基于Sigma-Optimal方法的微震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

蔡永順，張 龍，張 達(dá)，白登榮，王 平，袁本勝

(1．北京礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160；2．金屬礦山智能開采技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102628；3．新疆大明礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司，新疆 哈密 839000)

隨著礦山開采深度的不斷增加和開采規(guī)模的逐漸擴(kuò)大，地壓活動(dòng)日益頻繁，地壓災(zāi)害也愈發(fā)嚴(yán)重，常規(guī)的點(diǎn)監(jiān)測(cè)技術(shù)手段無(wú)法滿足深部大范圍地壓監(jiān)測(cè)的需求。微震監(jiān)測(cè)技術(shù)作為監(jiān)測(cè)巖體內(nèi)部破裂的技術(shù)手段，可實(shí)現(xiàn)非接觸、大尺度、實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)反映巖體動(dòng)態(tài)破裂、擴(kuò)展機(jī)理，通過計(jì)算微震事件發(fā)生時(shí)間、空間位置、震源強(qiáng)度等參數(shù)，并采用定量地震學(xué)和統(tǒng)計(jì)地震學(xué)的研究方法對(duì)微震事件的力學(xué)信息進(jìn)行分析，從而反映監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)巖體應(yīng)力分布及變形狀況，進(jìn)而達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及預(yù)警的效果[1-3]。

微震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)設(shè)計(jì)的是否合理，直接決定了微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用效果。國(guó)內(nèi)外多位專家學(xué)者Sato和Skoko、Kijko和Mendecki、高永濤、鞏思園、劉曉明、周勇勇等人基于數(shù)值仿真、D值和C值、綜合評(píng)價(jià)、模糊數(shù)學(xué)等方法和理論提出了微震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)優(yōu)化解決方案，并取得了一些成果[4-7]。然而，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的定位精度及靈敏度的要求也越來(lái)越高。IMS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為世界先進(jìn)的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，除了具備微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在線采集、自動(dòng)處理、人機(jī)交互分析的數(shù)字化、智能化、可視化等功能外，也具有強(qiáng)大微震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)優(yōu)化功能。本文基于IMS-Jdi軟件中的Sigma-Optimal方法對(duì)新疆大明礦業(yè)天湖鐵礦的微震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)及優(yōu)化。優(yōu)化后微震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)的定位誤差在9 m左右，靈敏度可以達(dá)到-2.6矩震級(jí)，滿足礦山對(duì)地壓安全監(jiān)測(cè)的需求，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用情況一致，應(yīng)用效果良好。

1 工程概況

新疆大明礦業(yè)天湖鐵礦采用無(wú)底柱分段崩落法進(jìn)行采礦，現(xiàn)在正在回采985 m分段。該分層礦巖應(yīng)力相對(duì)比較集中，部分巷道已經(jīng)出現(xiàn)了片幫、冒頂?shù)茸冃纹茐模鐖D1所示。

圖1 985 m分段巷道片幫Fig.1 Roadway spalling of the 985 m sublevel

另外，長(zhǎng)期的采礦活動(dòng)已經(jīng)引起地表塌陷，頂板突然大面積崩落的風(fēng)險(xiǎn)較小。目前天湖鐵礦的地壓風(fēng)險(xiǎn)主要存在于井下回采過程中的巖體變形破壞。由于礦區(qū)的水平構(gòu)造應(yīng)力較大，巖體硬度較大，因此巖體發(fā)生巖爆的幾率較高。隨著開采深度的進(jìn)一步延伸，巖爆風(fēng)險(xiǎn)將逐漸增大，將嚴(yán)重威脅礦山的安全生產(chǎn)。因此，需要建立一套實(shí)時(shí)在線的高精度微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)巖爆進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)警。

2 微震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)設(shè)計(jì)原則

微震監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)的基本原則為：對(duì)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域的定位誤差較小和對(duì)較小震級(jí)事件具有較高的靈敏度[8-10]。同時(shí)還需要考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，對(duì)微震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化，得到最優(yōu)方案，具體原則如下：

1)對(duì)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域的定位誤差較?。?/p>

2)對(duì)較小震級(jí)事件具有較高的靈敏度；

3)傳感器接收到微震信號(hào)的傳播路徑為直線，避免傳播路徑上存在較大空區(qū)；

4)合理選擇、布置單分量、三分量傳感器及傳感器陣列，形成空間立體監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)；

5)充分考慮礦山地質(zhì)、巖性特征、通訊網(wǎng)絡(luò)等實(shí)際條件；

6)利用臺(tái)網(wǎng)分析軟件優(yōu)化監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置，得出最優(yōu)監(jiān)測(cè)方案。

3 臺(tái)網(wǎng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

3.1 臺(tái)網(wǎng)設(shè)計(jì)

根據(jù)臺(tái)網(wǎng)設(shè)計(jì)原則及現(xiàn)場(chǎng)工況條件，在天湖鐵礦985 m、940 m分段分別布置6個(gè)、5個(gè)單分量微震傳感器，形成一個(gè)微震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)，如圖2所示。但是由于現(xiàn)場(chǎng)工況條件及采礦工藝限制，微震傳感器只能布置在脈外運(yùn)輸巷內(nèi)，不能對(duì)采場(chǎng)等監(jiān)測(cè)區(qū)域形成空間立體包絡(luò)。

將臺(tái)網(wǎng)設(shè)計(jì)的微震傳感器坐標(biāo)導(dǎo)入到IMS-Jdi中，對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并設(shè)置傳感器類型、P波、S波波速、到時(shí)拾取誤差、定位誤差、參與定位的傳感器數(shù)量等參數(shù)(見圖3)，然后基于Sigma-Optimal方法進(jìn)行臺(tái)網(wǎng)分析。

如圖4、5所示，臺(tái)網(wǎng)分析結(jié)果表明，微震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)的定位誤差在22 m左右，靈敏度平均為-2.3矩震級(jí)，局部可以達(dá)到-2.5矩震級(jí)。該臺(tái)網(wǎng)的靈敏度較高，但是定位誤差較大，不能滿足礦山地壓安全監(jiān)測(cè)的需求。

圖2 微震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)設(shè)計(jì)Fig.2 Network design of the microseismic monitoring

圖3 IMS-Jdi軟件中臺(tái)網(wǎng)分析的參數(shù)設(shè)置Fig.3 Parameter setting of the network analysis in IMS-Jdi

3.2 臺(tái)網(wǎng)優(yōu)化

由于初步臺(tái)網(wǎng)設(shè)計(jì)的定位誤差較大，需要對(duì)初步臺(tái)網(wǎng)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。因此，在初步臺(tái)網(wǎng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，在天湖鐵礦985 m分段東西兩側(cè)、940 m分段中間增加3條開拓巷道，每條巷道內(nèi)布置1個(gè)三分量微震傳感器，優(yōu)化后的臺(tái)網(wǎng)能夠更好地對(duì)采場(chǎng)等監(jiān)測(cè)區(qū)域形成立體空間包絡(luò)，如圖6所示。如圖7、8所示，臺(tái)網(wǎng)分析結(jié)果表明，微震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)的定位誤差在9 m左右，靈敏度平均為-2.3矩震級(jí)，局部可以達(dá)到-2.6矩震級(jí)。該臺(tái)網(wǎng)的定位誤差較小且靈敏度較高，可以滿足礦山地壓安全監(jiān)測(cè)的需求。

圖4 定位誤差分析Fig.4 Location error analysis

圖5 靈敏度分析Fig.5 Sensitivity analysis

圖6 微震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)設(shè)計(jì)優(yōu)化Fig.6 Network design optimization of the microseismic monitoring

圖7 定位誤差分析Fig.7 Location error analysis

圖8 靈敏度分析Fig.8 Sensitivity analysis

4 結(jié)論

優(yōu)化后微震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)的定位誤差在9 m左右，靈敏度可以達(dá)到-2.6矩震級(jí)，可以滿足礦山對(duì)地壓安全監(jiān)測(cè)的需求。另外，臺(tái)網(wǎng)優(yōu)化結(jié)果與礦山建成后的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用情況非常一致，表明采用IMS-Jdi軟件中的Sigma-Optimal方法可以進(jìn)行快速高效的臺(tái)網(wǎng)分析，能夠很好地預(yù)測(cè)礦山微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的定位誤差及靈敏度，為微震監(jiān)測(cè)方案的優(yōu)化完善提供了可靠的技術(shù)支撐。