万城铅锌矿的多通道微震监测系统及其研究

冯晓东，杨 顺

(1.万城商务东升庙有限责任公司， 内蒙古 巴彦淖尔市 015000；2. 长沙矿山研究院有限责任公司 采矿工程中心， 湖南 长沙 410012)

1 概 述

万城铅锌矿位于内蒙古自治区巴彦淖尔市乌拉特后旗巴音宝力格镇(东升庙)北东3 km处,行政区域划分隶属于乌拉特后旗管辖。该矿区地处狼山中段与河套平原接壤地带，矿山于2004年投产开采。年生产能力70多万吨，矿山采用竖井加斜井开拓方式，在分段空场法回采过程中，没有保留中段顶底矿柱，形成了约130万m3的特大采空区，为下部矿体的开采留下严重的安全隐患。目前形成的19，15，11和7号勘探线矿柱垂直高度达到40～110 m，如图1所示。目前矿区有4个中段，分别为960,930,890 m及850 m中段，890 m及以上中段矿量已采空，均无采矿作业，形成了大面积的空区，单个采空区暴露面积超过3500 m2，矿柱稳定性和采空区稳定性问题突出。由于与地表贯通的通道总断面小，一旦出现采空区失稳的情况，采区受冲击波的潜在危害极大。矿山具备极高的发生严重地压灾害的潜在危险。从上述的地压问题看出，本矿生产安全形势极为严峻，地压监测对于确保矿山安全生产，预防重大突发性地压灾害的发生具有极为重要的意义。因此，万城铅锌矿与长沙矿山研究院有限责任公司合作，引进南非IMS微震监测系统，成功建立了一套18通道微震监测系统，于2013年9月底建成，并投入使用，18个传感器分别位于万7线、万11线、万15线与万19线矿柱内，主要监测各矿柱的稳定性。

图1 采空区示意

2 多通道微震监测系统

多通道微震监测系统以岩体破裂释放的弹性波为监测对象，可对所监测区域的岩体进行实时、全天候的自动监测，同时实现了数据的远程传输，对波形数据进行处理并永久保存。通过传感器阵列及时间同步信号，可对大能量多通道触发事件进行震源定位。微震监测系统的建立必须充分考虑所监测对象及矿山的地压现状，结合万城铅锌矿特点及安全问题，确定了监测目标主要为万7线、万11线、万15线、万19线4个矿柱，传感器布置如图2所示。本套系统主要有地表主服务器、井下数据采集基站和传感器3个部分组成，微地震信号经由矿柱内传感器接受并通过前置放大器放大，经数据采集基站进行A/D转换并由光缆传给地表主服务器，即可对传上来的数据进行显示及分析[1-2]。

图2 18通道传感器布置图

本套监测系统为全数字型宽频带全波采集监测系统，可进行全天候实时监测。系统配置有Synapse、Trace、Ticker3D、JDI 4套软件，可以实时显示监测的波形，并在三维模型中显示震源定位的空间位置及坐标，对微震事件进行在线精确分析，并可实现对微震事件的震级、地震矩、释放应力值等多指标的计算分析，还可进行谱分析获得多种震源参数值等，为基于多参数分析岩体稳定状态提供了丰富的数据。

3 微震波形识别

就矿山微震监测而言，微震波形辨识是技术难点。通常，矿山的工作环境复杂，采集的信号包含着各式各样的噪声，目前微震系统还无法实现对岩体破裂信号的自动识别与拾取，主要依赖于监测人员的经验识别，因此针对本矿山井下不同震动信号产生机理的不同，传感器最后记录到的波形在振幅值、持续时间与时间间隔等表征的波形形态一般不同，通过对所收集到的波形进行分析，结合现场应用经验与井下作业规律，建立了一套适合本矿山的基于波形特征的信号经验识别方法[3-6]。

图3描述了一个完整信号波形的几个特征，包括幅值、信号持续时间、上升时间与信号间隔时间等直观的特征，通过这些特征的差异对不同震源波形进行辨识。

图4描述了不同震源波形的特点，(a)、(b)、(c)是井下岩体因承受的应力增加而导致岩体变形破裂产生的微震信号波形。这些信号是微震监测的重点监测对象，是监测人员需要提取和进一步分析的有用信号。岩石破裂信号波形一般持续时间为15～30 ms，单个事件之间的时间间隔没有规律性，(c)为典型的破裂面受剪切作用产生的弹性波波形，能较清晰地分辨出P波与S波震相，(a)与(b)为典型的破裂面受张拉作用产生的弹性波波形，只有P波震相。信号振幅大小与破裂源距离传感器的远近距离相关。(d)是凿岩产生的波形，这类信号一般很好识别，单个事件波形之间的时间间隔与凿岩设备的工作冲击频度相关，冲击频度稳定，周期基本相等，信号振幅稳定。(e)为生产爆破波形，由于爆破能量很大，一般会在离爆破点较近的传感器产生限幅现象且被大多数传感器接收到，这类信号一般在爆破作业时间产生，信号振幅一般很大。(f)是硬件设备运行异常时产生的冲击电压波形，这类信号一般幅值很大，且信号上升时间很短，振荡简单，一般很容易经验识别。

表1详细地列出了井下不同震源的信号波形在信号持续时间、振幅值、上升时间与时间间隔等波形特征方面的差异。通过总结可以看出，凿岩、爆破、电机车行驶与电子设备脉冲电压干扰等信号波形的形态特征比较明显，可以较容易地与岩体破裂信号进行区分，通过经验识别可以区分出大多数的噪音信号，为准确有效地提取有用信号和对矿柱与上覆岩体稳定性状态做出评价打下了坚实的基础。

图3 信号经验识别中几个常用的特征

图4 各类振动源信号波形

表1 矿山井下不同信号震源波形特征比较

4 监测系统定位精度测试及分析

4.1 微震监测定位方法

微震监测定位方法有很多，主要分为几何方法、物理法及数学方法等。在实际的矿山微震监测应用中，Geiger法是应用最为广泛的方法之一，它可以根据若干个传感器被触发的到时时差，选取一个迭代初值，通过一系列的迭代修正，使得计算出的残值趋于最小值，最终取得最优解。IMS的微震监测系统也是基于Geiger法的基础上，同时采用相对计算法来弥补Geiger法对于初始值过于依赖的缺陷，两相结合提高定位精度[4，5，7]。

4.2 系统定位精度测试

在实际应用中，要根据矿山的实际情况设定适合该矿山岩体的波速，从而得出最佳的数据模型，减小定位误差。测试定位精度一般采取人工定点爆破的方法，将系统定位的震源位置与实际爆破的震源位置进行比较，从而获得定位误差。

定位爆破测试点选在890 m中段万11线与万15线之间的巷道内，该点在传感器包裹的定位阵列以内，通过设置不同的波速,比较系统定位点与实际爆破点之间的误差，选择出最适合本矿山的P、S波速模型。图6所示为系统软件波速反演拟合图，得出适合矿山的P波波速为5070 m/s，S波波速为3314 m/s。在该速度模型下，系统定位坐标与实测坐标的对比见表2。该爆破测试信号被6个传感器接收，爆破波形见图5，实际坐标与爆破点的空间位见图7。实心圆点表示系统自动定位点，圆圈表示实际爆破点。

表2 定位误差

5 结 论

(1) 万城铅锌矿18通道微震监测系统实现了对矿山内岩体全天候实时监测，为掌握复杂空区开采岩体内部稳定性提供了有效的手段，提高了矿区安全生产的能力。

图5 爆破波形

图6 波速反演拟合

图7 定位效果

(2) 根据矿山的特点，建立了一套与其相适应的波形辨识方法，极大的提高了有用信号的拾取能力，利用该经验识别法为后续的地震学分析提供了重要的原始数据，提高了系统的数据处理能力。

(3) 采用人工爆破的方式对系统的精度进行测试，建立了适合本矿区的匀速速度模型，P波波速为5070 m/s，S波波速为3314 m/s，定位误差在10 m以内，实现了对震源的高精度定位，达到了预期的目标。

参考文献：

[1]李庶林,尹贤刚,郑文达,等.凡口铅锌矿多通道微震监测系统及其应用研究[J]. 岩石力学与工程学报,2005,24(12)：2048-2053.

[2]Richard-P Varden. Seismic management and seismic hazard quanitification at kanowna belle mine[M].CHUN’AN Tang ed.

[3]徐宏斌，李庶林，陈际经，等. 基于小波变换的大尺度岩体结构微震监测信号去噪方法研究[J]. 地震学报，2012，34(1)：1-12.

[4]李庶林，尹贤刚，李爱兵. 多通道微震监测技术在大爆破余震监测中的应用[J]. 岩石力学与工程学报，2006，24(1)：4711-4714.

[5]唐绍辉，潘 懿，黄英华，等. 深井矿山地压灾害微震监测技术应用研究[J]. 岩石力学与工程学报，2009，28(2)：3597-3603.

[6]尹贤刚，李庶林，黄沛生，等. 微震监测系统在矿山安全管理中的应用研究[J]. 矿业研究与开发，2006，26(1)：65-68.

[7]张 飞，刘德峰，张 衡，等. 基于IMS微震监测系统的微震事件定位精度分析[J]. 中国安全生产科学技术，2013，9(6)：21-26.