IMS微震監(jiān)測在某礦地壓預(yù)測中的應(yīng)用

廖永斌 朱仕林

(1.江西漂塘鎢業(yè)有限公司；2.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院)

當(dāng)前礦山逐漸進(jìn)入深部開采，面臨地應(yīng)力集中、自穩(wěn)性差等主要問題[1-2]，在這種高應(yīng)力的條件下，極易產(chǎn)生地質(zhì)災(zāi)害，如沖擊地壓、頂板冒落、垮塌，給礦山工作人員的安全帶來了極大的威脅。微震地壓監(jiān)測系統(tǒng)能夠全天候24 h監(jiān)測地壓活動，及時發(fā)現(xiàn)地壓異常區(qū)域，并結(jié)合微震的各個參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得出風(fēng)險等級，及時通知礦山做好相關(guān)區(qū)域的安全排查工作，為避免人員傷亡做出防范。本文通過對特定地壓活動風(fēng)險區(qū)域的預(yù)警空間范圍進(jìn)行微震多參數(shù)分析，最終得出預(yù)警信息。

1 工程概括

贛南某鎢礦礦區(qū)主要是以黑鎢、錫為主的石英細(xì)脈型高溫?zé)嵋旱V床。礦區(qū)內(nèi)斷層發(fā)育，主要有東西向、北東向及北北東向，較大的斷層有十余條，最大的斷層為F2主斷層，附近節(jié)理發(fā)育，破碎帶寬達(dá)0.5～1 m。

礦區(qū)主要受基巖裂隙水、斷裂結(jié)構(gòu)面和大氣降水的影響，地勢高峭，地表匯水面積較大。隨著開采的延伸，采空區(qū)增多，部分地表已陷落，地表受到破壞，巖層移動也將加劇，使原有節(jié)理張開，形成新的裂縫，加快了地表水的下滲速度。

礦區(qū)內(nèi)采掘破壞了巖體的原始應(yīng)力平衡狀態(tài)，使圍巖發(fā)生形變、開裂、冒落等情況。

448 m中段地壓活動區(qū)域主要集中在3～11線F5斷層附近及F5與F2斷層交界處，Ⅲ礦體采空區(qū)周邊，主要形式為巷道片幫、冒頂、混凝土支護(hù)開裂。

388 m中段地壓活動區(qū)主要集中在0～7線Ⅲ礦體采空區(qū)周邊，主要形式為巷道片幫、冒頂。

在礦區(qū)的中區(qū)產(chǎn)出有近東西向F5、F6，北西向F2和北東東向F3、F4斷層,將中區(qū)切割成一個以F2、F3、F5、F6為邊界的菱錐形塊體，為礦體的主要賦存區(qū)域，在此錐體內(nèi)部，巖體又被三、四級結(jié)構(gòu)面和采空區(qū)臨空面切割。

礦山主要為地下開采，中段跨度為750～200 m。目前礦區(qū)主要有9個中段，其中，388 m中段以上為主平窿開拓，328，268 m中段為盲豎井+盲斜井聯(lián)合開拓。448 m中段以上11線以東為贛南鎢資源綜合利用低品位資源回收的示范基地。Ⅲ礦體496 m中段19線以西、448 m中段11線以西已基本開采完畢。

2 微震地壓系統(tǒng)的建立

微震監(jiān)測系統(tǒng)主要針對現(xiàn)階段回采的中段建立，使檢波器在三維空間達(dá)到最優(yōu)化。

微震地壓監(jiān)測系統(tǒng)主要硬件有檢波器(單向檢波器、三向檢波器和加速度檢波器)、傳輸線纜、工作站(數(shù)據(jù)采集器、波形處理器、時序同步、光貓等)，通過光纖將信號傳輸至地表服務(wù)器中，由后臺數(shù)據(jù)分析軟件(Trace、Vantage等)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[3-5]。微震系統(tǒng)架構(gòu)見圖1。

南非IMS微震實時在線監(jiān)測系統(tǒng)通過后臺系統(tǒng)監(jiān)測到微震事件進(jìn)行分析，而一套系統(tǒng)的穩(wěn)定性和高效性是基于監(jiān)測到的微震事件的準(zhǔn)確性。在控制系統(tǒng)成本的情況下影響檢波器監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性主要有以下幾個因素：一是礦區(qū)的地質(zhì)地形和開拓回采結(jié)構(gòu)；二是采空區(qū)分布的情況，空區(qū)對波形的傳遞有衰減作用；三是檢波器的三維空間布置形式，以定位精度最優(yōu)的方式來布置檢波器[6-7]。

圖1 微震系統(tǒng)架構(gòu)

目前微震事件的定位主要依據(jù)高橋法，即通過事件觸發(fā)檢波器的時間差進(jìn)行空間定位，見圖2。

圖2 微震事件定位原理

微震系統(tǒng)檢波器的合理布置對檢測事件的準(zhǔn)確性至關(guān)重要，檢波器的密度及型號的選取有助于提升系統(tǒng)對微震事件的靈敏度和事件定位精確度。為檢測定位效果，后期可以通過礦山人工爆破的方式進(jìn)行反演，即對比實際爆破位置和微震系統(tǒng)[7-9]。

礦區(qū)主要生產(chǎn)中段為268，328，388，448 m中段，以268和388 m中段的檢波器點位布置圖為例，見圖3。

檢波器三維空間布置主要有2個檢驗參數(shù)，即時間定位誤差云圖和最小震級云圖，本文以監(jiān)測到的最小震集云圖(圖4)為例，來驗證2個中段的定位效果。礦區(qū)監(jiān)測的目標(biāo)是實現(xiàn)全礦區(qū)震級監(jiān)測達(dá)到里氏-2.0級。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

基于礦區(qū)微震監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)，從預(yù)警前期時空間的縮小和排查入手，結(jié)合微震多參數(shù)判定，縮小特定風(fēng)險區(qū)域，從而準(zhǔn)確預(yù)警[10-11]。

圖3 不同中段檢波器點位布置

3.1 一定時間域內(nèi)風(fēng)險分析

累積視體積、對數(shù)能量指數(shù)、事件數(shù)等微震事件參數(shù)能夠直觀地反映一段時間內(nèi)特定區(qū)域內(nèi)巖體穩(wěn)定情況。

垮塌、冒頂、片幫等地壓災(zāi)害是由于在采礦活動等擾動下巖石微破裂的萌生、發(fā)育和擴展趨勢，而微震監(jiān)測系統(tǒng)能夠有效地監(jiān)測巖體破裂時產(chǎn)生的地震波，進(jìn)一步依據(jù)各類微震監(jiān)測指標(biāo)進(jìn)行分析。例如巖體應(yīng)力的釋放前兆往往伴隨著累積視體積的急劇上升和對數(shù)能量指數(shù)的急速下降。通過后臺數(shù)據(jù)分析，對圈定的地壓活動活躍區(qū)域開展預(yù)測預(yù)報。

圖4 不同中段最小震級云圖

礦區(qū)496 m中段2017年6—11月能量指標(biāo)見圖5。

圖5 496 m中段對數(shù)能量指數(shù)、視體積與施密特數(shù)關(guān)系曲線

依據(jù)往常礦區(qū)事件分布的時空間特征，事件主要分布在268～448 m中段，在496以及556 m中段很少出現(xiàn)事件，496 m中段出現(xiàn)少量事件聚集，見圖6。

圖6 496 m中段事件分布

3.2 特定空間域內(nèi)風(fēng)險分析

為了能夠更好地識別此次危險源的位置，針對496異常區(qū)域的348采場重點區(qū)域范圍重新圈定，將重點風(fēng)險區(qū)域進(jìn)一步縮小，判定垮塌風(fēng)險具體位置。496 m中段348采場重點風(fēng)險區(qū)域范圍見圖7。

為了驗證危險源的正確性，將348采場的累計視體積、對數(shù)能量指數(shù)與施密特數(shù)關(guān)系圖以及累積能量-時間關(guān)系圖通過后臺軟件Vantage(風(fēng)險評估軟件)重新生成，見圖8。

累積視體積、對數(shù)能量指數(shù)以及施密特數(shù)都是表征巖體穩(wěn)定性的指標(biāo)，累積視體積的急劇增加往往代表著裂隙發(fā)育影響區(qū)域的擴大化，累積視體積隨時間變化的曲線的斜率是表示巖土體應(yīng)變速率的參數(shù)。而對數(shù)能量指數(shù)的下降伴隨著加速發(fā)展的視體積表示應(yīng)變軟化，預(yù)示著巖體進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)。同時根據(jù)圖9中的微震事件聚集度的急劇增加，可以判定巖土體中有裂隙發(fā)育之貫通狀態(tài)，即將發(fā)生冒落風(fēng)險。通過對風(fēng)險區(qū)域的進(jìn)一步縮小，可以判定發(fā)生冒落的區(qū)域在 496 m 中段348采場，并及時對礦區(qū)做出風(fēng)險預(yù)警。

圖7 496 m中段348采場重點區(qū)域范圍

圖8 348采場重點風(fēng)險區(qū)域能量指數(shù)、視體積與施密特數(shù)關(guān)系曲線

圖9 348采場重點風(fēng)險區(qū)域累計能量-時間關(guān)系曲線

2017年11月1日風(fēng)險評估報告明確提出，在328～496 m中段的348～304采場相鄰區(qū)域存在事件聚集，且監(jiān)測指標(biāo)顯示，該區(qū)域存在局部巖體裂隙貫通的征兆。

根據(jù)后續(xù)調(diào)查，確認(rèn)在496 m中段8線附近的原老出礦點，工人在中班的時候已經(jīng)將采場所有礦石出完，并且未經(jīng)爆破，在當(dāng)天晚班的時候發(fā)現(xiàn)有大量垮落礦石，可以確定在中班下班后采場內(nèi)部出現(xiàn)垮塌現(xiàn)象。

此次垮塌事故與地壓災(zāi)害預(yù)警風(fēng)險評估完全吻合，因提前及時通知礦區(qū)領(lǐng)導(dǎo)及工作人員做好安全措施，避免了人員設(shè)備的傷亡損失。

4 結(jié) 語

(1)根據(jù)礦區(qū)的地質(zhì)巖體情況、回采方式以及采空區(qū)分布特征，合理地布置檢波器的三維空間密度，結(jié)合后期定位云圖和爆破反演的方式確定定位精度和定位誤差，為微震系統(tǒng)的整體架構(gòu)提供依據(jù)。

(2)通過微震系統(tǒng)監(jiān)測到的事件，分別對一定時間域內(nèi)和特定風(fēng)險區(qū)域內(nèi)的微震多參數(shù)進(jìn)行分析，通過微震能量指數(shù)變化的規(guī)律以及風(fēng)險區(qū)域的縮小，最終確定危險源，及時進(jìn)行地壓災(zāi)害的預(yù)警，為礦山提供安全保障。

(3)在發(fā)生大規(guī)模的裂隙貫通前期會伴隨著事件數(shù)上升，在一定區(qū)域內(nèi)聚集度上升，累積視體積急劇上升，對數(shù)能量指數(shù)和施密特數(shù)急劇下降。掌握好主要微震參數(shù)變化規(guī)律，結(jié)合礦區(qū)實際生產(chǎn)及地壓災(zāi)害調(diào)查，能夠及時做出風(fēng)險預(yù)警報告。