樺樹溝銅礦微震監(jiān)測臺網(wǎng)優(yōu)化方法實踐與研究

王東華, 田宏海, 李金平, 陳大佼, 何正祥, 張 君

(1.甘肅鏡鐵山礦業(yè)有限公司, 甘肅 張掖 734400;2.長沙施瑪特邁科技有限公司, 湖南 長沙 410083)

1 前言

鏡鐵山鐵礦床屬震旦紀變質(zhì)沉積鐵礦床,是我國西北地區(qū)發(fā)現(xiàn)和勘探最早的大型鐵礦床擁有探明儲量4.84 億t,是構(gòu)成酒泉鋼鐵公司的骨干礦山[1]。鏡鐵山礦樺樹溝礦區(qū)銅礦是酒泉鋼鐵(集團)有限責任公司下屬的礦山,礦床賦存于薊縣系鏡鐵山群下巖組的一套千枚巖系中,受向斜構(gòu)造控制,銅礦形成晚于鐵礦,空間上形成“上鐵下銅”模式。 礦山目前采用地下開采[2],采用的主要采礦方法為沿走向布置的分段空場嗣后充填法、垂直走向布置的分段空場嗣后充填法,以及淺孔留礦嗣后充填法,中段高度60 m,生產(chǎn)能力為30 萬t/a,909 t/d。 隨著鐵礦和銅礦開采向深部延伸,鐵礦與銅礦間的隔離圍巖厚度將逐漸變薄,鐵礦和銅礦對應(yīng)的采空區(qū)暴露面積和高度也逐步增加,鐵礦和銅礦采礦活動相互影響程度將更趨明顯,地壓活動將日益突出。 受原巖的性質(zhì)、采空區(qū)的影響,樺樹溝銅礦區(qū)存在誘發(fā)地壓活動的因素,這些因素在生產(chǎn)過程中有引發(fā)采場和采空區(qū)頂板垮落、陷落和冒頂?shù)娘L險,同時也誘發(fā)巷道片邦、冒頂以及引起地面沉降。

根據(jù)國內(nèi)井下開采礦山地壓災(zāi)害治理的經(jīng)驗,通過建設(shè)地壓監(jiān)測系統(tǒng)來觀察地壓活動情況,研究其發(fā)生規(guī)律進而實現(xiàn)地壓災(zāi)害的提前預(yù)警。 冬瓜山銅礦在2005年就引進了微震監(jiān)測技術(shù)進行深井地壓災(zāi)害監(jiān)測,金川二礦區(qū)、新余鋼鐵集團良山鐵礦、馬鋼集團羅河鐵礦、新疆西拓礦業(yè)等國內(nèi)金屬礦山在近年都裝備了微震監(jiān)測系統(tǒng)進行地壓活動監(jiān)測[3-7]。 微震監(jiān)測的技術(shù)[8]的關(guān)鍵是進行監(jiān)測臺網(wǎng)設(shè)計,監(jiān)測臺網(wǎng)的優(yōu)劣直接關(guān)系到微震事件最終的定位精度。 關(guān)于地震監(jiān)測臺網(wǎng)優(yōu)化研究方面曹英莉提出了多目標優(yōu)化決策模型方法[9],高永濤提出基于D 值理論的微震監(jiān)測臺網(wǎng)優(yōu)化[10],蔡永順提出基于Sigma-Optimal 方法的微震監(jiān)測臺網(wǎng)設(shè)計和優(yōu)化[11],以上幾種方法共同特點是基于一種數(shù)學(xué)模型進行定位精度理論計算和優(yōu)化,但是現(xiàn)場巖石力學(xué)及工程環(huán)境是非常復(fù)雜的,僅僅按照理論的計算環(huán)境得到的臺網(wǎng)設(shè)計方案往往在現(xiàn)實當中效果不是很理想,因而本文通過對樺樹溝銅礦區(qū)巖石物理性質(zhì)研究、現(xiàn)場調(diào)查的結(jié)果進行礦山真實的地壓災(zāi)害區(qū)域的圈定,針對災(zāi)害區(qū)域的特征進行監(jiān)測臺網(wǎng)布點設(shè)計,然后再結(jié)合臺網(wǎng)分析的數(shù)學(xué)計算方法得到臺網(wǎng)的理論定位精度,最后通過現(xiàn)場的爆破測試來校準臺網(wǎng)方案對于不合理的位置進行調(diào)整或補充監(jiān)測點,進而得到一個符合現(xiàn)場實際環(huán)境的微震監(jiān)測臺網(wǎng)。

2 礦山地質(zhì)資料與地壓活動危險區(qū)域研究

根據(jù)樺樹溝銅礦地質(zhì)調(diào)查報告顯示礦區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造以褶皺為主,斷裂為輔。 褶皺以主向斜為核心,兩側(cè)形成多個同向小背斜、小向斜構(gòu)成一復(fù)式向斜。褶皺過程中揉皺極為強烈,特別是軸部,形成大量劈理化、片理化及破碎裂隙化等現(xiàn)象,因而構(gòu)成了地下水賦存及導(dǎo)水的良好場所[12-13]。 如圖1 所示為礦體下盤巷道拍攝的現(xiàn)場照片。 產(chǎn)于鐵礦體中或鐵礦體邊緣的銅礦體,結(jié)構(gòu)致密完整性較好,力學(xué)強度中等-高,而產(chǎn)于千枚巖及蝕變帶中的銅礦體,完整性差-中等,力學(xué)性質(zhì)中等。 礦床巖石以層狀厚層狀為主,層狀巖體的失穩(wěn)形式主要表現(xiàn)為巖體順片理面滑落,片理的發(fā)展和層狀巖體的斷裂為該類巖體的主要力學(xué)發(fā)展過程,當臨空面出現(xiàn)后,破壞首先發(fā)生在上盤部位,而后向頂部和深部逐漸發(fā)展。

圖1 圍巖片理化發(fā)育

綜合以上地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)分析,2 760 ～2 640 m 的礦巖總體質(zhì)量較好,但碳質(zhì)千枚巖分布于主向斜兩翼,為局部銅礦體的直接底板,巖層中片理發(fā)育,結(jié)構(gòu)面凝聚力差,易形成坍塌和掉塊。 2 760 ～2 640 m未見大的斷裂,可能存在小斷裂,斷裂控制和影響范圍內(nèi),巖體質(zhì)量大幅度降低。 目前開采采場主要位于2 700 m 中段,開采采場為2 700 m 中段6#、8#、10#采場,基本實現(xiàn)采充平衡,沒有遺留采空區(qū),避免了礦區(qū)出現(xiàn)大規(guī)模的地壓坍塌事故,但局部冒頂依然存在。 現(xiàn)場調(diào)研地壓比較嚴重區(qū)域,2 700 m 中段7#采場間柱,3#、4#、5#采場聯(lián)絡(luò)道,2 760 m 中段6 ～7#采場間柱,5 ～6#采場間柱均出現(xiàn)了不同程度的冒頂和片幫現(xiàn)象。 地壓監(jiān)測重點區(qū)域為2 700 m 中段、2 760 m 中段4 ～6 號勘探線之間。 虛線框范圍內(nèi)是重點監(jiān)測區(qū)域,具體如圖2 所示。

圖2 重點監(jiān)測區(qū)域

3 微震監(jiān)測臺網(wǎng)優(yōu)化研究

3.1 微震監(jiān)測臺網(wǎng)一般性布置原則

根據(jù)《巖體工程微震監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》第4.3 小節(jié)關(guān)于微震監(jiān)測臺網(wǎng)設(shè)計要求微震監(jiān)測點應(yīng)盡量交叉布置,形成上下左右立體包絡(luò)臺網(wǎng)結(jié)構(gòu),中心監(jiān)測區(qū)域定位誤差小于10 m,監(jiān)測事件震級可以覆蓋到-3 ～ +1 級微震事件。

在進行微震監(jiān)測臺網(wǎng)設(shè)計時要充分考慮所用傳感器類型,如加速度型微震傳感器間距盡量小一些,速度型微震傳感器間距盡量大一些,同時傳感器與基站之間的通信距離不宜過長以保障信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

微震監(jiān)測系統(tǒng)臺網(wǎng)需要充分考慮井下巷道的布置情況,一般要求布置在永久性巷道中,對于臨時性巷道非必要不布置,除非為了提高監(jiān)測效果而布置。

微震監(jiān)測系統(tǒng)臺網(wǎng)要能夠充分覆蓋目前區(qū)域,對于微震監(jiān)測系統(tǒng)來說足夠通道數(shù)量的微震傳感器同時監(jiān)測到微震信號可以很好的提高定位精度。

3.2 第一次臺網(wǎng)設(shè)計與分析結(jié)果

根據(jù)微震監(jiān)測臺網(wǎng)的一般性布置原則和地壓活動危險區(qū)域研究,并結(jié)合礦山各個中段平面圖紙進行監(jiān)測臺網(wǎng)設(shè)計。 基于礦山的監(jiān)測需求初步設(shè)計了32 個監(jiān)測點、覆蓋3 個中段的監(jiān)測臺網(wǎng),分別是2 820 m 中段、2 760 m 中段、2 700 m 中段,設(shè)計方案如圖3 所示。

圖3 微震監(jiān)測設(shè)計方案

將設(shè)計監(jiān)測點坐標和巷道模型導(dǎo)入到臺網(wǎng)分析工具中,同時對相關(guān)參數(shù)進行配置如:傳感器類型、p波波速和到時拾取誤差、巖石密度、參與計算傳感器數(shù)量等,然后選擇分析平面進行臺網(wǎng)優(yōu)化分析,臺網(wǎng)分析是基于給定的速度模型然后根據(jù)臺網(wǎng)空間特征使得震源定位隨機誤差最小。 圖4 所示為第一次臺網(wǎng)分析的結(jié)果,圖中不同顏色的云圖表示了計算得到的理論震源定位誤差,而巷道模型可以直觀的看到關(guān)注區(qū)域內(nèi)的理論計算定位誤差值,從圖上可以看出定位誤差在10 ～13 m,未達到微震監(jiān)測臺網(wǎng)控制的5 ～10 m 的設(shè)計要求,需要重新進行設(shè)計。

圖4 第一次微震監(jiān)測臺網(wǎng)分析結(jié)果

3.3 第二次臺網(wǎng)設(shè)計與分析結(jié)果

根據(jù)第一次方案臺網(wǎng)分析結(jié)果,重新設(shè)計2 820 m中段、2 760 m 中段、2 700 m 中段三個中段的監(jiān)點位置和數(shù)量,主要通過在重點關(guān)注區(qū)域內(nèi)增加監(jiān)測點數(shù)量、調(diào)整監(jiān)測點之間的距離,然后注意上下中段之間的包絡(luò)關(guān)系,最優(yōu)的臺網(wǎng)一定是可以從四面八方都可以監(jiān)測到某個震源輻射出的地震波。圖5 所示為第二次臺網(wǎng)設(shè)計與分析結(jié)果,定位精度為4 ～10 m,滿足《巖體工程微震監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》技術(shù)標準中關(guān)于監(jiān)測臺網(wǎng)定位精度小于10 m 的要求。

圖5 第二次微震監(jiān)測臺網(wǎng)分析結(jié)果

由于微震監(jiān)測傳感器的安裝是通過鉆孔注漿的方式進行安裝固定的,一般鉆孔深度在2 m 以上,因而通過現(xiàn)場施工然后再進行調(diào)整安裝傳感器的方式成本太高,而且繁瑣,因而在設(shè)計之初就要反復(fù)做好臺網(wǎng)的設(shè)計工作。

3.4 主動震源驗證系統(tǒng)定位實際精度

在系統(tǒng)建成之后還需要爆破測試,爆破測試一方面可以獲取監(jiān)測區(qū)域內(nèi)巖體平均波速情況,另外一方面可以驗證系統(tǒng)的定位精度和理論定位精度之間的差別。 在理論誤差與實際誤差相差比較大的情況下,可以通過調(diào)整觸發(fā)參數(shù)、波速和定位算法來優(yōu)化定位效果。 樺樹溝銅礦區(qū)進行的爆破定位測試結(jié)果見表1,通過表1 我們可以看到實際定位誤差與理論設(shè)計誤差之間基本保持一致,這也表明了臺網(wǎng)分析工具的可靠性很好。

表1 爆破測試定位分析結(jié)果表

通過現(xiàn)場爆破測試可以看出第二次的設(shè)計方案效果比較理想,主動震源的定位誤差滿足規(guī)范要求,如果爆破定位誤差不能滿足規(guī)范的要求,需要對已建設(shè)的微震監(jiān)測系統(tǒng)進行調(diào)整和優(yōu)化。 如果傳感器采用的可拆卸式的安裝方式則可以重新設(shè)計監(jiān)測點再次安裝傳感器,如果是永久性的安裝方式則需要補充傳感器以優(yōu)化系統(tǒng)定位精度。

4 樺樹溝銅礦微震監(jiān)測臺網(wǎng)效果分析

良好的監(jiān)測臺網(wǎng)可以較好保障系統(tǒng)的監(jiān)測效果,可靠的定位數(shù)據(jù)可保障后續(xù)的數(shù)據(jù)分析結(jié)果的準確性。 通過微震事件的三維時空演變趨勢可以分析到災(zāi)害孕育過程的前兆特征規(guī)律,進而實現(xiàn)準確的預(yù)警。 微震監(jiān)測系統(tǒng)事件定位三維空間分布如圖6 所示,其中不同顏色的球體表示的是微震事件,顏色表示的時間先后關(guān)系,球體大小表示的是震級的大小,然后結(jié)合三維礦體模型和巷道模型就可以直觀的看出巖石破裂發(fā)生的實際位置,通過系統(tǒng)長時間觀察發(fā)現(xiàn)該礦區(qū)的微震監(jiān)測定位的微震事件和現(xiàn)場觀察到的巖石破裂區(qū)域或地壓活動區(qū)域是吻合的。

圖6 樺樹溝銅礦微震監(jiān)測事件定位三維空間分布圖

2021年4月9日系統(tǒng)監(jiān)測到大量的微震事件聚集,通過三維模型和勘探線模型數(shù)據(jù)分析人員可以快速確認微震事件所發(fā)生的位置是在2700 中段4a～4c 勘探線之間并且在5 號傳感器附近聚集。根據(jù)微震事件發(fā)展趨勢判斷其達到了微震災(zāi)害預(yù)警的等級,具體是通過微震事件發(fā)生數(shù)量和震級達到了相關(guān)的閾值,立即向現(xiàn)場發(fā)出了預(yù)警信號并撤離了相關(guān)的作業(yè)人員。 預(yù)警三維視圖如圖7 所示。

圖7 樺樹溝銅礦微震監(jiān)測事件預(yù)警三維視圖

地壓災(zāi)害發(fā)生后通過現(xiàn)場勘察確認,地壓災(zāi)害發(fā)生位置與微震監(jiān)測定位位置是一致的,現(xiàn)場踏勘對比如圖8 所示。

圖8 樺樹溝銅礦微震監(jiān)測災(zāi)害預(yù)警現(xiàn)場踏勘對比情況

通過一年多的系統(tǒng)運行情況來看,該礦微震監(jiān)測系統(tǒng)一共成功實現(xiàn)了5 次地壓災(zāi)害預(yù)警,具體見表2,避免了不必要的人員傷亡事件,特別是在礦區(qū)周圍發(fā)生地震之后礦山通過微震監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)觀察井下地壓活動情況,進而指導(dǎo)礦山有序恢復(fù)生產(chǎn)工作。

表2 5 次成功預(yù)警事件

5 結(jié)論

本文通過對微震監(jiān)測臺網(wǎng)如何設(shè)計、如何優(yōu)化進行了詳細的分析、研究和討論,并通過爆破驗證、地壓災(zāi)害預(yù)警案例驗證系統(tǒng)定位精度的可靠性,最終研究結(jié)果表明好的地壓監(jiān)測臺網(wǎng)可以有效提升地壓監(jiān)測效果,具體研究結(jié)論如下:

(1)微震監(jiān)測系統(tǒng)臺網(wǎng)設(shè)計需要進行現(xiàn)場踏勘和地質(zhì)資料分析研究工作,特別要考慮地壓災(zāi)害危險區(qū)域、巖石物理性質(zhì)和巷道分布情況,進而設(shè)計方案更有針對性。

(2)微震監(jiān)測臺網(wǎng)設(shè)計工具或數(shù)值模擬手段只是輔助工具,在理論分析的基礎(chǔ)上要進行實踐的檢驗并不斷優(yōu)化地壓監(jiān)測臺網(wǎng)。

(3)地壓監(jiān)測預(yù)警效果與地壓監(jiān)測臺網(wǎng)的優(yōu)劣具有十分緊密的聯(lián)系,好的監(jiān)測臺網(wǎng)可以大幅度提高監(jiān)測預(yù)警結(jié)果的準確性。