基于监测非法采矿行为的微震监测功能二次开发技术

韩瑞亮，李富平，南世卿，郭献章，苏明，万小军

(1.河北联合大学矿业工程学院，河北唐山 063009;2.河北钢铁集团矿业有限公司，河北唐山;3.东北大学，辽宁沈阳 110000)

1 微震监测简介

大量研究资料表明，随着地下深部采矿以及地下岩土工程的不断发展，人们发现高应力水平下矿、岩的破坏(如岩爆、隐伏断层激活等)过程中，其内部积聚的势能会以地震波的形式释放并传播。岩体在破坏之前，必然持续一段时间以声波的形式释放积蓄的能量。矿床开采活动在岩体中引起弹性变形和非弹性变形，在岩体中积蓄的弹性势能在非弹性变形过程中以震动波的形式被逐步或突然释放出去，这种能量释放的强度，随着结构临近失稳而变化，导致岩体内部发生微震(microseisms，MS)事件。这种通过分析微震事件产生的信号(位置、震级等参数)特征，推断开挖过程中的岩体状态和矿岩的力学行为，估测矿岩是否发生破坏，以实现防止、控制或预测潜在的不稳定岩体，从而避免危险事故发生的技术，称为微震监测技术。

通过在地下岩土工程关键位置中布置传感器阵列，可以实现微震数据的自动采集、传输和处理，并利用定位原理确定破坏发生的位置，且在三维空间上显示出来。因此，微震监测技术具有全天候、远距离、动态、三维、实时监测的特点，可以根据震源情况进一步分析推断矿岩的破坏尺度和性质，为研究覆岩空间破裂形态提供新的手段。微震监测系统实时采集并处理的信息常应用于:测定区域场所不稳定性事件的次数与大小;评定溜道和矿柱的稳定性;测量采场块体速度和加速度最大峰值引起的爆炸和大事故;识别潜在的破裂与缺陷;援助爆炸和大事件修复;帮助识别岩石破裂和顶板冒落的潜在区域;追踪坍落处前方的裂缝扩展等。

如何以微震监测为基础，结合其他最新科技成果，通过定量监测预测，对矿山灾害进行充分的认识和理解，达到防灾减灾目的，对促进矿山安全管理的科学化、现代化具有重要的现实意义。

2 微震监测技术的时空定位原理

研究地震定位方法和提高地震定位精度，一直是地震科学中的一个重要课题，地震学家在不断改进或提出新的定位方法，期望得到更高的地震定位精度，朱元清等曾对地震定位精度的可能误差进行了较详细的分析。早期地震定位方法主要是几何作图法，它的历史可以追溯到地震仪问世的年代，并已形成多种经典的方法。

目前，声源的定位方法很多，较常见的有:区域定位法和点定位法(时差定位法)(图1)。区域定位法对传感器布置位置无特殊要求，但要求检测区域内源信号至少被一个传感器接收到，声源的位置就是首先接收到源信号的传感器的位置。该方法的优点是传感器位置布置灵活，检测范围大，但检测到的声源的位置仅表示一定区域，具有不确定性。点定位方法是根据声源信号到达同一阵列内不同传感器时所形成的一组时差，经过几何关系的计算确定声源位置。该方法定出来的声源为一确定点，可靠性高，大多数试验和声发射仪器中用该方法来确定源位置。

图1 定位原理图

本监测定位原理为:在监测区域以一定的网度布置传感器，组成传感器阵列，当监测岩体内出现微震时，传感器即可将信号拾取，并将这种物理量转换为电压量或电荷量，通过多点同步数据采集测定各传感器接收到该信号的时刻，连同各传感器坐标及所测波速代入方程组求解，即可确定声发射源的时空参数，达到定位之目的。

该原理用数学算法解释为最小二乘法，这是基于P波技术发展的经典定位算法。它是基于由多个传感器获得的到达时间所建立的固定方程组(式1)，然后求解方程组的解来得到震源位置坐标。

式中:Xi，Yi，Zi——第 i个 AE 传感器的坐标位置;

Vi——第i个探头处测得的波速;

Ti——到时;

X0，Y0，Z0——震源坐标;

T0——破裂发生时刻。

假设有5个传感器接受到有效信号:

将各项对第一项求差，消去x2、y2、z2、t2，从而得到线性超越方程组:

由上面分析可知，当5个传感器接受到有效信号时，能得到一个解(可能不是最优解)，当6个传感器接收到有效信号时，方程通过排列组合，能得到6个解，对于7组以上方程有更多的解。暂定6组方程计算6个解，7组方程计算7个解，以此类推。对所有的定位结果取其空间几何的中心值，作为定位结果。最小二乘法是比较经典的定位算法，其基本原理及定位算法同时也是其他定位方法的基础。

3 石人沟铁矿微震监测系统的应用及其构成

在充分考虑石人沟铁矿的开采方案和开采计划、矿体的赋存条件，确定采用18通道全数字型微震监测系统(图2)对石人沟铁矿露天边坡、0 m、－60 m三个水平下盘围岩进行微震监测。

图2 微震监测系统网络拓扑图

石人沟铁矿微震监测系统总体上由地面微震数据处理系统、井下微震数据采集系统、传感器三部分组成。30个传感器采集的微震信号，由内置于传感器中的信号放大器放大输出，经由信号电缆传至露天边坡、井下－60 m和0 m三个水平的五个Paladin微震采集仪，并进行信号的A/D转换后输出，由于数字信号传输距离有限，因此再由调制解调器将数字信号转换成模拟信号，再通过电话双绞线将模拟信号传输至0 m水平的井下微震采集工作站，然后再经过A/D转换成数字信号经过光缆传输至地面微震数据处理系统，同时与矿山网络中心连接，达到实时监控、远程数据采集以及远程监控的目的。

该微震监测系统(MMS)主要包括三个部分:Hyperion地面数字信号处理系统(图3)、Paladin井下数字信号采集系统(图4)、以及由大连力软科技有限公司开发基于远程网络传输的MMS-View三维可视化软件。

图3 主机数据处理系统图

图4 Paladin采集仪

4 微震监测技术用于监测非法采矿的功能开发

随着经济的发展，矿业生产可以带来巨大的利润，在利益的驱使下很多地区出现了没有经过规划和批准的非法采掘现象。非法采矿大多采用极为粗放的开采方法，掠夺式地开采矿产资源，往往导致按照合理方法应当采出的资源因矿床破坏而难以采出，造成资源破坏和浪费，对国家的矿产开采秩序有很大的负面影响。这些非法采矿盗采矿点多、效率低下，盗采后会造成所剩矿块大部分矿量无法正常采出，还会造成不明采空区，如有积水，将造成突水灾害，严重影响职工的生命安全，给社会带来很大的危害性。然而，目前矿山防盗采方面，尚无有效的设备和办法在盗采发生的第一时间发现，大多是等盗采规模很大或是造成矿难的时候矿方才察觉。然而，所发生的损失已经无法弥补并给国家利益造成造成巨大的损失，同时给社会带来很大的危害性。因此急需一种能够能够实现快速安装，全天候、实时监测并能够指示矿山盗采的准确时间和三维定位的装置，同时可以对监测部位的地压灾害进行有效的预测的设备，以保护矿山资源。国家十一五科技攻关项目，石人沟铁矿露天转地下开采平稳过渡关键技术研究中，石人沟从加拿大引入了微震监测系统，引入该系统是为了监测露天转地下开采中境界顶柱和地下岩体稳定性的。在项目实施过程中，发现该系统指导矿山生产这一功能还可以有效的监测和打击非法采矿，保护矿产资源和采矿秩序。

石人沟铁矿矿区及人文环境复杂，在利益的驱使下近年来经常有附近村民偷采盗采事件发生，却屡禁不止。2000年前后矿山专门成立了护矿队，日夜巡防，也不能有效制止此类事情的发生。2010年3月29号，石人沟微震项目组成员在分析处理微震事件的时候，监测到矿区北部端帮有很多大能量信号发生(见图5)，对空间分布图提取颜色深的点(见图6)。

图5 三月份微震事件空间分布图

图6 三月份关注事件的空间位置图

对图5、图6进行分析得出爆破信号(见图7)。

图7 爆破事件对应波形图

分析可得，位置坐标为(N4456799，E573515，D92)(见图8)。

图8 三月份关注事件信息图

然而与矿山相关负责人联系，此区域矿上已经停止生产活动，项目组即怀疑此处有偷盗采情况发生。随后，微震项目组结合矿山管理处去坐标(N4456799，E573515，D92)对应位置附近现场查看，果然发现有采矿迹象，确定有偷盗采情况发生。上报矿山领导层，请示护矿矿警对此区域密切关注，对此区域进行不定期巡查。在随后的半个多月的微震监测中，微震事件空间分布图上，此区域的信号数量明显减少，且没有能量大的信号的发生(见图 9、10、11)。

图9 四月份微震事件空间分布图

图10 四月份关注事件的空间位置图

通过对比微震监测图5和图9标示区域的区别，更进一步证明了此区域三月份该区域有非法采矿的发生。

5 结语

通过分析，微震监测系统可以实时追踪偷采、盗采事件，并可以对事件发生的地点进行有效定位。通过对威震监测功能的二次开发，利用该系统功能可以有效的打击非法采矿，如能在其他同类矿山推广使用，对保护国家资源，保障矿业开采的安全、有序可以发挥了巨大的作用。同时，该系统可以实现对地压灾害的全天候、数字化、自动化监测，通过人工震源检验，其定位精度相当理想。需要指出的是，微震系统的功能强大，对其进行多功能的应用开发，充分发挥其作用，对提高我国矿山地压监测技术和安全管理水平有很大的发展前景。

图11 四月份关注事件信息图

［1］陶建勋.微震监测技术在矿山安全管理中的应用［J］.技术经验.2009.8.

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