三山岛金矿新立矿区微震系统设计及应用*

杜富瑞 谢玉玲 胡乃联 李国清

(1.金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室;2.山东黄金矿业股份有限公司)

三山岛金矿作为国内唯一濒海特大型黄金矿山，在安全生产方面可以借鉴的成功经验较少。新立矿区深部开采中面临地压增大导致的岩爆、矿柱破裂、大冒落等问题，且矿体赋存于构造断裂带的下盘，上盘岩石十分破碎，一经揭露即垮落。矿体内节理裂隙较发育，上盘与矿体支护困难。在以上多种因素的作用下，矿区存在上盘岩层沿断裂带错动，产生涌水、突水甚至海水溃入的潜在危险。矿山对此类地质灾害预防预测，主要依靠大量的防范性工程，这种防治手段的弊端在于投资巨大，造成生产成本上升，且带有一定的盲目性。

微震监测技术在国外起步较早，现已成为矿山安全生产管理的重要组成部分。在南非、美国、加拿大、和澳大利亚等国矿山［1-2］、隧道、热干岩发电和油气料储存硐室［3］等方面大量应用，取得了很好的效果。近年来，国内一些学者［4-8］如姜福兴等人均致力于微震监测技术研究，并在国内一些矿山取得了较好的应用效果，这些研究成果大部分以煤矿为研究对象。三山岛金矿复杂地质特点决定了不能简单地将其他微震监测系统进行移植应用。本研究针对三山岛金矿新立矿区的实际监测环境，开发了具有自主知识产权的高精度多通道微震监测系统，实现了井下生产的安全监测。

1 多通道微震监测系统

1.1 系统组成

研发一套完整的微震监测系统须考虑以下因素:监测对象、采集数据精度、监测范围及系统成本。针对新立矿区开采需要高精度和大面积监测的要求，采用集中式与分布式相结合的系统架构，即区域内采用分布式、各区域间采用集中式的测点布置方式。系统设置24个接收通道，最小采样间隔0.125～2 ms，记录精度16/24位。

微地震监测系统主要包括4个井下监测子站、1个井下监控主站和地面数据处理系统(如图1所示)。子站负责微震信号的收集，并上传至监控主站;监控主站负责接收子站数据并转发至上位机，同时负责系统时钟命令的发送，保证整个系统的时钟同步;地面数据处理系统拥有数据采集、存储、分析和服务器的功能，实时、连续、自动采集微地震信号、记录并进行各种滤波处理，对微地震事件进行定位，并进行三维展示。为了保证震动信号采样的准确和响应及时，必须保证采样信号的时钟同步。多台子站间的同步是通过一整套的光电转换由时间服务器完成。子站内没有内部时钟，分站信号采集所需的时间由时钟服务器供给，时钟服务器设置在监控主站内。安装在测区内拾震传感器接收震动信号，传输至井下微地震监测子站，监测子站对其进行A/D转换，通过TCP/IP协议传输至监控主站。监控主站收集各个子站数据，以TCP/IP协议发送至地面上位机，并通过工业环网传送至信息中心。利用单模光纤进行信号传输，具有传输距离远，衰减小，抗干扰性能强的特点。

1.2 传感器布置

图1 微震系统结构

爆破、岩石破裂信号的能量随距离的增大呈指数衰减，频率随距离的增加也呈衰减趋势［9-10］。拾震传感器负责监测区域震动信号的提取，为了保证微震系统的精确运行，传感器采用4.5 Hz低频高灵敏度磁电式传感器和60 Hz高频高灵敏度磁电式传感器，既能监测小范围采场内岩体的稳定性，又能监测开采导致的上盘岩体的破裂和移动，从而实现现局部采场和整个矿区稳定性的安全监测。在－135，－165，－200，－400 m这4个水平上布置拾震传感器，每个水平上分别布置6路拾震传感器，整个系统共24路传感器。在实际布置过程中，各水平的测点均布置在穿脉端头的断裂带处，如图2所示，1号传感器布置于23号穿脉。

这种布置方式既能对岩层移动和矿柱破裂产生的微地震信号进行监测，又能监控大断裂危险区域，可以对海水的的溃入起到预防和监测，对深部开采导致的岩爆起到预警。

2 微地震系统的定位研究

2.1 到时拾取

定位工作离不开拾取到时，研究拾取到时是进行微地震事件定位的第一步，也是关键的一步。只有做到到时拾取误差尽可能减小，才能提高定位精度。不论是巷道掘进爆破还是采场生产爆破，均采用光面微差爆破，爆破段数从2～10段不等，在定位的时候可以浏览所有有效信号的波形信息，选取事件中多数测点都能收到，波形较清晰，且到时容易拾取的那个波形段进行到时的拾取。到时拾取流程如图3所示。

图3 到时拾取流程

在系统运行前期，滤波功能不强，电干扰较多，测点到时不够清晰，拾取到时工作困难。经过系统改进后，对监测数据进行了滤波处理，目前微震波形较清晰，到时容易拾取。以某一次到时拾取为例，只有1个测点收到的波形信息起跳位置明显(即离爆破位置最近的1个测点波形清楚)，其余测点的波形信息起跳位置不明显。这种情况下，到时位置可以以波形的第1个峰值位置作为到时信息拾取位置，到时波形如图4所示。

图4 到时波形选择

2.2 定位计算

在定位计算过程中，需要根据收到微震事件测点的数量确定定位方法。在监测工作中遇到过有1～6个测点监测到微地震事件。

(1)1个测点监测到微地震事件的定位方法:当只有1个测点监测到微地震事件时，按理论来说是不能定位的，但根据波的传播规律，可以进行粗略的定位。如一次生产爆破后，知道监测系统能测得的最大距离，以及振幅与传播距离的对应关系，再将系统测点的布置考虑在内，因此，可以得到1个微地震事件发生的估计震源点。估计震源点与实际震源点的误差要根据地层地质结构不同而不同，总体来说，误差值较大，得出的震源点的位置是一个区域位置。

(2)2个测点监测到微地震事件的定位方法:当1个微地震事件发生后，如果有2个测点监测到此次事件，定位工作首先做的是分析事件的到时和振幅信息，从中发现震源位置距离哪个测点距离较近，根据振幅与传播距离的对应关系，可以判断震源发生的位置，此位置与实际震源位置的误差值也较大，震源点也代表着一个区域范围。

(3)3个测点监测到微地震事件的定位方法:当1个微地震事件发生后，如果有3个测点监测到此次事件，定位工作首先做的是查看3个测点的空间分布位置及到时拾取工作，如果3个测点分布于空间立体位置，可以使用项目组研究的“双曲线定位”方法，利用双曲线在空间的交点定位得出震源位置。如果3个测点分布于平面位置中，无法利用“双曲线定位”，此时，需要分析事件的到时和振幅信息，根据振幅与传播距离的对应关系，可以判断震源发生的位置，此定位结果与实际震源位置的误差值相对前2种情况的定位效果良好，震源点距离定位点的距离在20 m左右。

(4)4～6个测点监测到微地震事件的定位方法:在微地震事件监测的测点较多的情况下，如4个测点或是4个以上的测点监测到微地震事件，在拾取到时工作完成后，将到时信息导入“微地震分布式定位系统”进行定位，定位误差在15 m左右。

编写了基于CserialPort类的上位机管理软件，实现了与下位机的通信，完成了对微震信号的收集，运用定位算法实现了对微震震源的定位。以2013年1月4日定位事件为例，定位结果为(4 489.1，5 441.4，－231)。经过图中坐标与实际坐标的转换后便可以得出微地震事件发生位置的确切地点。如图5所示。

图5 事件的定位结果输出

3 微地震事件分析

在建立深部监测系统之前，每天监测到的微地震事件数量在5个左右，而深部微地震建立之后，每天监测到微地震事件数量在10～20个，除了能监测到微地震系统测点范围内的生产爆破信息，还能监测到一定量的动压引起的岩体活动的微地震事件。51#勘探线附近的测点监测到微地震事件表明，在－400 m水平51#采场西部的采场地压活动性较强。微地震事件数量反映了微地震监测系统能对51#采场进行良好的监测，达到了深部采场围岩稳定性监测的目的。

微地震事件的能量间接的由地震波的振幅值表达，再由测点位置的能量反算震源位置的震级。未安装51#勘探线深部检波器时，开采扰动引起的小能量微地震事件很多都未监测到，只监测到一部分能量稍大的微地震事件。经过1个月的深部监测系统的监测，比较可知，在开采扰动的初期，地压活动性较弱，能量较小，当地压积累至一定程度后，必然导致大能量事件的发生，岩体破裂时在震源位置能产生最大0.57级的震级。目前监测到的深部动压导致的岩体破裂事件能量最小值在30 J，岩体破裂事件能量最大值在279.3 J。

微地震系统安装完毕后，2013年4月份连续3 d监测到大量的开采扰动产生的微地震事件。动压微地震事件波形与爆破、人为干扰、电干扰等波形有明显的区别，从波形图中看以看到明显的震动波形，其次，波形图中记录下的震动波形之间时间间隔极短，震动波形未完全衰减，下次震动又至，震动波形和波形之间不易区分;一般情况下波形图中记录的震动能量值不大，在100 mV左右。典型动压微地震事件波形图如图6所示。

图6 典型动压微地震事件波形

从3个方面分析了微地震监测系统的监测效果，微地震事件数量明显增加，微地震事件能量可以测量，对一些不容易明确计算能量的事件可以进行估值;动压引起的微地震事件波形判别容易，表明微震监测系统监测效果明显。

4 结论

针对三山岛金矿新立矿区的实际生产作业情况，搭建了微震监测平台，实现了对岩爆和断层突水事故的预防。系统自建成以来，运行良好，实现了对井下岩爆突水事故的监测监控，系统可以根据矿山实际生产作业情况进行监测通道的扩展，也可以将系统移植到其他矿区或矿山使用，系统具备良好的可扩展性和可移植性。微震监测系统实现了对海底矿床岩爆和突水事故的精确监测监控，避免了矿山灾害的发生，提高了井下作业的安全性，取得了很好的经济效益和社会效益。

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