微震监测技术在矿产采空区监测中的应用

2021-04-19朱为民

世界有色金属 2021年2期

朱为民

（新余良山矿业有限责任公司，江西新余338000）

随着地下矿山特别是深部矿层采掘深度不断的往下延伸，地压活动显现越来越频繁，根据要求应开展地压监测研究工作，建立相应的监测网络系统，提高井下采空区地压监测管控能力。当前我国矿山领域里应用较多的是地压监测技术基本分为两类，一类是以应力计、位移计、收敛计等为主的点监测技术手段；另一类是以微震监测系统、声发射系统为主的大范围地压监测技术。常规地压监测技术发展较早，监测结果也比较直观，但是监测信息较为单一，监测范围较小不适合大范围进行地压活动监测[1-3]。微震监测技术具有大范围区域监测、传感器非接触式安装、能够获取岩体内部破坏物理信息等特点，其技术原理是矿山的地压灾害的发生往往是一个岩石不断破裂累积的过程，当岩石或节理断层受到外界的应力扰动作用出现了微破裂，微破裂事件慢慢积累并贯通，进而出现了更大尺度的破裂，最终岩石出现了宏观破坏，以岩石冒顶片帮、顶板垮塌、矿柱失稳、地表沉陷等形式出现，而岩石破裂则以振动波的形式向四周传播能量，通过在岩石破裂区周围布置振动信号检波器，检测岩石弹性波到时和能量等相关地震学参数，通过震源定位算法计算出岩石破裂源的发生位置、发生时刻、震级等参数，进而可以定量评价地压活动现状和演化趋。

1 地压监测数据分析

（1）信号检测与分类。微震监测系统其基本原理就是传感器检测周围环境的振动信号，并进行相关计算处理，然而振动信号则包含种类较多，如微震事件信号、爆破事件信号、机械振动信号、溜井放矿等信号。为了准确的分析岩石破裂的活动情况，需要剔除非微震信号的干扰，但是目前微震监测系统尚不能进行自动识别微震信号，需要人工识别信号，并进行分类，主流的做法是进行典型信号的分类，给数据处理人员提供一个指导依据。

信号分类的依据是波形特征和信号频谱特征，信号特征归纳方法是：首先选取矿山特定时间的爆破信号进行特征总结，如采场爆破、掘进爆破、点炮，其次根据排除法滤掉爆破和噪声事件，同时可以辅助波形的声音特征识别微震事件，最后归纳微震事件信号的波形特征和频谱特征。

（2）事件定位精度分析。微震监测系统的定位精度是影响微震监测应用的一个重要因素，不同的工程环境对定位精度要求是不同的，同时一个微震监测系统的定位精度是一个动态值，并不是固定的，因此不能将一个微震监测产品或者微震监测系统的定位精度为一个固定值。

图1 定位误差分布等值线图

某铁矿总体监测目标区域内定位误差较小，满足要求，但是对周边区域的辐射较小，这是由于微震监测点过少造成的，一期只投入了8个监测点，而且覆盖区域较大，两个中段之间的距离达到了300m～400m，因而影响了最终的定位效果，不过爆破事件定位还是相对准确的，特别是+40～+85分段之间具有明显的聚集和运动轨迹，表现系统定位效果较好，某铁矿微震监测定位误差分布等值线见图1。

（3）监测台网合理性分析。一期微震监测台网一共设计了8个监测点，其中+85m分段5个监测点，水平间距100m，+40m分段3个监测点水平间距100m；+85m分段和+40m分段监测点间距为210m左右，因而设计的微震监测台网网格尺寸为100m＊210m。微震监测台网布置。

将系统所有的事件震级进行统计分析，发现系统检测到事件矩震级分布范围为-2.05～+0.61之间，而矿山微震监测系统要求可以覆盖-3～+3.0之间的微震事件，当然这取决于系统监测目标和矿山实际生产情况，某铁矿地压监测目标在于监测到顶板冒顶事故及其前后地压变化情况，从目前的监测数据来看可以基本满足从微破裂到宏观破裂的全过程监测，但是对于弱小的破裂事件捕捉数量不够丰富。

此外从系统定位精度来看，目前爆破事件和溜井放矿振动事件定位精度效果很好，在台网包络范围之内基本可以准确的定位到震源发生位置定位误差可以控制到10m以内。

2 微震数据统计分析与地压活动规律研究

描述一个微震事件或者事件群需要5个独立的的震源参数（x、y、z、t、M、E），即是微震事件发生的位置、发生的时刻、事件的地震矩、事件的能量。

（1）微震事件活动率分析。微震事件活动率表征了地压变化的活动水平，是衡量地压变化的主要指标之一，微震事件活动率大小与围岩性质、地应力、断层、爆破、充填和支护等因素有关，其中爆破开挖扰动、围岩性质和地应力尤为关键，考虑到某铁矿围岩为坚硬类岩石，性质较为稳定且节理裂隙不发育，同时矿山开采水平埋深较浅地应力不大，因而爆破开挖扰动引起断层节理次生破坏是微震事件发生的主要原因。

该届会议参会代表包括来自法国、意大利、美国、中国等28个国家和地区的112位数学史与数学教育专家、学者，以及中小学数学教师，具体国家和地区分布如图1所示．会议共设大会报告6场，大会专题讨论一场，两小时工作坊8场，1.5小时工作坊12场，30分钟口头报告50场，15分钟简短口头报告两场及展览会一场．

通过大概9个月的数据处理与分析，系统收集到了较为完善和丰富的微震数据，可以通过图表的形式直观反映微震事件活动率变化情况，以及与爆破活动率之间的对比。

可以看出微震事件1月份和5月份最多大于60个，其次是3月、6月和7月大于30个，其它月份微震事件数量少于20个，其中5月份向矿山发出过预警通知，同时得到了验证，这表明月均发生微震事件超过60个则是危险的，超过30个则是比较危险，小于20个则是表明地压活动比较稳定。

爆破事件的活动率分布情况，其中3月和7月最多大于400个，1月和5月其次大于200个，其它月份小于150个。与微震活动率相对照，爆破活动率高的月份微震事件活动率也高，虽然不是完全的正相关但是基本一致，表明爆破活动是诱导微震事件发生主要外因。

（2）微震事件空间分布规律分析。微震事件空间分布规律可以体现为局部地质因素、采空区和断层等因素对微震事件产生的影响，为了体现相关空间位置关系，通过建立空间过滤体进行事件过滤，可以看出1#采场、2#采场微震事件最多、+85m分段以上采空区也出现了较多微震事件，+40m到-5m分段采场微震事件主要分布在+40m分段附近，这与台网控制范围有关。

其中主要的爆破活动发生在1#、2#采场，同时此处微震事件也较多，同时比较微震事件和爆破事件分布情况，发现大部分爆破事件分布区域微震事件分布较少，而爆破事件与微震事件重合区域则是出现了岩石冒顶的区域，这说明爆破事件虽然是微震事件发生的外因，但是局部岩性和节理情况则是微震事件发生的内因。

其次充填采空区微震事件随着充填活动转移而转移，表明充填过程中对附近的围岩产生了一定的扰动从而发生微震事件，不过整体活动率较低，且充填结束后就比较稳定了。

3 微震事件强度特征参数分析

（1）应力云。从云图可以看到微震事件视应力变化较大区域为1#采场、2#采场主溜井附近，主运输斜坡道附近、采场连接处，充填采空区区域，这与微震事件发生位置基本重合，其中应力峰值为0.462Mpa，属于较小的视应力，表明区域整体应力水平变化不大，预留的矿柱可稳定的支撑顶板围岩。

其中E表示事件能量，M表示事件地震矩，d值表征岩体系统劲度或刚度值，可类比于岩石应力应变曲线的斜率，当d值增大时表明区域内岩体处于硬化阶段当d值减小时表明区域内岩体处于软化阶段，软化阶段则表明岩体内部出现了破坏并进行了能量释放。

通过对2018.12～2019.7每个月的微震事件进行统计拟合发现，只有2月份d值小于1，其它月份d值大于1，其中1月份d值小于于1.5，其它月份均大于1.5，这表明区域内围岩处于弹性压密阶段，既岩石硬化阶段，属于稳定阶段。由于图表的相似性只列举2018年12月份和2019年3月份。其中2月份由于停产停电事件数量很少，相对数值偏小。根据监测到的微震事件拟合的d值见表1。