上房沟钼矿无线微震监测系统建立与应用研究.pdf

第 38 卷第 2 期 Vol.38,No.22023 年 4 月 China Tungsten Industry Apr.2023 收稿日期：20230311 作者简介：贾宝珊（1984），男，河南南阳人，硕士，工程师，主要从事矿山开采技术及管理研究。DOI:10.3969/j.issn.1009-0622.2023.02.004 上房沟钼矿无线微震监测系统建立与应用研究 贾宝珊1，彭府华2,3（1.洛阳栾川钼业集团股份有限公司，河南 栾川 471500；2.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南 长沙 410012；3.金属矿山安全技术国家重点实验室，湖南 长沙 410012）摘 要：针对上房沟钼矿露天采场底部存在复杂采空区群，严重影响露天安全生产问题，建立一套 24 通道全数字型无线微震监测系统，并开展系统的地压监测分析、安全预警技术应用研究。结果表明，无线微震监测技术能很好地解决上房沟钼矿露天台阶下覆极复杂采空区群稳定性监测问题，确定的采空区灾害监测预警方法成功预警了地压显现，此系统已成为该矿山地压监测、预警和管理中不可或缺的技术手段，有力保障了矿山安全生产。关键词：采空区群；无线微震技术；微震波形识别；监测预警模型 中图分类号：TD326 文献标识码：A 上房沟钼矿位于洛阳栾川县，已有多年开采历史，最初为地下开采，2004 年停止地采，2005 年开始进行 5 000 t/d 的露天开采建设。上房沟钼矿属于典型的地采转露采矿山，由于地下开采遗留了大量未处理的采空区，给露天生产带来巨大安全隐患，因此，有必要建立切实可靠的地压活动监测预警系统以保障露天安全生产。近年来，多通道微震监测技术在全球推广迅速，被应用于岩移监测、崩落范围监测、高应力区与应力重分布监测、爆破及其余震监测等方面1-8。微震监测属于较先进的地压监测手段，具有实时在线监测、全方位大范围监测、危险区域定位等优点。国内地下开采转露天开采矿山中，露天坑下部区域采空区的稳定性监测主要使用微震监测技术。何斌全等9采用微震监测技术对柿竹园地下采空区群稳定性进行监测，实现了井下露天协同开采的动态监测和预警。马法成等10通过建立 32 通道无线微震监测系统对露天采场底部采空区进行监测，微震监测系统在采空区失稳预警、确定井下非法盗采方面发挥着重要作用，保障了露天安全生产。何亚清等11针对三道庄露天矿下部采空区特点，建立 48 道微震系统，将传感器分别布置在井下和地表，成功预警了多次地压显现。陈学军等12对于大宝山铜硫矿地下转露天后，露天采场存在多层复杂空区的稳定性问题，建立微震监测系统，为矿山的安全生产提供有效指导。针对上房沟钼矿由地下转露天开采中存在采空区问题，为确保空区治理和生产过程人员及设备的安全，根据上房沟钼矿采空区的特点，建立一套24 通道无线微震监测系统，实现对监测区域台阶和采空区稳定性的实时、在线和立体监测。1 采空区概述 上房沟钼矿从 20 世纪 80 年代中期出现无序地下民采，到 80 年代末的小规模地下开采和局部集体企业进行的乱采乱挖，已使井下千疮百孔，形成了分布杂乱、大小不等、形态各异的采空区，如图1 所示。图 1 采空区示意图 Fig.1 Schematic diagram of goaf 第 2 期 贾宝珊，等：上房沟钼矿无线微震监测系统建立与应用研究 29 地下空区主要分布在横 20 至纵勘探线之间，标高从 1 154 1 342 m 水平，采空区高度715 m，宽 820 m，长度 2050 m，部分地方采场矿柱被盗采或垮落，几个采场相互连通，形成空场面积达 500800 m2。由于矿体及围岩中含有滑石，加之采场布置不规范，采空区内矿柱少，个别空区跨度、高度较大，采空区顶板塌方冒顶严重。根据目前掌握的空区资料，上房沟露天坑底部存在的空区有 1 273 m、1 264 m、1 262 m、1 247 m、1 225 m、1 202 m、1 180 m、1 168 m 及 1 154 m 共9 层。2 微震监测方案与系统建立 2.1 微震系统监测方案 由于上房沟钼矿现为露天开采，因此微震监测系统设计采用无线通讯方式。根据上房沟钼矿地下采空区大小及地表露天开采范围，设计无线微震监测系统为 24 通道，共有 24 台数据采集仪，即每台数据采集仪为 1 个通道，每台数据采集仪连接 1 个单轴加速度型传感器，共连接 24 个单轴加速度型传感器。上房沟钼矿微震监测系统的基本结构组成拓扑图如图 2 所示。图 2 微震监测系统组成拓扑图 Fig.2 Topology of microseismic monitoring system 整个微震监测系统主要分为 3 个站点，分别为露天采坑数据采集站点、数据接收站点和办公楼地压监控室。其中露天采坑数据采集站点与数据接收站点采用无线通讯，办公楼地压监控室站点到数据接收站点数据采用光缆传输。2.2 传感器布置 上房沟露天矿坑内分东、西两个采区，西部采区目前没有道路通达，处于暂停生产状态，因此暂时不考虑在该区域设置监测点；东部采区是露天矿现阶段以及未来一段时期的主要生产区域，该区域人员、设备较为集中，是本阶段微震监测的重点。由于上房沟钼矿露天台阶在生产过程中动态推进，因此传感器为“动态布置方式”，即传感器服务周期为传感器安装后至该台阶推进。根据现有的井下采空区资料和空区探测结果可知，东部采区 1 225 m 水平以上的采空区多数已塌陷，因此，目前东部采区监测的重点为 1 202 m 水平采空区。1 202 m 水平采空区相对比较独立，将东部采区地下 1 202 m 水平的各采空区进行编号，从1#23#共有 23 个采空区，现场采空区探测孔显示1 225 m水平采空区与1 202 m水平采空区贯通高度约 40 m。1 202 m 水平各采空区编号如图 3 所示。图 3 东部采区 1 202 m 水平采空区编号图 Fig.3 Numbering map of horizontal goaf 1 202 m in eastern mining area 由于井下采空区形成时间长，自身岩石力学性质发生变化，并随着生产爆破的影响，造成部分采空区垮塌。因此，采用“先探后测”原则先对井下各采空区情况摸底排查，在采空区上方直接打地质钻孔打透空区，即从地表直接打到 1 202 m 水平，根据钻探结果再分析判断是否布置监测点，对已经明确的采空区直接布置监测点。2.3 传感器安装 依据设计方案，首先借助专业测量仪器确定传感器钻孔在采场台阶中的实际位置，确定钻孔位置做好标记后再进行钻孔作业。传感器孔深度按设计要求施工，孔径 140 mm，钻孔垂直布置，钻孔采用潜孔凿岩机施工。钻孔钻至设计深度后，停止冲击功能，仅用刮削功能持续 1 min 左右，确保孔底平整。钻孔完成后，必须用高压风吹干净孔底和孔 30 第 38 卷 壁，以保证传感器安装的可靠性。由于设计部分传感器安装钻孔深度较深，传感器安装后钻孔内可能积水深度过大，导致传感器受水压损坏，为此，有必要在传感器进行安装之前进行二次防水处理，设计采用树脂胶进行密封防水处理。3 微震监测系统应用 3.1 微震波形识别 由于矿山作业环境较为复杂，除了岩石破裂事件以外，还存在大量的其他震源信号，如凿岩、爆破、卡车运输等，这些震源信号会和目标岩石破裂事件掺杂在一起，因此，需要对微震波形进行快速有效的识别。微震信号辨识方法主要有三种方法：一是经验辨识法，根据不同信号波形特征来分辨事件类型；二是波形频谱分析辨识法，是根据信号的频率特征进行辨识；三是组合分析法，利用经验辨识和频谱分析辨识法结合。利用经验辨识法一般对波形的幅值、信号间隔时间、上升时间、持续时间等直观特征进行分析，比如岩石破裂波形持续时间很短，一般为 1050 ms，同时上升时间很短等。图 4 波形经验辨识主要特征 Fig.4 Main characteristics of waveform empirical identification 波形频谱分析法一般是通过傅里叶变换分析波形的频率组成与主频，通过不同震源波形频率组成成分不同来进行辨识。图 5 为岩石破裂波形，其频率成分以高频为主，主频在 1 0002 000 Hz 左右。图 5 岩石破裂波形 Fig.5 Rock fracture waveform 3.2 监测预警方法 从信号接收传感器数量分类，微震事件可分为微震定位事件和微震非定位事件。微震定位事件是指该震源事件信号同时被多个传感器接收，可计算出震源位置的事件；微震非定位事件是指信号同时被接收的传感器数量少，不能计算震源位置的事件。在同一监测区域，微震定位事件也可认为是能量相对较大的事件。上房沟钼矿地压灾害监测预警模型从定位事件和非定位事件两大类出发，采用单通道微震事件率、单通道微震事件能量、微震定位事件空间聚集度、微震定位事件 b 值和微震定位事件簇群密度作为监测预警参数。3.2.1 单通道微震事件率 单通道微震事件率D代表的物理含义为单位时间内微震事件发生的活度，计算公式如式（1）所示。NDT （1）式中：N 为在某一特定时间监测到的微震事件总数，个；T 为单位时间，根据分析对象的不同，单位时间可以为月、天、小时、分钟等。3.2.2 单通道微震事件能量 通过该单通道微震事件波形可以计算出其相对能量大小。如图 6 所示的单通道事件波形图，该离散信号为电压值对时间的函数，采样频率为10 kHz，采样时间间隔为 104s。其信号相对能量 E的计算公式如式（2）所示。14010NkkKXEX （2）式中：N 为采样点总数，个；kX为信号幅值，V；为传感器阻抗值，为 18 k。图 6 中瞬时震动信号持续时间为 0.06 s，最大振幅值为 0.15 V，其震动信号能量为 0.61e 4 J。设正常水平时微震相对能率值的均值为E1，异 图 6 典型单通道微震事件波形图 Fig.6 Typical single channel microseismic event waveform 第 2 期 贾宝珊，等：上房沟钼矿无线微震监测系统建立与应用研究 31 常情况下的相对能率值为E2，e为异常情况与正常情况的比值，计算如式（3）所示。21EeE （3）3.2.3 微震定位事件空间聚集度 微震定位事件空间聚集度表示在空间上微震事件聚集的程度。微震事件在空间上的聚集度越高意味着可能发生了一个宏观的岩体破裂滑移面。为了较好地对空间集聚程度进行定量评价，通常的方法是根据震源点的分布，构造出椭圆，然后通过椭圆的长短轴，计算出椭球率e，其表达式如式（4）所示。222222(01)accaaeecacaa （4）式中：a为椭圆长轴长度，m；c为椭圆短轴长度，m。通过e值能较好的对数据分布的扁平程度作出评价。3.2.4 微震定位事件b值 地震学中认为，不同震级的地震，其累积频度满足关系如式（5）所示。lgNabM （5）式中：M为地震的震级；N是震级大于M的地震个数，个；a和b是两个参数。b值反映了微震事件中震级较大事件的多少，当b值变大时，说明大震级事件数降低；当b值变小时，说明大震级事件数增加，大震级事件数增多说明岩体破裂剧烈程度在增加，因此b值能定量地反映岩体稳定性状态。3.2.5 微震定位事件簇群密度 微震事件簇群密度表示单位面积内微震定位事件数量。假设簇群定位事件集合为,nnnE xyz，则微震定位事件簇群密度值e计算如式（6）所示。0enA （6）式中：n为微震事件数，个；0A为事件覆盖区域面积，m2。根据上房沟钼矿地压实际情况，基于上述单通道微震事件率、单通道微震事件能量、微震定位事件空间聚集度、微震定位事件b值和微震定位事件簇群密度 5 个参数，建立起一套多参数预警模型。上房沟钼矿多微震参数预警模型建立有一套自数据记录到分析计算、再到判别预警的流程。通过微震监测系统正常数据监测，记录单通道事件和定位事件，根据各参数的理论方法分别计算出单通道事件率的倍比值、单通道事件能量倍比值；微震定位事件的聚集度、微震定位事件b值和微震定位事件簇群密度值。根据多参数预警模型，当其中至少有一个参数满足设定的预警参数值时，即发出地压预警信息。需要指出的是，这 5 个参数并非为必选项，因为在一次地压灾害监测预警中，可能会出现某一个或者几个参数缺省，如由于事件能级较小而无法实施空间定位进而无法计算其事件簇群密度等，但该情况并不影响上述预警模型，只要其中一个参数符合预警条件时，即发出地压灾害预警。多参数预警模型见图 7 所示。图 7 地压灾害多参数预警模型 Fig.7 Multi-parameter early warning model of disaster 3.3 地压灾害监测预警应用 2020 年 6 月份系统运行后，6 月 18 日微震事件异常活跃，特别是 4#传感器微震事件达到 1 146 个，监测人员提前发出预警信息，生产部门立即停止了该区域所有的作业活动，撤离人员和设备，采场当 32 第 38 卷 天发生较大范围塌陷，通过微震监测预警成功避免了一起可能的事故，微震事件变化趋势图如图 8 所示，采场地表大范围塌陷图如图 9（a）所示。采场塌陷后微震事件数据 69 月份一直相对比较活跃，说明地下采空区一直处于破裂活跃期，7 月 25 日微震事件数又急剧增加至 1 054 个，垮塌区域进一步增大。从监测数据来看，2020 年 10 月2021 年 2 月微震事件整体处于较低水平，表明该时间段内露天采区下部的空区整体稳定性较好，2021 年 3 月下旬开始，微震事件数整体波动至较高水平，其中多个 图 8 微震事件率和能量变化趋势图 Fig.8 Trend graph of microseismic event rate and energy (a)采场大面积塌陷；(b)采场局部塌陷 图 9 露天采场塌陷图 Fig.9 Collapse map of open pit 传感器出现超预警值情况，此时间段内井下采空区岩石破裂较为活跃，空区逐渐不稳定，在采场多处也发生塌陷和沉降，采场局部塌陷如图 9（b）所示。4 结 语 针对上房沟钼矿露天台阶和地下采空区稳定性问题，建立了一套 24 通道全数字型无线微震监测系统，实现对地下采空区稳定性全天候、实时和立体监测；确定采空区灾害监测预警方法，应用该方法成功预警了地压显现，确保了系统建立以来未发生岩体工程灾害安全事故，验证了此预警方法具有较强的适用性；实践表明，无线微震监测技术能够很好地解决上房沟钼矿台阶及下覆极复杂空区地压监测重大技术难题，目前已成为上房沟钼矿地压监测、预警和管理中不可或缺的技术手段，为矿山安全生产提供了有力保障，取得了显著的经济和社会效益。参考文献：1 彭燕丽，刘 强，王 平.某金属矿山微震监测系统建设与应用J.采矿技术，2023，23（2）：6770.PENG Yanli，LIU Qiang，WANG Ping.Construction and application of microseismic monitoring system in a metal mine J.MiningTechnology，2023，23（2）：6770.2 程 超，兰晓平，吴水生，等.香炉山钨矿特大采空区地压微震监测技术应用研究J.中国钨业，2011，26（5）：1013.CHENG Chao，LAN Xiaoping，WU Shuisheng，et al.On the microsesmic monitoring technology on the ground pressure in the large gobJ.China Tungsten Industry，2011，26（5）：1013.3 武建东，彭府华.锡林矿业采空区稳定性微震监测可行性研究J.湖南有色金属，2021，37（1）：14.WU Jiandong，PENG Fuhua.Feasibility study on stability monitoring of Xilin mine goaf by microseismicJ.Hunan Nonferrous Metals，2021，37（1）：14.4 李凌飞，江文武，杨 扬，等.某钨矿微震事件定位精度分析J.中国钨业，2015，30（5）：2933.LI Lingfei，JIANG Wenwu，YANG Yang，et al.Position accuracy analysis of micro-seismic 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gobJ.China Mine Engineering，2015，44（2）：68，18.Establishment and Application of Wireless Microseismic Monitoring System in Shangfanggou Molybdenum Mine JIA Baoshan1,PENG Fuhua2,3（1.Luoyang Luanchuan Molybdenum Group Co.,Ltd.,Luanchuan 471500,Henan,China;2.Changsha Institute of Mining Research Co.,Ltd.,Changsha 410012,Hunan,China;3.State Key Laboratory of Metal Mine Safety Technology,Changsha 410012,Hunan,China）Abstract:Aiming at the problem that there are complex mined-out areas at the bottom of the open pit of Shangfanggou Molybdenum Mine,which seriously affects the open pit safety production,a set of 24-channel full-font wireless microseismic monitoring system is established,and the systematic ground pressure monitoring analysis and application research of safety early warning technology are carried out.The results show that the wireless microseismic monitoring technology can well solve the problem of monitoring the stability of extremely complex mined-out areas under the open-pit steps in Shangfanggou Molybdenum Mine,and the determined disaster monitoring and early warning method for mined-out areas has successfully warned the ground pressure appearance.This system has become an indispensable technical means in the monitoring,early warning and management of ground pressure in this mine,which has effectively guaranteed the safe production of the mine.Key words:goaf group;wireless micro-seismic technology;micro-seismic wave form recognition;monitoring and early-warning model（编辑：游航英）