金川二矿区微震监测区域多参数权重预警模型与对策分析

赵子巍 ，寇永渊 ，寇鹏飞 ，蔡双

(1.长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南 长沙 410012；2.国家金属采矿工程技术研究中心， 湖南 长沙 410012；3.金川集团股份有限公司二矿区， 甘肃 金昌市 737102)

随着我国矿山逐步过渡到深部开采，岩爆等地压灾害开始显现，国外深井岩爆控制经验表明，必要的采矿设计可以控制岩爆的发生，但在矿山开采过程中进行岩爆预测的重要措施是开展微震监测。自 2000年以后，国内一些大型矿山陆续建立了微震监测系统，相关的大学和科研机构在微震技术研究方面也取得了很多研究成果，为微震监测技术在国内矿山的普及作出了重要的贡献。

1 矿山基本情况

微震监测系统的基本原理就是检波器监测周围环境的振动信号，并进行相关计算处理，振动信号包含种类较多，如微震事件、爆破事件、机械振动、溜井放矿等信号。为了准确地分析岩石破裂的活动情况，需要区分振动信号，剔除非微震信号的干扰，目前微震监测系统尚不能高准确性自动识别微震信号，仍需人工识别信号分类。信号分类的依据是波形特征和信号频谱特征，信号特征归纳方法是：选取矿山特定时间的爆破信号进行特征总结，如掘进爆破、点炮，其次根据排除法滤掉爆破和噪声事件，同时可以辅助波形的声音特征识别微震事件，最后归纳微震事件信号的波形特征和频谱特征。本文介绍了微震监测系统在金川二矿区的应用。

金川集团股份有限公司是我国最大的镍矿资源生产基地，其中二矿区年出矿量稳定在430万t/a，是我国有色金属地下矿山年生产能力最大，机械化、现代化程度最高的充填采矿法矿山。

目前，金川二矿区随着开采深度的增加，开采条件和作业环境恶化，回采过程地压显现剧烈，潜在灾变风险、安全问题突出，井巷工程破坏和返修量大，开采成本大幅上升，开采难度进一步加剧。深部采准工程现已频发严重的冒顶片帮、底鼓、蠕变变形破坏等强烈的地压显现现象。故金川二矿区在1150～850 m建立了一套微震监测系统，用以监测深部开采的地压稳定性，并根据监测结果，提出采场灾变预测预报方法及其灾害防控对策，为实现二矿区深部安全高效开采提供重要技术支撑与安全保障。

2 典型事件波形特征研究

2.1 爆破事件典型波形

金川二矿区每天在不同时段会进行不定时爆破作业。从爆破震源机理判断，一般爆破的能量较大，因此波形振幅较大；爆破采用微差爆破方式，会形成多个振动微周期连续波形；爆破信号频率成分复杂，同时以低频信号为主。金川二矿的掘进爆破的波形都比较容易辨识出来，而零星点炮的波形特征和微震的波形特征比较接近，需要通过频谱和声音等综合识别手段才能加以区分开来。金川二矿区爆破信号典型波形如图1所示。

图1 金川二矿区爆破信号典型波形

2.2 噪声事件典型波形

金川二矿区噪声事件主要是机械振动信号，如打钻、铲运机作业、风机振动、溜井放矿、电磁干扰等。特征规律比较明显，具有规律性的振动特征，且通过波形的声音特征较容易分辨，如图2所示。

图2 金川二矿区噪声事件典型波形

2.3 微震事件典型波形

金川二矿区的微震事件主要是岩石破裂或者断层滑移等矿山岩体地压活动事件，二矿区矿体比较破碎，且围岩与充填体之间存在空隙，其破坏机理较为复杂且不利于能量的传播；不同破坏原因形成的振动波波形特征不同，有的具有典型的P波和S波特征，有的S波不明显；传感器距离震源的远近，其波形特征和频谱特征也不相同，距离近时P波和S波叠加在一起不易区分，而高频部分信号特征明显，距离远时高频部分大幅衰减，而低频信号较为明显。通过排除前面的典型爆破波形和典型噪声波形，以及综合分析研究，总结出金川二矿区 4种典型微震事件波形，如图3所示，图3（a）、图3（b）中的P波和S波比较容易区分，且主频在400 Hz以上，而图3（c）、图3（d）中的P波和S波则不易区分，可以通过频谱图及声音来还原识别，符合微震事件的频谱特征。

图3 金川二矿区微震事件典型波形图

2.4 数据统计

2021年4月系统监测到了大量的事件，根据典型事件波形特征研究，事件中包含微震事件、爆破事件、噪声事件等振动信号共计 2884个事件（见表1），其中微震事件占总数的 8.4%、爆破事件占总数的87.7%、噪声事件占总数的3.9%，微震事件可进行精确事件为129个，占总数的4.5%，触发但不能进行精确定位的微震事件114个。

表1 监测事件统计

3 微震监测区域多参数权重预警模型

3.1 预警模型

根据数据处理分析与统计的结果，建立区域多参数权重预警模型。区域划分为各个中段范围，中段高度为150 m，预警模型考虑4项参数，分别为单位区域事件率、区域能量对数总和、区域d值变化率和区域B值变化率，权重分别占比50%、30%、10%和10%，各项参数对应打分见表2。根据多参数打分再乘以分配权重求和，所得分数划分为5个危险等级，从低到高分别为绿色预警（1分）、蓝色预警（大于1小于等于2分）、黄色预警（大于2小于等于3分）、橙色预警（大于3小于等于4分）和红色预警（大于4小于等于5分）。

表2 多参数权重预警模型分值

例如，某中段区域事件率为15个/月，区域能量对数总和为-5，区域d值变化率为 2.1，区域B值变化率为1.5，计算见表3，总得分为2.2分，即此区域处于黄色预警。

表3 举例计分

3.2 金川二矿区预警对策

根据所定义的不同颜色预警等级，给出对应预警对策。

（1）绿色预警，说明该区域稳定，无需采取任何措施；

（2）蓝色预警，说明该区域稳定性欠佳，需继续监测观察，并提醒周边生产作业人员提高警惕；

（3）黄色预警，说明该区域围岩、支护或者充填体裂隙有所发育，发生了细微的破坏，需要安全员每日现场巡视观察，是否有发生宏观破坏，周边生产爆破作业需降低频率和强度，并提醒该区域生产作业人员提高警惕，待黄色预警降为蓝色或绿色预警；

（4）橙色预警，说明该区域围岩、支护或者充填体内部或者暴露面已发生或者即将发生局部宏观破坏，需圈定安全警戒，撤离并禁止人员、设备进入，周边生产爆破作业需降低频率和强度，并提醒周边生产作业人员提高警惕，待橙色预警降为黄色、蓝色或绿色预警，可撤离警戒，并对破坏区域进行支护；

（5）红色预警，说明该区域围岩、支护或者充填体潜在发生重大地质灾害，需圈定安全警戒，撤离并禁止人员、设备进入，停止周边生产爆破作业，待红色预警降为黄色、蓝色或绿色预警，可撤离警戒，并对破坏区域进行支护。

4 结语

（1）建立了金川二矿区1150～850 m微震监测系统，用以监测深部开采的矿岩体稳定性。

（2）研究了二矿区爆破事件、噪声事件及微震事件典型波形特征，用以区分各种事件，以利于微震事件的识别和处理分析。

（3）建立了金川二矿区区域多参数权重预警模型及预警对策，为二矿区深部安全高效开采提供了重要技术支撑与安全保障。