盧海珠

（中金嶺南凡口鉛鋅礦，廣東仁化 512300）

IMS微震監(jiān)測系統(tǒng)在礦山中的應用設(shè)計

盧海珠

（中金嶺南凡口鉛鋅礦，廣東仁化 512300）

針對我國金屬礦山在向深部開采過程中存在的地壓顯現(xiàn)問題，通過對微震技術(shù)工作原理分析及微震技術(shù)對地壓災害預警應用的可行性分析，確定采用IMS微震監(jiān)測系統(tǒng)對凡口鉛鋅礦應用微震監(jiān)測應用設(shè)計，確定IMS微震監(jiān)測系統(tǒng)傳感器、工作臺站及井下數(shù)據(jù)中心的布局，為凡口礦設(shè)計出有效井下地壓微震監(jiān)測系統(tǒng)，為進一步開展地壓災害預警及防控研究奠定基礎(chǔ)。

IMS；微震；監(jiān)測；應用

近年，我國部分金屬礦山已進入深部開采，此類礦山在開采過程中存在著多冒頂片幫、巖爆、礦震和采場大脫盤等嚴重地壓問題，深部開采中高應力地壓環(huán)境導致的地壓問題已成為深井開采亟待解決的問題之一［1］，近年隨著微震技術(shù)發(fā)展，利用微震技術(shù)對地壓災害預警在國外已有廣泛應用，因此，建立有效井下地壓微震監(jiān)測系統(tǒng)，并開展地壓災害預警及防控研究，實現(xiàn)以主礦體及深部礦體為重點的井下地壓監(jiān)測及控制，對于礦山安全生產(chǎn)意義重大。

1 微震監(jiān)測技術(shù)原理

1.1 微震監(jiān)測原理

微震信號的特征取決于震源性質(zhì)、巖體性質(zhì)及監(jiān)測點到震源的距離等，在震源周圍布置一定數(shù)量的傳感器，組成傳感器網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示，當巖體內(nèi)部產(chǎn)生微震事件時，傳感器拾取微震應力波信號，通過多點同步采集測定各傳感器接收信號的時間，連同傳感器坐標及所測波速代入計算，即可確定震源時空參數(shù)，實現(xiàn)震源定位目的［2，3］。

圖1 微震定位原理

通常采用4個獨立特征參量（ΣE，ΣM，X，t）的對數(shù)形式對微震事件進行量化和定義。其中，t為事件間的平均時間，X為相臨事件之間的平均距離（包括震源大小），ΣM為微震矩之和，ΣE為發(fā)射能量之和?；?個獨立特征參量，可求得如微震應變εs、微震應力σs、視體積VA、微震Schmidt數(shù)Scs等其它微震參數(shù)，由此得到同震變形及其應變率、應力和流變性的統(tǒng)計特征［4～6］。

1.2 微震與巖體穩(wěn)定性的關(guān)系

圖2是一個典型的巖石壓縮試驗過程示意圖，在t1之前試樣處于應變硬化階段，狀態(tài)穩(wěn)定；當經(jīng)過t1后應變增加而應力不再增大，試樣開始進入軟化階段，當通過t2后，開始進入不穩(wěn)定狀態(tài)，應力降Δσ加速而應變Δε發(fā)展加快，能量ΔU加速釋放，試樣發(fā)生破壞。

圖2 巖石應力應變破壞過程

本次微震監(jiān)測采用IMS微震監(jiān)測技術(shù)，IMS利用上述原理由監(jiān)測到的微震事件計算出伴隨能量的釋放而產(chǎn)生的應力降（用能量指數(shù)表示）和同震非線性體應變。根據(jù)一定范圍巖體內(nèi)的能量指數(shù)和體應變隨時間的變化，即可用于判斷巖體所處的工作狀態(tài)。如圖3所示，線條1表示能量指數(shù)隨時間的變化，線條2表示同震體應變隨時間的發(fā)展，當應變急劇增加，能量指數(shù)下降時，即預示著巖體進入失穩(wěn)狀態(tài)，由于能量指數(shù)下降和應變發(fā)展之間存在一定的時間差，由此時間差即可對巖體失穩(wěn)進行預警預報。

圖3 微震特征參數(shù)隨時間變化及預報原理1－能量指數(shù)；2－體應變

2 礦山微震監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建實踐

2.1 工程背景

本次礦山微震監(jiān)測系統(tǒng)工程實踐以中金嶺南凡口鉛鋅礦為實踐對象，凡口鉛鋅礦開采作業(yè)中段分淺部和深部采區(qū)，淺部采區(qū)主礦體Sh－320中段0＃采場在回采過程中，由于受礦巖結(jié)構(gòu)破碎、斷層、采礦爆破震動、空區(qū)暴露時間過長等因素的影響，發(fā)生了兩幫充填體跨幫，導致周邊相鄰區(qū)域出現(xiàn)較大面積失穩(wěn)，致使該地區(qū)成為了隱患區(qū)域。然而該區(qū)域資源品位高，并存留約30萬t的礦石量，具有重要的開采價值?？逅鷧^(qū)資源的開采條件極為復雜，面臨較大的安全風險，特別是巖體的失穩(wěn)風險。因此，需要對主礦體垮塌區(qū)影響范圍資源開采地壓進行有效監(jiān)測，為垮塌區(qū)資源回采過程提供預警信息，保障安全回采。具體監(jiān)控范圍：－240～－360 m四個中段，高160m，控制礦體長度100m，南北坐標2778300至2778400，控制寬度小于200 m。

深部主要開采中段與淺部相比，深部井巷中的地壓大，巷道冒頂片幫明顯增多，大冒頂現(xiàn)象時有發(fā)生，支護工程量增加，支護成本大大增加。這些均體現(xiàn)出典型的深井開采的地壓特點。因此，為保證礦山（尤其是深部礦體）的安全生產(chǎn)，必須對該礦深部采區(qū)的地壓問題進行深入研究，采用微震系統(tǒng)監(jiān)測深部地壓活動，旨在預防深井地壓危害特別是預防可能的大冒落、巖爆或礦震等災害發(fā)生。具體監(jiān)控范圍：－400～－650 m六個中段，高290 m，控制礦體長度800 m，南北坐標2777800至2778600m，控制寬度小于200 m。

2.2 礦山微震監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建設(shè)計

在考慮實際施工條件與環(huán)境的前提下與礦山有關(guān)部門協(xié)作，進行現(xiàn)場調(diào)研，調(diào)整、優(yōu)化確定傳感器、工作臺站及井下數(shù)據(jù)中心的布局，確保達到預定的監(jiān)測精度目標。

2.2.1 系統(tǒng)布局

擬在礦區(qū)建立5個微震工作站和32個檢波器的微震監(jiān)測系統(tǒng)。工作站在－280m、－360m、－455 m、－550 m和－650 m中段各設(shè)置一個，編號依次為1號至5號工作站。微震工作站包含32位高精度的八通道數(shù)據(jù)采集器（netADC8）、波形處理器（netSP）、智能UPS、單端口調(diào)制通信設(shè)備和一些其它輔助設(shè)備，其中在－455 m中段工作站安裝2個八通道數(shù)據(jù)采集器，其它工作站均為1個。1號微震工作站連接5個單向檢波器，1個三向檢波器；在－360 m中段2號工作站布置5個單向檢波器、1個三向檢波器；－455 m中段3號工作站布置6個單向檢波器、2個三向檢波器；－550 m中段4號工作站布置5個單向檢波器、1個三向檢波器；－650 m中段5號工作站布置5個單向檢波器、1個三向檢波器。所有檢波器都將連接到八通道的數(shù)據(jù)采集器上，將檢測到的波形信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后送至波形處理器處理。

井下數(shù)據(jù)通信中心擬安裝在－455 m中段，主要由時鐘同步設(shè)備、4端口的專用調(diào)制解調(diào)器（DSLAM）、串口同步設(shè)備以及光電轉(zhuǎn)換設(shè)備組成，主要負責分發(fā)來自服務(wù)端的控制信號和時鐘同步信號，同時收集井下數(shù)據(jù)中心的緩存及中轉(zhuǎn)，最終將數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿挥诘孛娴奈⒄鸱?wù)器，從而讓這些微震數(shù)據(jù)得到系統(tǒng)軟件的進一步處理。由于微震工作站內(nèi)部設(shè)備類型相同，故以－280 m中段上的微震工作站為例，說明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。工作站主要設(shè)備包含了一個32位高精度的數(shù)據(jù)采集器（netADC8）、一個智能UPS、一個波形處理器（netSP）和一個專用通信MODEM，用于將微震工作站采集處理好的設(shè)備發(fā)送到井下數(shù)據(jù)通信中心中轉(zhuǎn)，并最終傳送到微震監(jiān)測服務(wù)器進行進一步處理。根據(jù)上述系統(tǒng)構(gòu)建情況，可以得出系統(tǒng)微震監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)拓撲圖，如圖4所示。

圖4 凡口鉛鋅礦微震監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

2.2.2 檢波器陣列分布及微震工作站布局

如圖5～圖9所示為檢波器在各中段的安裝位置示意圖，圖中三角形代表檢波器在各中段的安裝位置，標注的五邊形為微震工作站布置位置，實際位置可根據(jù)需要微調(diào)。

2.2.3 井下數(shù)據(jù)通信中心

選擇井下數(shù)據(jù)通信中心的位置時，需要考慮到供電的便捷性，避免來往行人或者設(shè)備的觸碰，也要方便系統(tǒng)設(shè)備未來的維護和檢修。綜合各項因素，建議把井下數(shù)據(jù)通信中心布置在巷道寬敞的地方或者硐室里，并且與各工作站的布線距離不應超過1 000 m。根據(jù)優(yōu)化系統(tǒng)架構(gòu)，將井下數(shù)據(jù)通信中心設(shè)置在－455 m中段，其位置暫定圖10中五邊形所示標注位置，后續(xù)可根據(jù)現(xiàn)場實際情況再做相應調(diào)整。

2.2.4 微震系統(tǒng)監(jiān)控中心和遠程數(shù)據(jù)處理中心

微震系統(tǒng)監(jiān)控中心主要由微震服務(wù)器、路由器、光電轉(zhuǎn)換器、不間斷電源（UPS）及相關(guān)軟件組成。微震服務(wù)器選擇穩(wěn)定的Ubuntu Linux服務(wù)器操作系統(tǒng)，并配備雙網(wǎng)卡，其中的一個網(wǎng)絡(luò)接口連接到井下微震監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，另一個網(wǎng)絡(luò)接口連接礦區(qū)局域網(wǎng)并能訪問互連網(wǎng)，將井下監(jiān)測的微震數(shù)據(jù)發(fā)送到遠程數(shù)據(jù)處理中心。

圖5－280 m中段檢波器分布圖

圖6－360 m中段檢波器分布圖

圖7－455 m中段檢波器分布圖

圖8－550 m中段檢波器分布圖

圖9－650 m中段檢波器分布圖

圖10－455 m井下數(shù)據(jù)通信中心位置

遠程數(shù)據(jù)中心可以是IMS數(shù)據(jù)處理中心（下稱IMS數(shù)據(jù)中心）、系統(tǒng)供應商和中南大學數(shù)據(jù)處理中心。遠程數(shù)據(jù)中心主要功能為備份礦區(qū)微震事件，并對微震事件進行深入處理和分析，向礦山提供風險評估、系統(tǒng)維護等技術(shù)支持，最終指導礦山安全生產(chǎn)。

2.2.5 供電及通信

為了使IMS微震監(jiān)測系統(tǒng)的各個組件能一直持續(xù)穩(wěn)定運行，不受生產(chǎn)用電頻繁啟停的干擾和波動影響，為此，建議礦方為該系統(tǒng)配備一套獨立于生產(chǎn)用電的穩(wěn)定220 V交流供電系統(tǒng)，專門為系統(tǒng)的井下數(shù)據(jù)通信中心、各個工作站供電，保證整個系統(tǒng)能全天候24 h不間斷地實時監(jiān)測井下各中段發(fā)生的微震事件，從而了解各區(qū)域的地壓變化和發(fā)展規(guī)律。

井下各個檢波器監(jiān)測到的微震數(shù)據(jù)必須有效地通過微震工作站傳輸?shù)骄聰?shù)據(jù)通信中心并最終傳輸?shù)降孛嫖⒄鸱?wù)器，必須有一套可靠有效的通信網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計，檢波器將通過雙屏蔽四對八芯的純銅信號電纜將檢波器檢測的微震數(shù)據(jù)傳輸?shù)较鄳墓ぷ髡荆还ぷ髡窘y(tǒng)一采集各個檢波器數(shù)據(jù)并做相應的數(shù)字化處理和波形處理，然后將數(shù)據(jù)打包并調(diào)制到一定頻率通過DSL通信協(xié)議傳輸?shù)骄聰?shù)據(jù)通信中心，傳輸線纜采用超五類的屏蔽網(wǎng)絡(luò)通信線纜；井下數(shù)據(jù)通信中心將各個微震工作站的數(shù)據(jù)統(tǒng)一打包、調(diào)制，并通過光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成光信號，通過光纖將所有數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛嫖⒄鸱?wù)器，并做進一步處理。

2.3 IMS微震監(jiān)測系統(tǒng)應用效果

IMS微震監(jiān)測系統(tǒng)安裝、調(diào)試后，運行良好，試運行期間共監(jiān)測微震事件128次，釋放總能量為3.2 ×108J，發(fā)生位置主要為各中段生產(chǎn)作業(yè)區(qū)域，為正常生產(chǎn)作業(yè)所致，期間未有大能量事件發(fā)生，該IMS微震監(jiān)測系統(tǒng)試運行期間，工作監(jiān)測狀態(tài)良好，可對礦山生產(chǎn)進行實時監(jiān)測，并有效預測。

3 結(jié) 語

我國金屬礦山在向深部開采過程中存在冒頂片幫、巖爆、礦震和采場大脫盤等嚴重地壓問題，嚴重影響著礦山的安全生產(chǎn)，本文通過微震技術(shù)工作原理分析及微震技術(shù)對地壓災害預警應用的可行性分析，并以中金嶺南凡口鉛鋅礦設(shè)計應用對象，進行現(xiàn)場調(diào)研、技術(shù)調(diào)整、優(yōu)化設(shè)計，確定IMS微震監(jiān)測系統(tǒng)傳感器、工作臺站及井下數(shù)據(jù)中心的布局，確保達到預定的監(jiān)測精度目標，為該礦建立起有效井下地壓微震監(jiān)測系統(tǒng)，該IMS微震監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)了以主礦體及深部礦體為重點的井下地壓監(jiān)測及控制，對于礦山安全生產(chǎn)意義重大。

［1］ 唐紹輝，潘懿，黃英華，等.深井礦山地壓災害微震監(jiān)測技術(shù)應用研究［J］.巖石力學與工程學報，2009，28（S2）：3 597－3 603.

［2］ 鄭超.基于微震監(jiān)測數(shù)據(jù)的礦山巖體強度參數(shù)表征方法研究［D］.沈陽：東北大學，2013.

［3］ 肖玲.基于微震監(jiān)測的地下礦山地質(zhì)災害分析預測［D］.武漢：武漢科技大學，2013.

［4］ 張飛，劉德峰，張衡，等.基于IMS微震監(jiān)測系統(tǒng)的微震事件定位精度分析［J］.中國安全生產(chǎn)科學技術(shù)，2013，9（6）：21－26.

［5］ 覃敏.多中段強化開采地壓微震監(jiān)測與預警技術(shù)應用研究［D］.長沙：長沙礦山研究院，2013.

［6］ 李海港，龍卿吉.IMS微震監(jiān)測技術(shù)在漂塘鎢礦的應用［J］.中國礦業(yè)，2014，23（12）：132－135.

Application of IMSMicroseism ic Monitoring System in Mine

LU Hai-zhu
（Fankou Lead-zinc Mine，Renhua 512300，China）

Based on the analysis of the working principle of the microseismic technique and the feasibility of the application of the microseismic technology to the early warning of the ground pressure disaster，it uses the IMS microseismic monitoring system to analyze the ground pressure in the process of deep mining of the metalmines in China.The application ofmicroseismic monitoring application design，determines the IMSmicroseismic monitoring system sensors，workstations and downhole data center layout for the Fankoumine to design an effective underground pressuremicroseismic monitoring system for the further development of ground pressure disaster early warning and prevention and control research foundation.

IMS；microseism；monitoring；application

TD76

A

1003－5540（2017）01－0008－05

2016－11－06

盧海珠（1968－），男，工程師，主要從事礦山生產(chǎn)技術(shù)管理工作。