香爐山鎢礦特大采空區(qū)地壓微震監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用研究

程 超，蘭曉平，吳水生，胡靜云，林 峰，彭府華，李庶林

（1.江西修水香爐山鎢業(yè)有限責(zé)任公司，江西 九江 332438；2.長(zhǎng)沙礦山研究院國家金屬采礦工程技術(shù)中心，湖南 長(zhǎng)沙 410012）

香爐山鎢礦為緩傾斜、中厚礦體，平硐開拓，礦體及頂?shù)装鍑鷰r總體穩(wěn)固，礦床工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單。截至2010年井下采空區(qū)體積已經(jīng)達(dá)到了200萬m3，礦柱所占體積與采空區(qū)體積之比不到20％，且采空區(qū)的體積以每年近20萬m3的速度增加，已經(jīng)形成的采空區(qū)采場(chǎng)最大凈空跨度超過20m，地壓形勢(shì)嚴(yán)峻。由于在歷史上長(zhǎng)期由數(shù)十家民采企業(yè)進(jìn)行過無序開采，香爐山鎢礦東部形成的采空區(qū)體積大且形狀復(fù)雜，局部區(qū)域曾發(fā)生過較大面積的冒頂?shù)鹊貕簽?zāi)害。同時(shí)礦山采用空?qǐng)龇?，人員和設(shè)備必須長(zhǎng)時(shí)間暴露在空?qǐng)鱿逻M(jìn)行作業(yè)。隨著東部殘采的進(jìn)一步進(jìn)行，勢(shì)必會(huì)使頂板連續(xù)暴露面積、礦柱高度進(jìn)一步增加，有可能產(chǎn)生大面積頂板冒落或由于一個(gè)礦柱垮塌導(dǎo)致連續(xù)多個(gè)礦柱垮塌。為了避免與降低地壓災(zāi)害對(duì)人員與設(shè)備的損害，香爐山鎢礦采用國內(nèi)先進(jìn)的全數(shù)字型多通道微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)東部殘采區(qū)域的地壓活動(dòng)進(jìn)行全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)［1］。

1 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

香爐山鎢礦微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為48通道全數(shù)字型微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，于2010年8月建成并正式投入使用。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由井下分布式傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、地表監(jiān)測(cè)站三部分組成，攜帶48個(gè)單軸加速度傳感器。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸、處理與三維可視化顯示，數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)傳監(jiān)控等功能。采區(qū)內(nèi)，經(jīng)過優(yōu)化的48個(gè)傳感器布置在東部采空區(qū)內(nèi)，對(duì)東部采區(qū)實(shí)現(xiàn)了大范圍的覆蓋，傳感器的分布位置見圖1所示。

圖1 傳感器布置圖

1.2 微震監(jiān)測(cè)技術(shù)特點(diǎn)

與常規(guī)的地壓監(jiān)測(cè)技術(shù)手段相比，多通道微震監(jiān)測(cè)技術(shù)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)［2］。

（1）該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)微震（微破裂）事件的全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)。

（2）突破了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法力（應(yīng)力）、位移（應(yīng)變）中的“點(diǎn)”或“線”意義上的監(jiān)測(cè)模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)的巖體破壞（裂）過程在空間概念上的時(shí)間過程監(jiān)測(cè)，并可實(shí)現(xiàn)常規(guī)方法人不可達(dá)到地點(diǎn)的監(jiān)測(cè)，減輕了監(jiān)測(cè)人員的工作危險(xiǎn)性與勞動(dòng)強(qiáng)度。

（3）實(shí)現(xiàn)了對(duì)微震事件的高精度空間定位。

（4）可采用微震事件數(shù)、能量、震級(jí)、視應(yīng)力、動(dòng)應(yīng)力降、靜應(yīng)力降、震源半徑等物理量的分析，實(shí)現(xiàn)從更多的角度來了解地壓情況。

（5）對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化采集、存儲(chǔ)與處理。

（6）實(shí)現(xiàn)了多用戶的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程可視化監(jiān)控與分析，為建立專家診斷系統(tǒng)打下了基礎(chǔ)。

2 微震監(jiān)測(cè)應(yīng)用

2.1 地壓災(zāi)害預(yù)警實(shí)例

微震監(jiān)測(cè)可以有效地對(duì)冒頂、礦柱開裂垮塌等地壓災(zāi)害的前兆信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)地壓災(zāi)害的預(yù)警。自2010年8月15日微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在香爐山鎢礦成功投入使用以來，已經(jīng)多次成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)井下礦柱開裂、采場(chǎng)頂板冒頂、片幫的預(yù)警?，F(xiàn)將一個(gè)典型的預(yù)警實(shí)例介紹如下。

2010年10月13日通過處理井下微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn)，5坑口610四采的37#傳感器微震事件數(shù)突增，當(dāng)天微震事件數(shù)達(dá)到130個(gè)，遠(yuǎn)高于日常平均水平，顯示該區(qū)域出現(xiàn)異常，見圖2所示。于是監(jiān)測(cè)技術(shù)人員當(dāng)天便發(fā)出了預(yù)警信息，對(duì)該區(qū)域進(jìn)行了警戒封閉和人員撤離。進(jìn)一步的微震監(jiān)測(cè)顯示37#傳感器微震事件率連續(xù)三天處于高水平，于10月16日發(fā)生了冒頂，冒頂發(fā)生后微震事件率便重新處于較低的日常平均水平，冒頂后的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況見圖3所示。

圖4是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)界面和監(jiān)測(cè)到的冒頂前巖體破裂產(chǎn)生的微震信號(hào)波形。由圖可以明顯看出，信號(hào)波形只包含P波成分，對(duì)應(yīng)著巖體張拉破壞類型，這與現(xiàn)場(chǎng)巖體受力狀態(tài)一致。

圖2 冒頂前后37#個(gè)傳感器微震事件率變化圖

圖3 冒頂現(xiàn)場(chǎng)照片

圖4 2010年10月14日實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的破裂信號(hào)波形

2.2 危險(xiǎn)區(qū)域圈定

多通道微震監(jiān)測(cè)技術(shù)具有攜帶的傳感器數(shù)量多、監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布廣泛、對(duì)巖體破裂的微震源有較高精度的定位功能以及大范圍巖體空間監(jiān)測(cè)等特點(diǎn)，它最適合對(duì)采礦動(dòng)態(tài)過程的應(yīng)力重分布過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)反映出應(yīng)力重分布的集中區(qū)域，對(duì)因應(yīng)力集中而產(chǎn)生的危險(xiǎn)區(qū)域能實(shí)現(xiàn)及時(shí)的監(jiān)測(cè)、定位與圈定［3］。2011年7月28日，在東部采區(qū)四坑口的東五與東六采場(chǎng)監(jiān)測(cè)到多個(gè)微震定位事件。由于微震定位事件一般代表強(qiáng)度較大的巖體破壞，因此微震監(jiān)測(cè)人員及時(shí)對(duì)該區(qū)域發(fā)出了預(yù)警。隨后安全人員對(duì)該區(qū)域進(jìn)行了勘察，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了多次不同程度的冒頂。圖5是該區(qū)域微震定位事件的空間分布圖，根據(jù)圖5中微震定位事件的分布區(qū)域和現(xiàn)場(chǎng)的勘查情況，礦方對(duì)該區(qū)域圈定了危險(xiǎn)區(qū)域，禁止人員進(jìn)入。

圖6是該危險(xiǎn)區(qū)域發(fā)現(xiàn)前后微震定位事件的事件率變化圖。圖7是典型的微震定位事件被多個(gè)通道監(jiān)測(cè)到的信號(hào)波形圖。

圖5 微震定位事件空間分布圖及危險(xiǎn)區(qū)域的圈定

圖6 微震定位事件率變化圖

圖7 典型的微震定位事件信號(hào)波形圖

2.3 指導(dǎo)采礦設(shè)計(jì)

微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能較好地反映出井下由于受持續(xù)開采擾動(dòng)所產(chǎn)生的應(yīng)力重分布，對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域具有較好的定位與圈定作用，這種作用能指導(dǎo)礦山的采礦設(shè)計(jì)和優(yōu)化回采順序。通過微震監(jiān)測(cè)評(píng)定危險(xiǎn)區(qū)域與指導(dǎo)殘采設(shè)計(jì)在該礦的生產(chǎn)實(shí)踐中取得了很好的應(yīng)用。

例如2.2中所述，由于西部持續(xù)高強(qiáng)度的開采，使得井下應(yīng)力轉(zhuǎn)移集中到東部與西部相接的區(qū)域。通過微震監(jiān)測(cè)，給出了應(yīng)力集中導(dǎo)致的危險(xiǎn)區(qū)域微震事件源的空間定位（參見圖5），并且，通過進(jìn)一步的現(xiàn)場(chǎng)勘查，發(fā)現(xiàn)這個(gè)區(qū)域內(nèi)確實(shí)產(chǎn)生了明顯的地壓顯現(xiàn)，如巖體破裂聲較為頻繁、礦柱開裂和巖體片冒等地壓顯現(xiàn)。根據(jù)微震監(jiān)測(cè)結(jié)果我們對(duì)該危險(xiǎn)區(qū)域暫不進(jìn)行回采，待西部進(jìn)行充填后再結(jié)合微震監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行下一步的規(guī)劃。由此可見，通過微震監(jiān)測(cè)可以很好的指導(dǎo)采礦設(shè)計(jì)與優(yōu)化殘采順序。

2.4 礦區(qū)整體地壓活躍程度評(píng)價(jià)

微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)投入使用一年多來，指派專人堅(jiān)持每天對(duì)微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、分析。除了對(duì)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域的監(jiān)測(cè)之外，掌握東部殘采區(qū)的地壓總體發(fā)展趨勢(shì)、防止發(fā)生大規(guī)模地壓災(zāi)害的發(fā)生，是該礦微震監(jiān)測(cè)的一個(gè)最重要的內(nèi)容之一。微震監(jiān)測(cè)是通過對(duì)每天發(fā)生的微震事件的統(tǒng)計(jì)，分析每天微震事件率的變化情況來評(píng)價(jià)殘采區(qū)域的總體地壓現(xiàn)象。該日微震事件率反映整體礦區(qū)在殘采后應(yīng)力調(diào)整中微震活動(dòng)情況，表明該期間整體礦區(qū)的地壓活躍情況。通過收集一年多的日平均微震事件率，可反映東區(qū)整體礦區(qū)在該時(shí)間段的地壓變化情況。

通過對(duì)一年多來的連續(xù)統(tǒng)計(jì)資料分析，自2011年6月起東部采區(qū)整體日平均微震事件率有明顯逐步增加的態(tài)勢(shì)。圖8對(duì)比了兩個(gè)不同日期在沒有明顯地壓顯現(xiàn)的情況下的微震監(jiān)測(cè)活動(dòng)情況，（a）顯示上半年2011年3月26號(hào)微震事件率較少，（b）顯示近期2011年8月3號(hào)微震事件率處于較高水平。2010年8月至2011年5月日平均微震事件率均不超過30個(gè)，在2011年8月份超過了80個(gè)，如圖9所示。這說明由于東部殘采采空區(qū)逐步擴(kuò)大促使井下地壓日益活躍，造成開采誘發(fā)的巖體微破裂增加，整個(gè)礦區(qū)微震活躍程度上升，地壓形勢(shì)日趨嚴(yán)重，開采環(huán)境不斷惡化，這一點(diǎn)值得引起礦山高度重視。

圖8 不同時(shí)期的兩個(gè)典型的日監(jiān)測(cè)結(jié)果圖

圖9 每個(gè)月日平均微震事件率變化圖

2.5 監(jiān)控民采盜礦

微震監(jiān)測(cè)對(duì)井下震動(dòng)源具有較高精度的定位功能，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)民采盜礦的時(shí)空監(jiān)控，這也是微震技術(shù)在該礦使用中的一個(gè)輔助功能。自微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建立以來，已實(shí)現(xiàn)了多次對(duì)井下盜礦作業(yè)的有效監(jiān)控?，F(xiàn)以一次典型的盜礦監(jiān)控過程為例，說明微震監(jiān)測(cè)在盜礦監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。

2010年11月7日23：02至8日凌晨00：16，9日凌晨03：06-03：12時(shí)間段內(nèi)，15#傳感器監(jiān)測(cè)到了似鑿巖施工作業(yè)波形，如圖10所示。而在該時(shí)間段井下已經(jīng)停止了正常作業(yè)。將該情況及時(shí)上報(bào)給相關(guān)部門后，確認(rèn)為民采盜礦。

圖10 民采盜礦實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)界面及其信號(hào)波形圖

3 結(jié)語

多通道微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在香爐山鎢礦一年多的應(yīng)用中，運(yùn)行正常，在香爐山鎢礦殘采區(qū)地壓管理、地壓災(zāi)害預(yù)警、指導(dǎo)采礦設(shè)計(jì)等方面取得了較好的應(yīng)用效果，并成為該礦山殘采區(qū)地壓監(jiān)測(cè)、生產(chǎn)安全預(yù)警的主要手段。本文僅僅對(duì)微震監(jiān)測(cè)技術(shù)在監(jiān)測(cè)預(yù)警、危險(xiǎn)區(qū)域評(píng)估、殘采區(qū)總體地壓嚴(yán)重程度評(píng)估、指導(dǎo)開采等幾個(gè)方面的應(yīng)用效果做了基本的介紹，在監(jiān)測(cè)預(yù)警方面所做的工作也還是基于監(jiān)測(cè)前兆數(shù)據(jù)信息基礎(chǔ)上的經(jīng)驗(yàn)預(yù)警。在研究特大采空區(qū)巖體破壞失穩(wěn)模式的基礎(chǔ)上，對(duì)監(jiān)測(cè)的前兆數(shù)據(jù)信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警的理論探索還需進(jìn)一步加強(qiáng)。值得肯定的是，微震監(jiān)測(cè)技術(shù)在香爐山鎢礦東區(qū)殘采地壓監(jiān)測(cè)應(yīng)用中取得了良好的效果，對(duì)于保證礦山的生產(chǎn)安全起到了重要的作用，還將在未來的地壓監(jiān)測(cè)與井下安全管理方面并將發(fā)揮更大的作用。

［1］胡靜云，林 峰，彭府華，等.香爐山鎢礦殘采區(qū)地壓災(zāi)害微震監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用分析［J］.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2010，21（4）：109-115.

［2］尹賢剛，李庶林，黃沛生，等.微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在礦山安全管理中的應(yīng)用研究［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2006，26（1）：65-68.

［3］Varden R P.Seismic management and seismic hazard quanitification at kanow na bellemine［C］//Chun’an Tang.Controlling Seismic Hazard and Sustainable Development of Deep Mines.New York：Rinton Press，2009：831-838.