金川二礦區(qū)微震監(jiān)測區(qū)域多參數(shù)權(quán)重預(yù)警模型與對策分析

趙子巍 ，寇永淵 ，寇鵬飛 ，蔡雙

(1.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長沙 410012；2.國家金屬采礦工程技術(shù)研究中心， 湖南 長沙 410012；3.金川集團(tuán)股份有限公司二礦區(qū)， 甘肅 金昌市 737102)

隨著我國礦山逐步過渡到深部開采，巖爆等地壓災(zāi)害開始顯現(xiàn)，國外深井巖爆控制經(jīng)驗(yàn)表明，必要的采礦設(shè)計(jì)可以控制巖爆的發(fā)生，但在礦山開采過程中進(jìn)行巖爆預(yù)測的重要措施是開展微震監(jiān)測。自 2000年以后，國內(nèi)一些大型礦山陸續(xù)建立了微震監(jiān)測系統(tǒng)，相關(guān)的大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)在微震技術(shù)研究方面也取得了很多研究成果，為微震監(jiān)測技術(shù)在國內(nèi)礦山的普及作出了重要的貢獻(xiàn)。

1 礦山基本情況

微震監(jiān)測系統(tǒng)的基本原理就是檢波器監(jiān)測周圍環(huán)境的振動信號，并進(jìn)行相關(guān)計(jì)算處理，振動信號包含種類較多，如微震事件、爆破事件、機(jī)械振動、溜井放礦等信號。為了準(zhǔn)確地分析巖石破裂的活動情況，需要區(qū)分振動信號，剔除非微震信號的干擾，目前微震監(jiān)測系統(tǒng)尚不能高準(zhǔn)確性自動識別微震信號，仍需人工識別信號分類。信號分類的依據(jù)是波形特征和信號頻譜特征，信號特征歸納方法是：選取礦山特定時(shí)間的爆破信號進(jìn)行特征總結(jié)，如掘進(jìn)爆破、點(diǎn)炮，其次根據(jù)排除法濾掉爆破和噪聲事件，同時(shí)可以輔助波形的聲音特征識別微震事件，最后歸納微震事件信號的波形特征和頻譜特征。本文介紹了微震監(jiān)測系統(tǒng)在金川二礦區(qū)的應(yīng)用。

金川集團(tuán)股份有限公司是我國最大的鎳礦資源生產(chǎn)基地，其中二礦區(qū)年出礦量穩(wěn)定在430萬t/a，是我國有色金屬地下礦山年生產(chǎn)能力最大，機(jī)械化、現(xiàn)代化程度最高的充填采礦法礦山。

目前，金川二礦區(qū)隨著開采深度的增加，開采條件和作業(yè)環(huán)境惡化，回采過程地壓顯現(xiàn)劇烈，潛在災(zāi)變風(fēng)險(xiǎn)、安全問題突出，井巷工程破壞和返修量大，開采成本大幅上升，開采難度進(jìn)一步加劇。深部采準(zhǔn)工程現(xiàn)已頻發(fā)嚴(yán)重的冒頂片幫、底鼓、蠕變變形破壞等強(qiáng)烈的地壓顯現(xiàn)現(xiàn)象。故金川二礦區(qū)在1150～850 m建立了一套微震監(jiān)測系統(tǒng)，用以監(jiān)測深部開采的地壓穩(wěn)定性，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，提出采場災(zāi)變預(yù)測預(yù)報(bào)方法及其災(zāi)害防控對策，為實(shí)現(xiàn)二礦區(qū)深部安全高效開采提供重要技術(shù)支撐與安全保障。

2 典型事件波形特征研究

2.1 爆破事件典型波形

金川二礦區(qū)每天在不同時(shí)段會進(jìn)行不定時(shí)爆破作業(yè)。從爆破震源機(jī)理判斷，一般爆破的能量較大，因此波形振幅較大；爆破采用微差爆破方式，會形成多個(gè)振動微周期連續(xù)波形；爆破信號頻率成分復(fù)雜，同時(shí)以低頻信號為主。金川二礦的掘進(jìn)爆破的波形都比較容易辨識出來，而零星點(diǎn)炮的波形特征和微震的波形特征比較接近，需要通過頻譜和聲音等綜合識別手段才能加以區(qū)分開來。金川二礦區(qū)爆破信號典型波形如圖1所示。

圖1 金川二礦區(qū)爆破信號典型波形

2.2 噪聲事件典型波形

金川二礦區(qū)噪聲事件主要是機(jī)械振動信號，如打鉆、鏟運(yùn)機(jī)作業(yè)、風(fēng)機(jī)振動、溜井放礦、電磁干擾等。特征規(guī)律比較明顯，具有規(guī)律性的振動特征，且通過波形的聲音特征較容易分辨，如圖2所示。

圖2 金川二礦區(qū)噪聲事件典型波形

2.3 微震事件典型波形

金川二礦區(qū)的微震事件主要是巖石破裂或者斷層滑移等礦山巖體地壓活動事件，二礦區(qū)礦體比較破碎，且圍巖與充填體之間存在空隙，其破壞機(jī)理較為復(fù)雜且不利于能量的傳播；不同破壞原因形成的振動波波形特征不同，有的具有典型的P波和S波特征，有的S波不明顯；傳感器距離震源的遠(yuǎn)近，其波形特征和頻譜特征也不相同，距離近時(shí)P波和S波疊加在一起不易區(qū)分，而高頻部分信號特征明顯，距離遠(yuǎn)時(shí)高頻部分大幅衰減，而低頻信號較為明顯。通過排除前面的典型爆破波形和典型噪聲波形，以及綜合分析研究，總結(jié)出金川二礦區(qū) 4種典型微震事件波形，如圖3所示，圖3（a）、圖3（b）中的P波和S波比較容易區(qū)分，且主頻在400 Hz以上，而圖3（c）、圖3（d）中的P波和S波則不易區(qū)分，可以通過頻譜圖及聲音來還原識別，符合微震事件的頻譜特征。

圖3 金川二礦區(qū)微震事件典型波形圖

2.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

2021年4月系統(tǒng)監(jiān)測到了大量的事件，根據(jù)典型事件波形特征研究，事件中包含微震事件、爆破事件、噪聲事件等振動信號共計(jì) 2884個(gè)事件（見表1），其中微震事件占總數(shù)的 8.4%、爆破事件占總數(shù)的87.7%、噪聲事件占總數(shù)的3.9%，微震事件可進(jìn)行精確事件為129個(gè)，占總數(shù)的4.5%，觸發(fā)但不能進(jìn)行精確定位的微震事件114個(gè)。

表1 監(jiān)測事件統(tǒng)計(jì)

3 微震監(jiān)測區(qū)域多參數(shù)權(quán)重預(yù)警模型

3.1 預(yù)警模型

根據(jù)數(shù)據(jù)處理分析與統(tǒng)計(jì)的結(jié)果，建立區(qū)域多參數(shù)權(quán)重預(yù)警模型。區(qū)域劃分為各個(gè)中段范圍，中段高度為150 m，預(yù)警模型考慮4項(xiàng)參數(shù)，分別為單位區(qū)域事件率、區(qū)域能量對數(shù)總和、區(qū)域d值變化率和區(qū)域B值變化率，權(quán)重分別占比50%、30%、10%和10%，各項(xiàng)參數(shù)對應(yīng)打分見表2。根據(jù)多參數(shù)打分再乘以分配權(quán)重求和，所得分?jǐn)?shù)劃分為5個(gè)危險(xiǎn)等級，從低到高分別為綠色預(yù)警（1分）、藍(lán)色預(yù)警（大于1小于等于2分）、黃色預(yù)警（大于2小于等于3分）、橙色預(yù)警（大于3小于等于4分）和紅色預(yù)警（大于4小于等于5分）。

表2 多參數(shù)權(quán)重預(yù)警模型分值

例如，某中段區(qū)域事件率為15個(gè)/月，區(qū)域能量對數(shù)總和為-5，區(qū)域d值變化率為 2.1，區(qū)域B值變化率為1.5，計(jì)算見表3，總得分為2.2分，即此區(qū)域處于黃色預(yù)警。

表3 舉例計(jì)分

3.2 金川二礦區(qū)預(yù)警對策

根據(jù)所定義的不同顏色預(yù)警等級，給出對應(yīng)預(yù)警對策。

（1）綠色預(yù)警，說明該區(qū)域穩(wěn)定，無需采取任何措施；

（2）藍(lán)色預(yù)警，說明該區(qū)域穩(wěn)定性欠佳，需繼續(xù)監(jiān)測觀察，并提醒周邊生產(chǎn)作業(yè)人員提高警惕；

（3）黃色預(yù)警，說明該區(qū)域圍巖、支護(hù)或者充填體裂隙有所發(fā)育，發(fā)生了細(xì)微的破壞，需要安全員每日現(xiàn)場巡視觀察，是否有發(fā)生宏觀破壞，周邊生產(chǎn)爆破作業(yè)需降低頻率和強(qiáng)度，并提醒該區(qū)域生產(chǎn)作業(yè)人員提高警惕，待黃色預(yù)警降為藍(lán)色或綠色預(yù)警；

（4）橙色預(yù)警，說明該區(qū)域圍巖、支護(hù)或者充填體內(nèi)部或者暴露面已發(fā)生或者即將發(fā)生局部宏觀破壞，需圈定安全警戒，撤離并禁止人員、設(shè)備進(jìn)入，周邊生產(chǎn)爆破作業(yè)需降低頻率和強(qiáng)度，并提醒周邊生產(chǎn)作業(yè)人員提高警惕，待橙色預(yù)警降為黃色、藍(lán)色或綠色預(yù)警，可撤離警戒，并對破壞區(qū)域進(jìn)行支護(hù)；

（5）紅色預(yù)警，說明該區(qū)域圍巖、支護(hù)或者充填體潛在發(fā)生重大地質(zhì)災(zāi)害，需圈定安全警戒，撤離并禁止人員、設(shè)備進(jìn)入，停止周邊生產(chǎn)爆破作業(yè)，待紅色預(yù)警降為黃色、藍(lán)色或綠色預(yù)警，可撤離警戒，并對破壞區(qū)域進(jìn)行支護(hù)。

4 結(jié)語

（1）建立了金川二礦區(qū)1150～850 m微震監(jiān)測系統(tǒng)，用以監(jiān)測深部開采的礦巖體穩(wěn)定性。

（2）研究了二礦區(qū)爆破事件、噪聲事件及微震事件典型波形特征，用以區(qū)分各種事件，以利于微震事件的識別和處理分析。

（3）建立了金川二礦區(qū)區(qū)域多參數(shù)權(quán)重預(yù)警模型及預(yù)警對策，為二礦區(qū)深部安全高效開采提供了重要技術(shù)支撐與安全保障。