BSN礦用微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在金屬礦山的工程應(yīng)用

婁 琪 蔡永順

(礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160)

我國是礦業(yè)大國，金屬礦山保有量多，采深日益增加且人員密集。在非煤礦山的安全事故中，冒頂坍塌事故和邊坡垮塌事故位居前兩位，占比達(dá)非煤礦山安全事故的78%，成為限制礦山可持續(xù)安全開采作業(yè)的瓶頸難題，研發(fā)和推廣地壓災(zāi)害監(jiān)測(cè)技術(shù)與裝備具有重大社會(huì)需求和實(shí)用價(jià)值。隨著高精度、高采樣率傳感器的研發(fā)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，礦山地壓監(jiān)測(cè)技術(shù)與裝備日趨成熟，特別是微震監(jiān)測(cè)技術(shù)，通過多通道微震傳感器實(shí)現(xiàn)巖體破裂事件的波形獲取、高精度定位和地球物理解釋，可對(duì)巖體內(nèi)的宏觀地壓分布和微觀節(jié)理裂隙發(fā)育狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山危險(xiǎn)源的時(shí)空演化情況及礦巖穩(wěn)定性進(jìn)行量化評(píng)估，廣泛應(yīng)用于金屬礦山的地壓監(jiān)測(cè)和露天邊坡滑坡監(jiān)測(cè)，逐步成為當(dāng)前行業(yè)高度認(rèn)可的地壓災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警手段[1-3]。

南非礦震技術(shù)研究院(Institute of Mine Seismology，簡(jiǎn)稱“IMS”)和加拿大工程地震組織(Engineering Seismology Group，簡(jiǎn)稱“ESG”)作為該領(lǐng)域的先行者，積累了豐富的地壓災(zāi)害防控經(jīng)驗(yàn)，他們開發(fā)的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在國內(nèi)外礦山企業(yè)占據(jù)了較大的市場(chǎng)份額。我國微震監(jiān)測(cè)技術(shù)與裝備相關(guān)研究起步較晚，目前大量工作集中于微震波形數(shù)據(jù)的分析和微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用，而國產(chǎn)的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)相對(duì)較少，成為限制我國礦山未來深井開采和露天大規(guī)模開采安全管控的瓶頸[4-9]。針對(duì)這一現(xiàn)狀，礦冶科技集團(tuán)有限公司研發(fā)了完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的BSN(BGRIMM Seismic Network)礦用微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了多通道時(shí)鐘同步、噪聲壓制、到時(shí)自動(dòng)拾取、震源定位等功能，并結(jié)合統(tǒng)計(jì)地震學(xué)相關(guān)方法，初步實(shí)現(xiàn)了基于微震活動(dòng)性分析的巖體危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。本文旨在系統(tǒng)闡述BSN礦用微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)特色，并結(jié)合應(yīng)用案例介紹該系統(tǒng)在礦山地壓監(jiān)測(cè)方面的實(shí)際應(yīng)用效果。

1 BSN礦用微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)

BSN礦用微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于對(duì)巖體破壞的微震事件的監(jiān)測(cè)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)巖體破壞孕育過程及機(jī)制分析，從而對(duì)巖體的應(yīng)力聚集、地壓演化、巖體破裂、損傷發(fā)展和應(yīng)力釋放進(jìn)行定量化表述，再將數(shù)據(jù)送至基于人工智能+大數(shù)據(jù)的全自動(dòng)微震監(jiān)測(cè)預(yù)警及運(yùn)維的云平臺(tái)，從而為采礦生產(chǎn)提供設(shè)計(jì)—開采—監(jiān)測(cè)—分析—預(yù)警—治理全流程中的安全狀態(tài)反饋，輔助礦山安全，高效可持續(xù)生產(chǎn)。BSN礦用微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 BSN礦用微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)

2 BSN礦用微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件組成

2.1 微震監(jiān)測(cè)傳感器

微震監(jiān)測(cè)傳感器作為采集微震波形信號(hào)的換能單元，將被測(cè)信號(hào)由震動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為可被微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)識(shí)別的電信號(hào)，具有較好的低頻響應(yīng)特性，可實(shí)現(xiàn)硬/軟巖下的微震信號(hào)的高保真拾取，并且支持安裝姿態(tài)的一體化自測(cè)量、檢波器編號(hào)的自辨識(shí)、微震監(jiān)測(cè)傳感器的可拆卸安裝等。BSN微震監(jiān)測(cè)傳感器及其可拆卸裝置照片如圖2所示。

圖2 BSN微震監(jiān)測(cè)傳感器及其可拆卸裝置

2.2 微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集分站

BSN微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集分站實(shí)物見圖3。微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集分站作為硬件平臺(tái)的核心數(shù)據(jù)管控裝置，主要由數(shù)采裝置、時(shí)間同步裝置、不間斷供電裝置等構(gòu)成，分別實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高精度、高可靠、高同步、不間斷的并行采集、處理、存儲(chǔ)及傳輸?shù)裙δ?，同時(shí)支持有效數(shù)據(jù)預(yù)觸發(fā)、可靠數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、網(wǎng)管型程控管理等。

圖3 BSN微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集分站

3 BSN礦用微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件平臺(tái)

3.1 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)管理軟件

微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)管理軟件主要實(shí)現(xiàn)硬件與軟件的配置、數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和顯示等功能。該軟件由多個(gè)協(xié)同運(yùn)行的軟件模塊組成，模塊間的通訊由連接到數(shù)據(jù)采集控制器的通訊子系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。如圖4所示，軟件支持對(duì)微震事件數(shù)據(jù)進(jìn)行在線查詢，也可動(dòng)態(tài)配置數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)流程，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)波形處理和預(yù)警。

圖4 BSN礦用微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)管理軟件

3.2 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理軟件

微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理軟件運(yùn)行在遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)終端上，主要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的濾波、震相到時(shí)識(shí)取、震相分類、波速校準(zhǔn)、震源定位、震源參數(shù)計(jì)算等數(shù)據(jù)處理功能，并將處理及分析結(jié)果，通過網(wǎng)絡(luò)推送至礦山安全監(jiān)測(cè)分析云服務(wù)平臺(tái)。如圖5所示。

圖5 BSN礦用微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理軟件

3.3 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析軟件

微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析軟件運(yùn)行在遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)終端上，主要在微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)上，通過采用二維圖表或三維圖形，完成震級(jí)/數(shù)量-時(shí)間統(tǒng)計(jì)、時(shí)空分布、震級(jí)分布、能量—地震矩、累積視體積—能量指數(shù)等專業(yè)分析，從而結(jié)合礦山采礦作業(yè)，進(jìn)一步完成數(shù)據(jù)深入分析，如圖6所示。

圖6 BSN微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析軟件

4 BSN礦用微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析服務(wù)

基于礦山安全監(jiān)測(cè)分析云服務(wù)平臺(tái)，建立數(shù)據(jù)報(bào)表、分析報(bào)告、預(yù)警信息等模板庫，實(shí)現(xiàn)異地?cái)?shù)據(jù)同步與前臺(tái)應(yīng)用開發(fā)，最終達(dá)到分析—統(tǒng)計(jì)—報(bào)表—報(bào)告—預(yù)警過程的在線發(fā)布。使用戶能夠快速獲得有關(guān)事件的參數(shù)及其位置信息，進(jìn)行縮放、平移和旋轉(zhuǎn)，對(duì)微震數(shù)據(jù)三維發(fā)布和分析結(jié)果進(jìn)行綜合分析。礦山安全監(jiān)測(cè)分析云服務(wù)平臺(tái)效果如圖7所示。

圖7 礦山安全監(jiān)測(cè)分析云服務(wù)平臺(tái)

5 BSN礦用微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工程應(yīng)用

結(jié)合廣西某鎢礦山的地壓監(jiān)測(cè)應(yīng)用案例對(duì)BSN礦用微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行效果進(jìn)行分析。該礦山的礦體分布廣、礦體薄，且屬急傾斜礦體，巖石結(jié)構(gòu)性差，礦石開采過后留下了大量的采空區(qū)，地壓?jiǎn)栴}突出。2018年，礦冶科技集團(tuán)有限公司承建了該礦山的地壓監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，在75 m中段、35 m中段與-5 m中段各穿脈采空區(qū)或采場(chǎng)周邊共布置了40個(gè)微震監(jiān)測(cè)點(diǎn)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)采空區(qū)及開采區(qū)域巖體破裂發(fā)生的微震事件，為礦山安全、合理生產(chǎn)提供參考。

圖8a顯示了該礦2020年11月的微震事件定位結(jié)果，其中，X為東西向，Y為南北向，Z為垂向。從XZ和YZ面可以看出微震事件主要集中在-5 m中段，與該時(shí)間段內(nèi)的礦山開采深度一致。微震事件定位誤差統(tǒng)計(jì)分布結(jié)果如圖8b所示，可以看到X、Y和Z方向的定位誤差均值大致為2.5 m，均方根誤差在2.5～3.8 m，定位結(jié)果較為精確。通過XY面的微震事件空間分布特征可以看到微震活動(dòng)大致分布在3個(gè)區(qū)域(見圖8a中虛線橢圓處)，微震事件總體上較為集中，由此可初步判斷這3個(gè)區(qū)域的巖體活動(dòng)性較高?，F(xiàn)場(chǎng)人工觀察結(jié)果與微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)果一致，進(jìn)一步佐證了地震活動(dòng)性分析結(jié)果的正確性。

圖8 BSN礦用微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取的微震事件的時(shí)空分布

6 結(jié)論

BSN礦用微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)了微震信號(hào)數(shù)據(jù)采集、多通道時(shí)間同步、信號(hào)噪聲壓制、到時(shí)自動(dòng)拾取、震源定位、地震活動(dòng)性分析等功能，并在實(shí)際礦山安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中得到了良好的應(yīng)用。該系統(tǒng)在已礦山穩(wěn)定運(yùn)行，在復(fù)雜工況環(huán)境下具備良好的抗干擾能力，且具備可拓展的功能以及可持續(xù)的后處理分析服務(wù)能力?；谠品?wù)模式，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、傳輸、分析、地壓管控的一體化，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)—遠(yuǎn)程的聯(lián)合分析，強(qiáng)化對(duì)礦山安全生產(chǎn)的指導(dǎo)作用，形成高效監(jiān)測(cè)、自動(dòng)處理、深入分析、智能預(yù)警及災(zāi)害防控等綜合性地壓監(jiān)測(cè)解決方案，具備較高的自動(dòng)化分析處理能力，可廣泛應(yīng)用于深井礦山地壓監(jiān)測(cè)和露天邊坡滑坡監(jiān)測(cè)，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和市場(chǎng)推廣前景。