陳祥祥，蘇振豪，李凌飛，江文武，李家福

（1.江西理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000；2.江西理工大學(xué) 應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，江西 贛州 341000；3.上海鵬旭信息科技有限公司，上海 201199）

某鎢礦地壓微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用研究

陳祥祥1，蘇振豪1，李凌飛1，江文武2，李家福3

（1.江西理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000；2.江西理工大學(xué) 應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，江西 贛州 341000；3.上海鵬旭信息科技有限公司，上海 201199）

以江西某鎢礦微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為背景，通過分析微震事件時(shí)空分布特征，分析一段時(shí)間內(nèi)不同區(qū)域的微震事件分布特征以及一定區(qū)域內(nèi)不同時(shí)間的微震事件分布特征，得出微震事件的時(shí)空分布特征，并圈定該礦山的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。結(jié)合能量指數(shù)、累積視體積和施密特?cái)?shù)等多參數(shù)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間的研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)巖體累積視體積快速增加，伴隨著能量指數(shù)、施密特?cái)?shù)快速下降，則發(fā)生大尺度巖體破裂的可能性增高，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)313采場(chǎng)坍塌地壓災(zāi)害事件進(jìn)行成功預(yù)警。研究結(jié)果對(duì)類似礦山地壓災(zāi)害監(jiān)測(cè)具有重要的借鑒意義。

微震監(jiān)測(cè)；時(shí)空分布；能量指數(shù)；累積視體積；風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警

隨著采礦工作的進(jìn)行和深入，礦區(qū)地壓?jiǎn)栴}日益突顯。微震監(jiān)測(cè)技術(shù)作為一種實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)手段，克服了傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)地壓監(jiān)測(cè)手段普遍存在監(jiān)測(cè)范圍的局部性、監(jiān)測(cè)點(diǎn)埋設(shè)的局限性、地壓活動(dòng)反應(yīng)的敏感度低，不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等技術(shù)缺陷，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)全方位監(jiān)測(cè)巖體裂隙時(shí)空演化、破壞的全過程［1-2］。研究介紹了江西某礦山微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建立及研究礦山微震事件時(shí)空分布特征，建立基于微震事件的多參數(shù)預(yù)警模型研究，有效地對(duì)礦區(qū)地壓災(zāi)害事件進(jìn)行預(yù)警。

1　礦山概況

該礦區(qū)發(fā)現(xiàn)于1918年，早期礦區(qū)民采現(xiàn)象嚴(yán)重。目前礦區(qū)有676、616、556、496、448、388、328、268和208共九個(gè)中段，中段高60m。388中段以上為平窿開拓，328、268中段以盲豎井、盲斜井方式聯(lián)合開拓。采礦方法主要有留礦法和階段空?qǐng)龇ā，F(xiàn)主要生產(chǎn)區(qū)段為496中段、448中段、388中段、328中段和268中段。經(jīng)多年的開采，已形成了大量的采空區(qū)，礦區(qū)內(nèi)斷層發(fā)育，現(xiàn)已有較大斷層11條，F(xiàn)3和F2斷層橫切整個(gè)礦體，斷層相鄰區(qū)域巖層非常破碎，穩(wěn)定性較差，暴露后即產(chǎn)生垮塌［3］。受礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育及開采欠平衡等因素的影響，近年來采區(qū)地壓活動(dòng)較為明顯，地壓活動(dòng)主要集中在該礦中部礦區(qū)與中部礦區(qū)的交界處，地壓活動(dòng)的表現(xiàn)形式以巷道等工程變形、局部地段出現(xiàn)裂縫和底板下沉為主，構(gòu)造帶有明顯地錯(cuò)動(dòng)，這已對(duì)礦區(qū)的安全生產(chǎn)構(gòu)成了威脅。礦山開采圖如圖1。

圖1　礦山開采圖Fig.1　M ining figure

2　微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)該礦區(qū)地質(zhì)條件和開采特點(diǎn)，針對(duì)地壓相關(guān)參數(shù)，同時(shí)考慮到傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)地壓監(jiān)測(cè)手段普遍存在的局限性，引進(jìn)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)在線進(jìn)行監(jiān)測(cè)，掌握上部空區(qū)在下部中段開采過程中的穩(wěn)定情況，起到預(yù)報(bào)預(yù)警作用，同時(shí)為制定下部中段的開采方案和空區(qū)控制方案提供依據(jù)［4-5］。

整個(gè)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)在該礦的268，388和496三個(gè)中段共布置了18個(gè)檢波器，其中3個(gè)三通道檢波器每中段各1個(gè)，15個(gè)單通道檢波器每中段各5個(gè)，三個(gè)中段共計(jì)24通道，實(shí)現(xiàn)對(duì)268、328、388、448、496、556等6個(gè)中段采空區(qū)的地壓監(jiān)測(cè)。檢波器監(jiān)測(cè)到的微震應(yīng)力波轉(zhuǎn)變成模擬電信號(hào)，通過檢波器信號(hào)線纜傳輸至采樣器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（NetADC）并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過波形處理器（netSP）分析和處理，并由專用調(diào)制解調(diào)器從各中段監(jiān)測(cè)工作站通過網(wǎng)絡(luò)通信線纜傳輸?shù)轿挥?88中段變電房的井下數(shù)據(jù)處理中心，并統(tǒng)一將所有井下監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)由專用調(diào)制解調(diào)器通過光纖傳輸?shù)轿挥诳涌诘奈⒄鸨O(jiān)測(cè)系統(tǒng)的服務(wù)器。系統(tǒng)拓?fù)鋱D及微震監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置如圖2、圖3。

圖2　微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig.2　Topologicalgraph ofm icroseism icm onitoring system

圖3　微震監(jiān)測(cè)點(diǎn)位分布圖Fig.3　Distribution ofm icroseism icmonitoring point

3　微震活動(dòng)的時(shí)空分布規(guī)律研究

對(duì)于采礦過程中誘發(fā)的微震事件，選取一段時(shí)間內(nèi)不同區(qū)域的微震事件的分布特征以及一定區(qū)域內(nèi)不同時(shí)間的微震事件分布特征進(jìn)行分析?？梢詼?zhǔn)確掌握由于開采擾動(dòng)形成的微震事件時(shí)空分布特征，進(jìn)行微震事件發(fā)生頻率預(yù)警，及時(shí)撤離微震事件發(fā)生異常區(qū)域的工作人員和設(shè)備，或遠(yuǎn)離事件發(fā)生區(qū)域，以降低短期內(nèi)人員作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)。

3.1同一時(shí)間域不同空間域微震事件分布規(guī)律研究

微震活動(dòng)以生產(chǎn)的采場(chǎng)為中心，形成微震活動(dòng)聚集區(qū)，即地壓活動(dòng)活躍區(qū)域，這些區(qū)域可能成為后續(xù)礦山井下安全生產(chǎn)的重要隱患，應(yīng)給與密切關(guān)注。所以，在進(jìn)行礦山微震事件空間分布特征分析時(shí)，也應(yīng)對(duì)特定空間內(nèi)事件域的微震事件活動(dòng)分布特征進(jìn)行分析［6］。圖4中（a）、（b）分別為2016年1月17～20日和2016年1月20～23日微震事件空間分布情況。

由圖3可以看出，微震事件區(qū)域分布特征在空間分布上極不均勻，在2016年1月17～20日和2016年1月20～23日，有3個(gè)明顯的微震事件活動(dòng)的聚集區(qū)，即圖4（b）中重點(diǎn)標(biāo)出的區(qū)域，937采場(chǎng)、3113采場(chǎng)、335采場(chǎng)和313采場(chǎng)，這四個(gè)采場(chǎng)是由于開挖巖體的應(yīng)力擾動(dòng)引起應(yīng)力集中和變動(dòng)，容易發(fā)生局部的片幫、冒頂?shù)葹?zāi)害。

在2016年1月17～20日和2016年1月20～23日兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)，微震事件主要集中在268～448m，496～556m之間少量分布。對(duì)比兩個(gè)時(shí)間段的微震事件，結(jié)合井下回采情況，發(fā)現(xiàn)該時(shí)間段在268～388m高層的313采場(chǎng)、268～388m高層的335采場(chǎng)和388～496m高層的937采場(chǎng)采礦活動(dòng)誘發(fā)微震事件增多，表明比較集中的頻繁回采活動(dòng)作業(yè)，及較大的采出礦量，對(duì)圍巖影響較大。巖體裂紋由壓密階段開始擴(kuò)展，一旦裂紋擴(kuò)展到貫通階段，極易造成采場(chǎng)跨冒災(zāi)害，建議對(duì)該區(qū)域重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，采取一定的安全加固措施，有必要進(jìn)行回采順序優(yōu)化或采用合理的采礦結(jié)構(gòu)參數(shù)。

圖4　微震事件空間分布圖Fig.4　Distribution ofm icroseism ic eventsspace

3.2同一空間域不同時(shí)間域微震事件分布規(guī)律研究

在實(shí)際開采條件下，微震事件的產(chǎn)生與時(shí)間相關(guān)，并且可以利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，分析微震事件空間、時(shí)間及能量的分布特征。對(duì)于采礦活動(dòng)過程中誘發(fā)的微震事件，可以采取一段時(shí)間內(nèi)的事件小時(shí)累積分布或天累積分布進(jìn)行分析。

圖5　313采場(chǎng)累計(jì)事件數(shù)和累積視體積隨時(shí)間變化關(guān)系圖Fig.5　Cum ulativenum ber of eventsand apparent volum e changesw ith tim ediagram of 313 stope

圖5是2015年8月1日～2016年1月23日，313采場(chǎng)回采過程誘發(fā)的微震事件累計(jì)數(shù)和累積視體積隨時(shí)間變化曲線。

曲線表明：微震事件發(fā)生頻率的隨機(jī)性很強(qiáng)，隨時(shí)間變化起伏較大。在2015年8月20～30日，微震事件隨時(shí)間變化近似直線，說明這個(gè)事件段微震事件增長(zhǎng)率為常數(shù)，顯示出微震發(fā)生的平穩(wěn)特性。但微震活動(dòng)并不總是保持平穩(wěn)狀態(tài)，有時(shí)候微震活動(dòng)會(huì)頻繁發(fā)生。在2015年9月8日前，微震事件表現(xiàn)為平穩(wěn)階段，此后以震群的形式集中發(fā)生，表現(xiàn)為明顯的續(xù)發(fā)性。這種續(xù)發(fā)性微震事件發(fā)生特征是巖體裂紋發(fā)生貫通的前兆特征。在2015年11月25日～2015年12月1日，2015年12月27日～2016年1 月6日，微震事件發(fā)生率趨于平穩(wěn)，顯示出微震活動(dòng)的間歇性特點(diǎn)。在微震活動(dòng)區(qū)上，微震活動(dòng)突然減弱或中斷，出現(xiàn)較長(zhǎng)事件的相對(duì)間歇或平靜期，可能是強(qiáng)微震事件發(fā)生誘發(fā)片幫、冒頂?shù)葹?zāi)害的前兆。微震活動(dòng)以間歇性和續(xù)發(fā)性交替活動(dòng)為表現(xiàn)形式。

4　微震監(jiān)測(cè)多參數(shù)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警研究

微震監(jiān)測(cè)的目的是掌握巖體受力變形狀態(tài)下微震活動(dòng)隨時(shí)間變化的過程。巖體微震監(jiān)測(cè)預(yù)警就是根據(jù)監(jiān)測(cè)到的微震參數(shù)的時(shí)間序列來預(yù)測(cè)微震參數(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)巖體未來可能發(fā)生的破壞進(jìn)行預(yù)警。該礦山的地壓災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警中選擇了能量指數(shù)、累積視體積和施密特?cái)?shù)等參數(shù)作為預(yù)警指標(biāo)。

能量指數(shù)：一個(gè)微震事件的能量指數(shù)是該事件所產(chǎn)生的實(shí)測(cè)輻射微震能E與區(qū)域內(nèi)所有事件的平均微震能（P）之比。平均能量可由該區(qū)域的實(shí)測(cè)平均能量和微震體變勢(shì)P關(guān)系（P）=d log（P）+c求得。d=1.0，表示平均能量與視應(yīng)力成比例關(guān)系。

能量指數(shù)越大表示事件發(fā)生時(shí)震源的驅(qū)動(dòng)應(yīng)力越大。

累積視體積：震源體積可以用V=P/Δε估算，它表示震源非彈性變形區(qū)巖體的體積［7］。微震體變勢(shì)可以從波形記錄可靠算得，應(yīng)變改變量依賴于計(jì)算模型，變形區(qū)形狀將影響到角頻率f0。因此，微小的f0不確定性可能會(huì)導(dǎo)致很大的lε的不確定性，從而影響震源體積VA的計(jì)算。

式中：E是巖石的剛度（剪切模量），MPa；εA是應(yīng)變；u是剪切模量；P為微震體變勢(shì)。累積視體積依賴于微震體變勢(shì)和輻射能。

在地震學(xué)中，視體積和能量指數(shù)是描述地震孕育過程的兩個(gè)重要參數(shù)，經(jīng)常用來描述地震發(fā)生前巖體的變化規(guī)律。巖石在接近破壞時(shí)，變形增長(zhǎng)加快而應(yīng)力增長(zhǎng)減少；在峰值后區(qū)，應(yīng)力隨變形的增長(zhǎng)而下降，根據(jù)巖石的失穩(wěn)理論，巖石進(jìn)入非穩(wěn)定階段后，應(yīng)力下降越快，巖石失穩(wěn)破壞越嚴(yán)重，同理也可通過累積視體積與能量指數(shù)隨時(shí)間的變化，獲取地壓災(zāi)害發(fā)生前的信息與規(guī)律。

施密特?cái)?shù)能測(cè)量震動(dòng)巖石流變的時(shí)空復(fù)雜程度，也是唯一反映位勢(shì)不穩(wěn)定的參數(shù)。施密特?cái)?shù)越低，微震變形越不穩(wěn)定［8］。在分析中一般取其對(duì)數(shù)，與累積視體積結(jié)合可以有效判定巖體的穩(wěn)定性。一般來說，累積視體積是一個(gè)逐步增加的過程，增加的幅度有快慢。若某時(shí)段累積視體積增幅加快，而施密特?cái)?shù)急劇降低，而后又逐步上升，則在此時(shí)段附近可能發(fā)生大事件。

在對(duì)數(shù)能量指數(shù)、累積視體積與施密特?cái)?shù)圖中，能量指數(shù)快速下降（能量指數(shù)曲線斜率的絕對(duì)值越大），累積視體積快速增加（累積視體積曲線斜率K越大），且施密特?cái)?shù)快速下降（施密特?cái)?shù)曲線斜率的絕對(duì)值越大），說明在該時(shí)間段內(nèi)所監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)的巖體部分區(qū)域進(jìn)入非穩(wěn)定破壞階段［9］，為巖體破裂的預(yù)警期，需及時(shí)對(duì)該區(qū)域的巖體破裂做出預(yù)警。

圖6為2015年8月1日～2016年1月23日313采場(chǎng)對(duì)數(shù)能量指數(shù)、累積視體積與施密特?cái)?shù)隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線圖。

圖6中，2015年8月～2015年12月，出現(xiàn)多處能量指數(shù)快速下降，這說明圍巖體積內(nèi)的能量超過了圍巖體的儲(chǔ)能能力，但考慮到累積視體積增加速率僅稍有增加，結(jié)合施密特?cái)?shù)的變化，這些預(yù)示著此次巖體破裂僅發(fā)生在巖體內(nèi)部，是諸多小尺度裂隙擴(kuò)展形成大尺度裂隙的過程，但未形成具有宏觀特征的巖體移動(dòng)或冒落現(xiàn)象；2016年1月19～21日時(shí)出現(xiàn)能量指數(shù)快速下降，同時(shí)伴隨著累積視體積快速增加及施密特?cái)?shù)的快速下降。這反映在該時(shí)間段內(nèi)所監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)的巖體部分區(qū)域進(jìn)入非穩(wěn)定破壞階段（軟化階段）［10-11］，這是大尺度巖體破壞發(fā)生前的顯著特征，為大尺度巖體破裂的預(yù)警期，及時(shí)對(duì)大尺度的巖體破裂做出了預(yù)警。隨著時(shí)間的推移，視體積進(jìn)一步增加，能量指數(shù)開始重新增加，進(jìn)入大尺度巖體破裂發(fā)生的危險(xiǎn)期，最終在進(jìn)入巖爆危險(xiǎn)期后第二天（1月22日）產(chǎn)生較大尺度的巖體破裂事件。

圖6　313采場(chǎng)對(duì)數(shù)能量指數(shù)、累積視體積與施密特?cái)?shù)圖Fig.6　Log.energy index，cumulativeapparentvolumeand Schm idtnumber of313 stope

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，328中段313采場(chǎng)頂板（即388中段313采場(chǎng)的底板）出現(xiàn)了失穩(wěn)垮塌，該區(qū)域正對(duì)388中段313采場(chǎng)1線裝礦機(jī)道和1線以西2號(hào)裝礦機(jī)道，如圖7。

圖7　313采場(chǎng)巖體坍塌圖Fig.7　Collapsediagram of 313 stope rockm ass

由微震事件數(shù)的時(shí)空分布特征圈定出的微震活動(dòng)聚集區(qū)，結(jié)合能量指數(shù)、累積視體積和施密特?cái)?shù)等多參數(shù)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，可以實(shí)時(shí)掌握礦區(qū)應(yīng)力變化情況，綜合累積視體積和施密特?cái)?shù)的變化情況，當(dāng)出現(xiàn)能量指數(shù)快速下降，伴隨著累積視體積快速增加和施密特?cái)?shù)的快速降低，此時(shí)對(duì)礦區(qū)做出風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，該區(qū)域需做安全排查，人員及設(shè)備的撤離。

5　結(jié)論

（1）通過對(duì)比一段時(shí)間內(nèi)不同區(qū)域的微震事件的分布特征，以及一定區(qū)域內(nèi)不同時(shí)間的微震事件分布特征并進(jìn)行分析，得出微震事件時(shí)空分布特征。圈定微震活動(dòng)聚集區(qū)，確定該礦山的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，這些區(qū)域可能成為后續(xù)礦山井下安全生產(chǎn)的重要隱患，應(yīng)密切關(guān)注。

（2）能量指數(shù)快速下降，同時(shí)伴隨著視體積快速增加及施密特?cái)?shù)快速下降，說明在該時(shí)間段內(nèi)所監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)的巖體部分區(qū)域進(jìn)入非穩(wěn)定破壞階段，視為大尺度巖體破裂的預(yù)警期，需及時(shí)對(duì)該區(qū)域的巖體破裂做出預(yù)警。

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Application of M icroseism ic M onitoring System in a Tungsten M ine

CHENXiangxiang1，SUZhenhao1，LILingfei1，JIANGWenwu2，LIJiafu3

（1.FacultyofResourceand EnvironmentalEngineering，JiangxiUniversity ofScienceand Technology，Ganzhou 341000，Jiangxi，China；2.CollegeofApplied Science，JiangxiUniversityofScienceand Technology，Ganzhou 341000，Jiangxi，China；3.ShanghaiPengxu Information and Technology Co.，Ltd.，Shanghai 201199，China）

The temporal and spatial distribution ofmicroseismic events in a tungstenmine of Jiangxi is obtained and the risk region is then decided.This paper then performs risk pre-warning by analyzing the various parameters，including energy index and cumulative apparentvolume and Schmidtnumber.The results showed that the increasing cumulative apparent volume of rock mass and quick reduction of energy index and Schmidt number lead to higher chancesof large scale rock rupture.The collapse of313 stope is successfully predicted.The research offers favorable guidance forground pressure disastermonitoringofsimilarmine.

microseismicmonitoring；spatial and temporal distribution；energy index；cumulative apparent volume；risk warning

TD326

A

10.3969/j.issn.1009－0622.2016.04.005

2016-02-22

陳祥祥（1991-），男，安徽淮南人，碩士研究生，研究方向：微震監(jiān)測(cè)技術(shù)與地壓管理研究。

江文武（1975-），男，浙江麗水人，副教授，主要從事地壓監(jiān)測(cè)與管理等研究。