IMS微震监测在某矿地压预测中的应用

廖永斌 朱仕林

(1.江西漂塘钨业有限公司；2.江西理工大学资源与环境工程学院)

当前矿山逐渐进入深部开采，面临地应力集中、自稳性差等主要问题[1-2]，在这种高应力的条件下，极易产生地质灾害，如冲击地压、顶板冒落、垮塌，给矿山工作人员的安全带来了极大的威胁。微震地压监测系统能够全天候24 h监测地压活动，及时发现地压异常区域，并结合微震的各个参数进行数据分析，得出风险等级，及时通知矿山做好相关区域的安全排查工作，为避免人员伤亡做出防范。本文通过对特定地压活动风险区域的预警空间范围进行微震多参数分析，最终得出预警信息。

1 工程概括

赣南某钨矿矿区主要是以黑钨、锡为主的石英细脉型高温热液矿床。矿区内断层发育，主要有东西向、北东向及北北东向，较大的断层有十余条，最大的断层为F2主断层，附近节理发育，破碎带宽达0.5～1 m。

矿区主要受基岩裂隙水、断裂结构面和大气降水的影响，地势高峭，地表汇水面积较大。随着开采的延伸，采空区增多，部分地表已陷落，地表受到破坏，岩层移动也将加剧，使原有节理张开，形成新的裂缝，加快了地表水的下渗速度。

矿区内采掘破坏了岩体的原始应力平衡状态，使围岩发生形变、开裂、冒落等情况。

448 m中段地压活动区域主要集中在3～11线F5断层附近及F5与F2断层交界处，Ⅲ矿体采空区周边，主要形式为巷道片帮、冒顶、混凝土支护开裂。

388 m中段地压活动区主要集中在0～7线Ⅲ矿体采空区周边，主要形式为巷道片帮、冒顶。

在矿区的中区产出有近东西向F5、F6，北西向F2和北东东向F3、F4断层,将中区切割成一个以F2、F3、F5、F6为边界的菱锥形块体，为矿体的主要赋存区域，在此锥体内部，岩体又被三、四级结构面和采空区临空面切割。

矿山主要为地下开采，中段跨度为750～200 m。目前矿区主要有9个中段，其中，388 m中段以上为主平窿开拓，328，268 m中段为盲竖井+盲斜井联合开拓。448 m中段以上11线以东为赣南钨资源综合利用低品位资源回收的示范基地。Ⅲ矿体496 m中段19线以西、448 m中段11线以西已基本开采完毕。

2 微震地压系统的建立

微震监测系统主要针对现阶段回采的中段建立，使检波器在三维空间达到最优化。

微震地压监测系统主要硬件有检波器(单向检波器、三向检波器和加速度检波器)、传输线缆、工作站(数据采集器、波形处理器、时序同步、光猫等)，通过光纤将信号传输至地表服务器中，由后台数据分析软件(Trace、Vantage等)进行数据处理[3-5]。微震系统架构见图1。

南非IMS微震实时在线监测系统通过后台系统监测到微震事件进行分析，而一套系统的稳定性和高效性是基于监测到的微震事件的准确性。在控制系统成本的情况下影响检波器监测数据的准确性主要有以下几个因素：一是矿区的地质地形和开拓回采结构；二是采空区分布的情况，空区对波形的传递有衰减作用；三是检波器的三维空间布置形式，以定位精度最优的方式来布置检波器[6-7]。

图1 微震系统架构

目前微震事件的定位主要依据高桥法，即通过事件触发检波器的时间差进行空间定位，见图2。

图2 微震事件定位原理

微震系统检波器的合理布置对检测事件的准确性至关重要，检波器的密度及型号的选取有助于提升系统对微震事件的灵敏度和事件定位精确度。为检测定位效果，后期可以通过矿山人工爆破的方式进行反演，即对比实际爆破位置和微震系统[7-9]。

矿区主要生产中段为268，328，388，448 m中段，以268和388 m中段的检波器点位布置图为例，见图3。

检波器三维空间布置主要有2个检验参数，即时间定位误差云图和最小震级云图，本文以监测到的最小震集云图(图4)为例，来验证2个中段的定位效果。矿区监测的目标是实现全矿区震级监测达到里氏-2.0级。

3 系统应用

基于矿区微震监测系统架构，从预警前期时空间的缩小和排查入手，结合微震多参数判定，缩小特定风险区域，从而准确预警[10-11]。

图3 不同中段检波器点位布置

3.1 一定时间域内风险分析

累积视体积、对数能量指数、事件数等微震事件参数能够直观地反映一段时间内特定区域内岩体稳定情况。

垮塌、冒顶、片帮等地压灾害是由于在采矿活动等扰动下岩石微破裂的萌生、发育和扩展趋势，而微震监测系统能够有效地监测岩体破裂时产生的地震波，进一步依据各类微震监测指标进行分析。例如岩体应力的释放前兆往往伴随着累积视体积的急剧上升和对数能量指数的急速下降。通过后台数据分析，对圈定的地压活动活跃区域开展预测预报。

图4 不同中段最小震级云图

矿区496 m中段2017年6—11月能量指标见图5。

图5 496 m中段对数能量指数、视体积与施密特数关系曲线

依据往常矿区事件分布的时空间特征，事件主要分布在268～448 m中段，在496以及556 m中段很少出现事件，496 m中段出现少量事件聚集，见图6。

图6 496 m中段事件分布

3.2 特定空间域内风险分析

为了能够更好地识别此次危险源的位置，针对496异常区域的348采场重点区域范围重新圈定，将重点风险区域进一步缩小，判定垮塌风险具体位置。496 m中段348采场重点风险区域范围见图7。

为了验证危险源的正确性，将348采场的累计视体积、对数能量指数与施密特数关系图以及累积能量-时间关系图通过后台软件Vantage(风险评估软件)重新生成，见图8。

累积视体积、对数能量指数以及施密特数都是表征岩体稳定性的指标，累积视体积的急剧增加往往代表着裂隙发育影响区域的扩大化，累积视体积随时间变化的曲线的斜率是表示岩土体应变速率的参数。而对数能量指数的下降伴随着加速发展的视体积表示应变软化，预示着岩体进入不稳定状态。同时根据图9中的微震事件聚集度的急剧增加，可以判定岩土体中有裂隙发育之贯通状态，即将发生冒落风险。通过对风险区域的进一步缩小，可以判定发生冒落的区域在 496 m 中段348采场，并及时对矿区做出风险预警。

图7 496 m中段348采场重点区域范围

图8 348采场重点风险区域能量指数、视体积与施密特数关系曲线

图9 348采场重点风险区域累计能量-时间关系曲线

2017年11月1日风险评估报告明确提出，在328～496 m中段的348～304采场相邻区域存在事件聚集，且监测指标显示，该区域存在局部岩体裂隙贯通的征兆。

根据后续调查，确认在496 m中段8线附近的原老出矿点，工人在中班的时候已经将采场所有矿石出完，并且未经爆破，在当天晚班的时候发现有大量垮落矿石，可以确定在中班下班后采场内部出现垮塌现象。

此次垮塌事故与地压灾害预警风险评估完全吻合，因提前及时通知矿区领导及工作人员做好安全措施，避免了人员设备的伤亡损失。

4 结 语

(1)根据矿区的地质岩体情况、回采方式以及采空区分布特征，合理地布置检波器的三维空间密度，结合后期定位云图和爆破反演的方式确定定位精度和定位误差，为微震系统的整体架构提供依据。

(2)通过微震系统监测到的事件，分别对一定时间域内和特定风险区域内的微震多参数进行分析，通过微震能量指数变化的规律以及风险区域的缩小，最终确定危险源，及时进行地压灾害的预警，为矿山提供安全保障。

(3)在发生大规模的裂隙贯通前期会伴随着事件数上升，在一定区域内聚集度上升，累积视体积急剧上升，对数能量指数和施密特数急剧下降。掌握好主要微震参数变化规律，结合矿区实际生产及地压灾害调查，能够及时做出风险预警报告。