基于微震监测的采场顶板冒落反演分析*

袁锦锋 董亚宁 郏 威 刘 博

（1.安徽马钢罗河矿业有限责任公司2.长沙矿山研究院有限责任公司）

目前我国地下矿山开采越来越深，地压问题日益严峻，虽然越来越多的矿山采用干式充填、水砂充填和膏体充填等方式控制地压，但受限于充填设计强度的实现度、充填工艺和充填接顶等难题的限制，对地压的控制效果难以表观和量化。因此矿山对井下地压问题都格外重视并采取一定的监测手段，一般地压监测手段有钻孔应力计、光弹应力计、压力盒、收敛仪或储存式应力监测设备等，这些监测手段具有事后监测、单点监测和监测成果单一等缺点。微震监测系统作为新一代地压监测手段，具有实时监测、过程监测和可预警等特点，在地压灾害发展过程中具有其他监测手段难以替代的优点，同时监测数据多样，可进行深入分析，便于总结地压活动规律，从而为矿山动态采矿活动中提供安全保障［1-2］。

1 矿山生产概况

罗河铁矿采矿方法主要以阶段空场法和分段空场法为主，矿房开采完毕嗣后充填，再二步骤回采矿柱。由于罗河铁矿矿房结构尺寸较大，采场顶板在回采结束充填前，空区暴露面积为600～1 300 m2，而充填衔接周期为10～40 d，在此期间，大体积空区长时间暴露，顶板应力在采充衔接周期内重新分布和转移。矿山采区上覆岩层有500多米，一步骤矿房开采完毕充填体形成有效支撑强度前，支撑上覆岩层应力主要由二步骤矿柱和一步骤采场空区顶板承担，矿房和矿柱资源回采时，势必对上覆岩层产生扰动，尤其是中深孔大爆破，开采深度高，跨度大，爆破能量大，含水岩层对于爆破而言属于软弱结构面，含水层厚度跨度300 m 左右，而隔水层厚度不足50 m，在动静水压力和爆破扰动作用下，顶板隔水层的稳定性至关重要，同时顶板和矿柱的稳定性也决定着矿块采充周期内的安全生产［3］。

2 矿山微震监测系统

罗河铁矿微震监测系统采用ESG 地震波采集系统［4］，采样频率高，信号采集能力强。微震监测系统主要由高精度加速度传感器、地震波采集器、地表监控设备以及监测软件组成。监测软件主要包含数据采集软件（HNAS），定位事件三维可视化软件（Seis-Vis）、波形可视化软件（WaveVis）、帕拉丁诊断软件（Paladin Diagnostics）、微震数据库（Seismic Database）和微震树形自动处理器（SeisProc Tree）。软件工作逻辑关系如图1所示。

微震监测系统共建设5 台基站，每台基站携带6通道传感器，共计30 通道传感器。微震监测系统布设采取重点监测兼顾整体监测、近期监测和长远监测的原则，主要分布在-455 m 凿岩水平、-508 m 辅助凿岩水平和-560 m 运输水平。针对矿山地压情况，重点监测上覆岩层含水层底板、中短期的采场矿柱以及长期的盘区间柱的地压活动规律。因此传感器一般布设在盘区间柱和采场矿柱内，监测系统布设如图2所示。

3 采场顶板冒落的微震反演

3.1 微震震源

矿山作业环境较为复杂，产生震源的因素有很多。罗河铁矿井下作业环境的主要震动源有爆破作业产生的震动、人员作业震动、设备作业震动、电磁干扰信号和岩石破裂发育等，而岩石破裂过程产生的弹性波是需要监测的主要目标，用来分析岩体破裂的发育和扩展过程，并对监测的信号进行波形识别，得到监测数据和信号参量，从而进行地压灾害孕育过程监测。

3.2 微震波形识别

根据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，通过对井下主要震动源产生的信号波形进行收集与分析，根据波形形态的特征进行了经验识别。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［5］。

表1 详细地列出了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，通过经验识别可以辨识出绝大多数波形信号。

3.3 微震监测时空分布

对罗河铁矿2020年10月1日—2021年1月27日的微震活动进行时空特征分析，时空分布特征主要表征微震活动与时间的相互关系，通过研究某个时间段内的微震活动频率，找出其对井下生产活动造成的影响趋势。触发-事件的时间分布柱状图见图4，研究上述间段内总的触发数和事件数在一天中时间分布特征可知，触发数与时间数呈正相关，而在每天的6∶00—8∶00，15∶00—17∶00 以及22∶00—23∶00时间段内，触发数和事件较为活跃。该段时间内总事件数为1 468 个，平均事件率为12 个/d，大震级事件（M＞0.5）数为58个，大震级事件率为3.9%。

?

3.4 24-5采场附近顶板冒落的微震监测反演

从Seismic Data Editor 软件中调取1 月12 号—1月27 号的微震监测数据，通过Filter 过滤，筛选高程在-540～-455水平、坐标位置在生产采区范围内的监测数据，从触发-时间关系图、矩震级分布、累计视体积、事件率和b值等参数分析顶板冒落前后的监测数据［6-7］，见图5～图9。

从图5可知，在每天的6∶00—8∶00，15∶00—17∶00和22∶00—23∶00 时间段内，传感器触发数和微震事件数比较集中，这与井下的生产大爆破、掘进爆破和溜井爆破等生产活动密切相关，每次在爆破后1～2 h内是微震活跃的高发期。这与日常的监测平均数据相符。

从图6 和图7 可知，定向过滤后的微震事件数为260 个，事件率为17.3 个/d，大于日常的12 个/d 的事件率，大震级事件（M＞0.5）数为24 个，其比例由日常平均值的3.9% 上升到10% 左右。其中1 月21 日前，事件数基本在10个以下，而在1月21—26日，事件数日均增加至30个以上，至1月27日后，事件数恢复至10个以上。

根据图8可知，累积视应力在1月21日后有快速增长的趋势。根据图9 的2020 年11 月18 日—2021年1 月27 日的b 值变化趋势可知，1 月6—20 日时间段内，b 值有短时间快速下降的现象，根据相关研究［8-9］，该段时间可能有岩体局部失稳的可能。

在1月27日15:30大爆破后，14号和15号传感器在短时间内反复触发，通过波形识别均为岩体破裂波形，压剪波形和张拉波形均反复出现。如图10、图11所示。

当天2 个传感器附近没有作业情况，但反复触发的情况很罕见，平均事件率在30 个/d，当天由于在-455 水平的26#～28#传感器暂未工作，因此排查处于-508水平的14#和15#传感器，其接收来自上方的微震弹性波信号。根据系统软件，监测到24-5 采场附近的大量微震事件，并形成事件簇群，因此系统根据监测数据分析认为，14#和15#传感器附近可能存在重大的岩体破裂可能，并发出监测预警信息。

经现场确认24-5采场附近顶板于1月28日凌晨发生垮塌，14#和15#传感器正好位于24-5 和25-5 采场下方，这2 个传感器在1 月21—27 日反复触发表明，顶板岩体在垮塌前经历了大概一周的岩体破裂发育阶段，在1 月27 日的大爆破扰动后，加剧了岩体内部破裂，弹性波反复释放，从而被垮塌地区下方的14#和15#传感器接收，并在一天后地压灾害孕育完成，发生顶板冒落。传感器位置与采场及微震事件簇群关系见图12。

4 结 论

（1）微震监测系统具有动态监测、过程监测、区域监测的优点，可在地压灾害孕育过程中实现有效信号识别，并通过分析实现安全预警。

（2）结合波形识别，通过对日均微震事件率、微震b值、矩震级和微震事件簇群等震动参量的对比分析，可以提前3～7 d 对地压灾害进行有效监测和定位，并提供预警信息。

（3）通过对24-5 采场附近顶板垮冒进行基于微震监测的反演分析，微震监测系统能有效对监测数据进行记录和筛选，可对井下的地压灾害进行过程监测和提前预警，在下一步的安全监管工作中，可以发挥更大的作用。