度分析時，將監(jiān)測臺網(wǎng)分成兩部分單獨進行：WZ1－01～WZ1－04為第1組，其它8支傳感器（WZ2－01～WZ2－04、WZ3－01～WZ3－04）為第2組。它們分別的定位精度與傳感器靈敏度云圖見圖7、圖8。從圖中可以看出：①傳感器所包圍的監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部定位誤差在18m，局部地方達到9m，監(jiān)測區(qū)域外部定位誤差較大，44～62m；②傳感器所包圍的監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部傳感器靈敏度在－1．9m／min；監(jiān)測區(qū)域外部附近為－1．4～－1．1m／min。

6 結 論

1）某礦1＃和2＃礦體采空區(qū)規(guī)模大、走向長、分布范圍廣，采用應力、應變、位移等傳統(tǒng)監(jiān)測手段，僅能從局部監(jiān)測空區(qū)變化情況，難以掌握空區(qū)的整體變化及穩(wěn)定狀況。本方案選擇微震監(jiān)測手段對某礦采空區(qū)穩(wěn)定性進行實時監(jiān)測，具有施工安全性好、安裝維護方便、傳感器布置靈活及災源定位功能先進等優(yōu)點。

2）根據(jù)采空區(qū)現(xiàn)狀及微震傳感器特性，在某礦采區(qū)綜合井與豎井之間設置3個數(shù)據(jù)采集基站和12支微震傳感器共同組成監(jiān)測臺網(wǎng)，可實現(xiàn)對包括PD10、426中段、376 中 段、326中段、276 中 段、226中段、176中段、126中段等區(qū)域空區(qū)地壓活動情況的實時監(jiān)測。從臺網(wǎng)精度分析以及傳感器靈敏度分析云圖上可以看出，所設計的微震監(jiān)測臺網(wǎng)可以滿足監(jiān)測要求。

3）通過對礦體在376中段、326中段、276中段、226中段的移動帶分析，進一步確定了監(jiān)測點的布置位置處于移動帶以外，保證了監(jiān)測系統(tǒng)建設的施工安全。

4）設計采用帶有可拆卸裝置的微震傳感器，在巷道掘進過程中可回收前期安裝的傳感器并移至新工作面使用，節(jié)約了項目投資成本。

圖7 傳感器組1（WZ1－01～WZ1－04）臺網(wǎng)定位精度和靈敏度分析云圖

圖8 傳感器組2（WZ2－01～WZ2－04、WZ3－01～WZ3－04）臺網(wǎng)定位精度和靈敏度分析云圖

5）微震監(jiān)測數(shù)據(jù)判斷采空區(qū)穩(wěn)定性的原則：采空區(qū)失穩(wěn)之前微震事件率持續(xù)增加，且微震事件發(fā)生的位置集中；采空區(qū)失穩(wěn)之前微震能量釋放持續(xù)維持高位，有突然降低的趨勢，而此時微震累積視體積增加且有突然增高的趨勢。

［1］ 唐禮忠，楊承祥，潘長良．大規(guī)模深井開采微震監(jiān)測系統(tǒng)站網(wǎng)布置優(yōu)化［J］．巖石力學與工程學報．2006，25（10）：2036－2042．

［2］ Kijko A，Sciocatti M．Optimal spatial distribution of seismic stations in mines［J］．Int．J．Rock Mech．a(chǎn)nd Mining Sci．a(chǎn)nd Geomechanics Abstracts，1995，32（6）：607－615．

［3］ Kijko A．An algorithm for the optimum distribution of a regional seismic netxvorkfJ］，Pure Appl．Geophys．，1977，115：999－1009．

［4］ Gibowicz S J，Kijko A．An Introduction to Mining Seismology［M］．New York：Academic Press．1994．