微震監(jiān)測技術(shù)在礦山安全管理中的應(yīng)用

1、文章編號:1008-7524(200908-0031-04微震監(jiān)測技術(shù)在礦山安全管理中的應(yīng)用陶建勛(中煤邯鄲中原建設(shè)監(jiān)理咨詢有限公司,河北邯鄲056031摘要:介紹了微震監(jiān)測技術(shù)的作用原理、功能及應(yīng)用方向,以及在我國礦山的實(shí)際應(yīng)用情況。微震監(jiān)測系統(tǒng)的建立對于推進(jìn)我國礦山的安全監(jiān)測和管理水平有重要意義。關(guān)鍵詞:微震監(jiān)測技術(shù);礦山安全;微震監(jiān)測系統(tǒng);地壓中圖分類號:TD76文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A0引言隨著地下深部采礦以及地下巖土工程的不斷發(fā)展,人們發(fā)現(xiàn)高應(yīng)力水平下礦、巖的破壞(如巖爆、隱伏斷層激活等過程中,其內(nèi)部積聚的勢能會以地震波的形式釋放并傳播,同時(shí)對應(yīng)有微震事件的發(fā)生。微震是礦巖破壞過程的伴生現(xiàn)象,

2、其中包含了大量的有關(guān)圍巖受力破壞以及地質(zhì)缺陷活化過程的有用信息,故通過對微震信號的采集、處理、分析和研究,可以推斷礦巖內(nèi)部的性態(tài)變化,預(yù)測巖土結(jié)構(gòu)是否在發(fā)生破壞,反演其破壞機(jī)理。在地下巖土工程中布置傳感器陣列,可以實(shí)現(xiàn)微震數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、傳輸和處理,并利用定位原理確定破壞發(fā)生的位置,且在三維空間上顯示出來。因此,微震監(jiān)測技術(shù)具有遠(yuǎn)距離、動(dòng)態(tài)、三維、實(shí)時(shí)監(jiān)測的特點(diǎn),可以根據(jù)震源情況進(jìn)一步分析推斷礦巖的破壞尺度和性質(zhì),為研究覆巖空間破裂形態(tài)提供新的手段1。微震監(jiān)測技術(shù)在南非、加拿大等國的深井礦山中得到了廣泛應(yīng)用,但在我國僅有極少數(shù)礦山進(jìn)行過微震監(jiān)測。由于缺乏對礦山的有效監(jiān)測,導(dǎo)致我國每年礦山事故頻

3、發(fā)。同時(shí)隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,許多礦山已開始進(jìn)入深部開采,巖爆等高應(yīng)力問題會逐漸突出,單純靠傳統(tǒng)的巖石力學(xué)手段已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)實(shí)需要,由此可見微震監(jiān)測技術(shù)必將在未來的礦山安全生產(chǎn)中發(fā)揮越來越重要的作用。如何以微震監(jiān)測為基礎(chǔ),結(jié)合其他最新科技成果,通過定量監(jiān)測預(yù)測,對礦山災(zāi)害進(jìn)行充分的認(rèn)識和理解,達(dá)到防災(zāi)減災(zāi)目的,是一個(gè)重要的研究趨勢,同時(shí)對促進(jìn)礦山安全管理的科學(xué)化、現(xiàn)代化具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。1微震監(jiān)測技術(shù)在礦山的應(yīng)用a.邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測。采用微震監(jiān)測技術(shù)搜集到的微震信息可以有效地幫助分析邊坡當(dāng)前所處的安全狀態(tài),及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患并采取相應(yīng)措施進(jìn)行治理,可以達(dá)到很好的監(jiān)測效果。b.采場穩(wěn)定性監(jiān)測。利

4、用微震監(jiān)測技術(shù)對采場進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,根據(jù)收集的微震數(shù)據(jù)及時(shí)掌握應(yīng)力的分布情況,從而保證采場的安全生產(chǎn)。c.利用微震技術(shù)可以有效地監(jiān)測巖爆的發(fā)生。但是我國目前只有極少礦山擁有此項(xiàng)監(jiān)測技術(shù),與發(fā)達(dá)國家還有很大差距。d.其他監(jiān)測應(yīng)用。礦山在建立了微震監(jiān)測系統(tǒng)后,可以依靠其進(jìn)行礦山的日常安全管理工作,例如用于對鑿巖、爆破工作的有序管理,可以及時(shí)掌握鑿巖、爆破作業(yè)時(shí)間和地點(diǎn),監(jiān)控現(xiàn)場是否按生產(chǎn)計(jì)劃嚴(yán)格執(zhí)行;用于礦山安全救援,可及時(shí)了解工程地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生位置,還可以根據(jù)待救收稿日期:2009-04-03作者簡介:陶建勛,高級工程師,總經(jīng)理,中煤邯鄲中原建設(shè)監(jiān)理咨詢有限責(zé)任公司,電話:159*,河北省邯鄲市滏河

5、北大街114號,郵編:056031。人員敲擊巖壁的信號,及時(shí)確定救援方向和位置。還可以用微震監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行礦山地下工程開挖影響范圍或礦巖自然崩落的情況、非崩落區(qū)工程穩(wěn)定性、地表巖移及塌陷的監(jiān)測。2微震監(jiān)測技術(shù)在我國礦山的應(yīng)用2.1微震監(jiān)測技術(shù)在凡口鉛鋅礦的應(yīng)用凡口鉛鋅礦是我國典型的深井開采礦山之一,其采區(qū)由淺部和深部組成,淺部分為金星嶺和獅嶺兩個(gè)采區(qū),深部處于獅嶺采區(qū)之下。獅嶺淺部和深部采區(qū)主礦體分別賦存于F3主控?cái)鄬拥纳?、下盤,埋深580880m,礦體塊狀產(chǎn)出,圍巖均為灰?guī)r。其深部地壓大,巷道冒頂片幫增多,大冒頂也時(shí)有發(fā)生,部分噴漿支護(hù)破壞,二次支護(hù)量增加,支護(hù)成本上升。通過前期研究,發(fā)現(xiàn)凡口

6、礦深部地應(yīng)力具有典型的構(gòu)造應(yīng)力特征,最大水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力,水平地應(yīng)力與垂直地應(yīng)力之比為1.21.7,測得最大主應(yīng)力達(dá)31.2MPa;同時(shí),深部礦、巖石均較脆,具有巖爆傾向性,這些表現(xiàn)出典型的深井開采的地壓特征。為安全生產(chǎn),防止或減輕深井地壓災(zāi)害,特別是預(yù)防可能的大冒落、巖爆或礦震等災(zāi)害發(fā)生,并掌握該礦F3控礦斷層的穩(wěn)定性,確定采用微震地壓監(jiān)測手段對深井地壓災(zāi)害進(jìn)行研究。2.1.1監(jiān)測范圍的確定根據(jù)凡口鉛鋅礦礦體賦存特點(diǎn)和中段開采順序,確定監(jiān)測范圍為-450m以下、-750m以上的獅嶺北主采區(qū)。初步監(jiān)測范圍確定以后,對所選定的監(jiān)測系統(tǒng)l6通道探頭(傳感器安裝位置進(jìn)行合理布置設(shè)計(jì),同時(shí)采用數(shù)值

7、分析與模擬方法對探頭位置進(jìn)行優(yōu)化分析,確定分別在-500 m、-550m、-600m、-650m4個(gè)中段布置探頭,每中段4個(gè)。每個(gè)中段內(nèi)探頭交替布置在礦體穿脈巷道的上下盤圍巖中,上下中段之間探頭的位置也交替布置而不重疊,在空間上形成一個(gè)較均衡的分布狀態(tài)。2.1.2系統(tǒng)總體布置系統(tǒng)總體上由3部分組成,即地表監(jiān)測站、井下數(shù)據(jù)交換中心、井下探頭陣列。井下探頭安裝在先前優(yōu)化的位置,探頭與井下交換中心之間用電纜連接。井下交換中心與地表監(jiān)測站之間以光纜連接。安裝調(diào)試完成后,探頭接收的地震模擬信號經(jīng)前置放大后由電纜傳輸?shù)骄聰?shù)據(jù)交換中心,模擬信號在交換中心通過A/D轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號,數(shù)字信號再由光纜傳輸至地

8、表監(jiān)測站內(nèi)的地震數(shù)據(jù)采集儀中,然后由與地震數(shù)據(jù)儀相連接的計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測顯示,并進(jìn)行各種分析。2.1.3微震監(jiān)測系統(tǒng)的功能該系統(tǒng)由國外引進(jìn),是目前國內(nèi)第一套用于金屬礦山地壓監(jiān)測的多通道、全數(shù)字型、寬頻帶、全波采集微震監(jiān)測系統(tǒng)。其頻率響應(yīng)范圍為幾個(gè)赫茲到5000Hz,系統(tǒng)可對微震事件進(jìn)行遠(yuǎn)距離、全天候監(jiān)測,并精確定位,計(jì)算微震事件震級(里氏-3.04.0和其釋放的應(yīng)力值,運(yùn)用其設(shè)置功能可自動(dòng)識別事件類型(如爆破、微震、巖爆等,還可測定巖層的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度和加速度。該系統(tǒng)配備有可視化分析軟件,可建立三維旋轉(zhuǎn)空間模型。在模型上顯示微震事件位置,給出事件的空間坐標(biāo)、發(fā)生時(shí)間、能級大小,進(jìn)行頻譜分析等等

9、,同時(shí)還可建立數(shù)據(jù)庫,制作一系列的微震事件分析統(tǒng)計(jì)報(bào)表。此外,該系統(tǒng)還可以根據(jù)礦山以后開采地點(diǎn)及條件變化,重新布置探頭陣,以及根據(jù)定位精度的要求隨時(shí)增加探頭數(shù),進(jìn)行擴(kuò)容。2.1.4人工震源定位及定位精度驗(yàn)證系統(tǒng)安裝調(diào)試完成以后,采用人工爆破制造震源的方法,對系統(tǒng)的定位效果及定位精度進(jìn)行了驗(yàn)證。首先選定兩個(gè)震源點(diǎn),一個(gè)位于探頭陣列之內(nèi),一個(gè)位于探頭陣列之外。爆破前,由測量人員精確測定該兩點(diǎn)的空間坐標(biāo),此后,通過微震系統(tǒng)重新確定其位置及空間坐標(biāo),將兩次所得坐標(biāo)相比較就可以計(jì)算出微震系統(tǒng)的定位精度。人工震源點(diǎn)均選擇在-550m中段,探頭陣列內(nèi)的震源位于穿脈內(nèi),探頭陣列外的震源位于S3穿脈內(nèi)。在系統(tǒng)定

10、位分析中,N7穿脈震源點(diǎn)運(yùn)用了16個(gè)探頭的監(jiān)測數(shù)據(jù),而S3穿脈點(diǎn)因?yàn)橛袃蓚€(gè)探頭采集的數(shù)據(jù)受干擾不理想,分析中只用了14個(gè)探頭的監(jiān)測數(shù)據(jù),從定位精度的分析來看,系統(tǒng)對震源定位準(zhǔn)確性較高,誤差較小,特別是位于探頭陣列之內(nèi)的震源點(diǎn),其定位結(jié)果非常理想。2.1.5微震系統(tǒng)應(yīng)用微震監(jiān)測系統(tǒng)在凡口鉛鋅礦建立之后,對礦山地壓災(zāi)害的孕育情況,隱伏斷層的活動(dòng)情況等已經(jīng)連續(xù)監(jiān)測了一年多。采用該系統(tǒng)可盡早發(fā)現(xiàn)災(zāi)害源,從而在災(zāi)害發(fā)生之前及時(shí)制定和采取防治措施,減少或防止了災(zāi)害造成的損失,實(shí)現(xiàn)對鑿巖、爆破等工作的有序管理,為確保礦山安全生產(chǎn)起到了重要的作用。2.2微震監(jiān)測技術(shù)在冬瓜山銅礦的應(yīng)用冬瓜山銅礦礦區(qū)主礦體位于背

11、斜的軸部,標(biāo)高為-680-1000m,大部分位于-730m以下。礦體走向35°,長1820m,水平投影寬度204 882m,厚度為3050m,礦體呈下凹形,但中部厚大,沿兩翼及走向向外逐漸變薄并尖滅。礦體呈似層狀,產(chǎn)狀與圍巖基本一致,與背斜形態(tài)吻合,其傾向隨圍巖產(chǎn)狀分別向北西和南東傾斜,傾角一般為20°左右。礦體具有在平面上展布范圍大,而在深度上變化不大的特征。其深部地壓大,巷道冒頂片幫明顯增多,大冒頂也時(shí)有發(fā)生,部分噴漿支護(hù)破壞,二次支護(hù)量增加,支護(hù)成本上升。為了安全生產(chǎn),防止或減輕深井地壓災(zāi)害,特別是預(yù)防可能的大冒落、巖爆或礦震等災(zāi)害發(fā)生,并掌握該礦斷層的穩(wěn)定性,確定采

12、用微震地壓監(jiān)測手段對深井地壓災(zāi)害進(jìn)行研究。2.2.1監(jiān)測范圍的確定根據(jù)冬瓜山銅礦礦體賦存的特點(diǎn)和其開采的順序,初期監(jiān)測區(qū)域包括整個(gè)首采區(qū)及其開采影響區(qū)域,冬瓜山微震監(jiān)測系統(tǒng)首采區(qū)位于5258線之間,-850m標(biāo)高以上礦段。初步監(jiān)測范圍確定以后,對所選定的監(jiān)測系統(tǒng)16通道探頭(傳感器安裝位置進(jìn)行合理布置設(shè)計(jì),同時(shí)采用數(shù)值分析與模擬方法對探頭位置進(jìn)行優(yōu)化分析,在礦體上部開采影響范圍以外布置8個(gè)地震傳感器,其中2個(gè)三向傳感器,位于上向10m深的鉆孔孔底;6個(gè)單向傳感器,位于上向40m深孔孔底。在礦體下部開采影響范圍以外布置8個(gè)地震傳感器,2個(gè)三向傳感器和6個(gè)單向傳感器全部位于上向10m深的鉆孔孔底。

13、2.2.2系統(tǒng)總體布置冬瓜山微震監(jiān)測系統(tǒng)由地面監(jiān)測控制中心、井下通信控制中心、4個(gè)Qs、一個(gè)Qs Repeater和16個(gè)傳感器等硬件系統(tǒng)和R TS,J M TS和JDi等軟件組成。各傳感器地震信號通過Qs采集后傳輸?shù)骄聹y控中心,進(jìn)行處理和分析,同時(shí)由地表控制中心監(jiān)視監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行狀況,并發(fā)出控制指令控制和管理監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行。其微震監(jiān)測控制中心位于冬瓜山銅礦網(wǎng)絡(luò)信息中心,是銅陵有色金屬集團(tuán)公司局域網(wǎng)節(jié)點(diǎn),負(fù)責(zé)控制微震監(jiān)測系統(tǒng)、記錄和自動(dòng)處理礦山地震信號;同時(shí)作為服務(wù)器,其多個(gè)終端計(jì)算機(jī)位于礦山技術(shù)和生產(chǎn)部門,用于技術(shù)人員日常處理和分析地震數(shù)據(jù),以及指導(dǎo)礦山安全生產(chǎn)。2.2.3微震監(jiān)測系統(tǒng)的功能

14、該套系統(tǒng)引進(jìn)南非ISS微震監(jiān)測系統(tǒng),采用的地震傳感器固有頻率為4.5Hz或30Hz,其可用頻帶寬度為32000Hz,系統(tǒng)可對微震事件進(jìn)行遠(yuǎn)距離、全天候監(jiān)測,并精確定位,震源誤差小于10m。計(jì)算微震事件震級和其釋放的應(yīng)力值,運(yùn)用其設(shè)置功能可自動(dòng)識別事件類型(如爆破、微震、巖爆等,還可測定巖層的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度和加速度。并且它是與冬瓜山投產(chǎn)同步來建立監(jiān)測系統(tǒng),體現(xiàn)了預(yù)防為主的思想;約束條件少,容易實(shí)現(xiàn)監(jiān)測網(wǎng)站布置的優(yōu)化設(shè)計(jì),使監(jiān)測的數(shù)據(jù)更具有系統(tǒng)性。微震監(jiān)測系統(tǒng)軟件都在Linux操作系統(tǒng)平臺下運(yùn)行。其中:a.監(jiān)測運(yùn)行控制系統(tǒng)軟件RST控制和管理微震監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行;b.地震學(xué)處理軟件J M1S自動(dòng)記錄、

15、顯示和處理地震波形、定量計(jì)算地震學(xué)參數(shù),并提供事件到時(shí)手工拾取和地震學(xué)分析平臺;c.地震活動(dòng)可視化解釋程序JDi進(jìn)行地震數(shù)據(jù)的三維空間可視化,提供多種參數(shù)的時(shí)間序列曲線,具有任意空間、平面和時(shí)間以及多種地震參數(shù)聚類選取的功能,可以滿足不同空間和時(shí)間范圍地震活動(dòng)研究的需要。2.2.4人工震源定位及定位精度驗(yàn)證冬瓜山銅礦深井開采微震監(jiān)測系統(tǒng)建成運(yùn)行后,實(shí)現(xiàn)了對該礦首采區(qū)礦床開采中地震活動(dòng)的連續(xù)監(jiān)測。目前每天檢測到冬瓜山礦區(qū)地下各種地震事件200多個(gè),首采區(qū)礦體和圍巖內(nèi)的各種地震事件幾十個(gè),最小地震事件的里氏震級為-2.0。系統(tǒng)建成之后,在首采區(qū)內(nèi)的不同位置進(jìn)行了定位爆破,以檢測微震監(jiān)測系統(tǒng)的震源定

16、位精度,對炮孔位置測量值與微震監(jiān)測系統(tǒng)計(jì)算值相比較,測定的定位誤差小于10m,上述表明,冬瓜山礦首采區(qū)地震傳感器空間站網(wǎng)布置是合理的,滿足礦山微震監(jiān)測的需要。2.2.5微震系統(tǒng)應(yīng)用微震監(jiān)測系統(tǒng)對冬瓜山銅礦盡早發(fā)現(xiàn)災(zāi)害源,使其在災(zāi)害發(fā)生之前及時(shí)制定和采取防治措施,減少或防止災(zāi)害造成的損失,實(shí)現(xiàn)了對鑿巖、爆破等工作的有序管理,為確保礦山安全生產(chǎn)和管理起到了重要的作用。3結(jié)語微震監(jiān)測系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對地壓災(zāi)害監(jiān)測的全天候、數(shù)字化、自動(dòng)化,通過人工震源檢驗(yàn),其定位精度相當(dāng)理想。這套系統(tǒng)提高我國深井礦山地壓監(jiān)測技術(shù)和安全管理水平有重要作用。最后需要指出的是,微震系統(tǒng)的功能強(qiáng)大,對其進(jìn)行多方面的應(yīng)用開發(fā),充分

17、發(fā)揮其作用,具有很大前景。4參考文獻(xiàn)1姜福興,Xun Luo.微震監(jiān)測技術(shù)在礦井巖層破裂監(jiān)測中的應(yīng)用J.巖土工程學(xué)報(bào),2002,24(2:147149.2李庶林,尹賢剛,鄭文達(dá),等.凡口鉛鋅礦多通道微震監(jiān)測系統(tǒng)及其應(yīng)用研究J.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005,24(12:2048 2053.3唐禮忠,潘長良,謝學(xué)斌等.冬瓜山銅礦深井開采巖爆危險(xiǎn)區(qū)分析與預(yù)J.中南大學(xué)學(xué)報(bào),2002,33(4:335338.4唐禮忠,楊承祥,潘長良.大規(guī)模深井開采微震監(jiān)測系統(tǒng)站網(wǎng)布置優(yōu)化J.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2006,25(10:20362042. 5唐禮忠,潘長良.大型深埋硬巖礦床巖爆監(jiān)測系統(tǒng)方案研究J.金屬礦山

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