微震技术在地下矿山的应用研究_吴佐汉.pdf

12微震技术在地下矿山的应用研究 吴佐汉（福建省冶金工业设计院有限公司，福建福州350011）【摘要】矿山开采破坏了原岩应力平衡，在应力重新平衡过程中势必会在采掘工作面附近矿体或围岩中产生局部应力集中现象，超过围岩系统强度极限时就会发生损伤破坏甚至失稳，伴随着弹性能的释放，以弹性波的形式经围岩介质往外围传播，形成矿山震动（简称微震）。本文利用微震监测系统对各事件发震时间、三维位置及能量进行实时监测，从而分析矿山岩体的断裂信息、描述空间岩层结构运动和应力场的迁移演化规律、判别动力灾害危险程度，为矿山安全生产提供科学依据。研究表明，发生矿山动力灾害的可能性和微震能量有很大的关系，能量越大，岩体破坏尺度越大，发生动力灾害的可能性就越大。【关键词】微震；能量；应力；安全Application of Microseismic Technology in Underground MinesWu Zuohan（Fujian Metallurgical Industry Design Institute Co.,Ltd.,Fuzhou 350011,Fujian）【Abstract】Mining destroys the stress balance of the original rock.In the process of stress rebalancing,local stress concentration is bound to occur in the ore body or surrounding rock near the mining face.When the strength limit of the surrounding rock system is exceeded,damage and even instability will occur.With the release of elastic properties,it will spread to the periphery in the form of elastic waves through the surrounding rock medium,forming mine vibration(referred to as microseism).In this paper,the microseismic monitoring system is used to monitor the occurrence time,three-dimensional position and energy of each event in real time,so as to analyze the fracture information of mine rock mass,describe the migration and evolution law of spatial rock structure movement and stress field,and identify the risk degree of dynamic disasters,so as to provide a scientific basis for mine safety production.The research shows that the possibility of mine dynamic disaster has a great relationship with micro earthquake energy.The greater the energy is,the larger the rock mass failure scale is,the greater the possibility of dynamic disaster is.【Key words】microseismic;energy;stress;safety作者简介：吴佐汉(1988-)，男，采矿工程硕士研究生，工程师，毕业于北京科技大学采矿工程专业，从事专业:采矿工程。收稿日期：2022 年 7 月前言当地下岩石由于人为因素或自然因素发生破裂、移动时，产生一种微弱的地震波向周围传播，通过在破裂区周围的空间内布置多组检波器并实时采集微震数据，经过数据处理后，采用震动定位原理，可确定破裂发生的位置，并在三维空间上显示出来1。根据此原理，本文采用 IMS 微震监测系统对潘洛铁矿的微震事件进行监测，可实时掌握地下采矿活动引起的掘进巷道地压变化情况，起到了预警作用，并切实提高了企业安全生产的效率2。1 微震事件统计在地压监测中，描述震源能量释放强度特征的主要参数有震动能量、地震矩、震级及应力降等。地震矩是根据剪切震源模型参数所定义的震动强度的一种度量，是对震动事件总体强福 建 冶 金 2 0 2 3 年第 3 期 DOI:10.19574/ki.issn1672-7665.2023.03.01213度的最适当描述，但其计算模型与矿山开采诱发的大量拉张等小震动事件的震源模型不符，同时在其实际处理过程中需要较大的程序量，尤其是实时处理或定位时，用其确定震源强度有一定难度，与其相比，震级能更好描述矿岩体失稳的弹性能释放强度及应力场迁移演化规律3。因此，震级作为震动事件强度的最常用度量，在矿区微震监测中被普遍应用。本文微震事件监测周期为 2020 年 4 月 1 日至 4 月 30 日，期间，系统运行正常，传感器无异常。本周期时间段内微震监测系统监测到的有效岩石破裂事件共 164 次，微震事件震级 M的范围在-3.0-0.4，震级大于 0 的事件数为 0个。最大震级为-0.4（有两次事件，非矿井范围），发震时间为 2020 年 4 月 21 日 12:01:47 和 2020年 4 月 26 日 14:11:17，震源坐标分别为（59656，3355，157）和（59645，3471，106），平面位置上分别位于 23#采空区和 23#采空区北侧，震源能量一般，基本不具有破坏性4。对本期所有事件震级分级统计见表 1。由上述初步统计可以看出，潘洛铁矿微震事件震级主要分布在-2 -1 区间，占 71.34%。表 1 微震事件震级分级统计震级分级震动次数/次所占比例/%M-22716.46-2 M-111771.34M -12012.20为了了解各中段的微震活动性情况，分别统计各中段范围震动频次与累积释放能量，见表 2 和图 1。由表 2 和图 1 表可知，微震事件分布区域主要集中在 100130m 中段，这是由于该中段为矿山生产活动的主要区域，建议该区域做好支护措施，并密切关注该区域的地压活动。表 2 微震事件各中段分别统计中段震动次数/次累积释放能量/J累积释放能量对数0m 以下2407.3802.61030m1501.1872.73070m122754.2293.4470100m212818.3833.45100130m9142657.9634.63200m 以上1199.5262.32 微震事件空间分布根据微震事件能量分级投影图，并结合各中段微震事件统计可知，100130m 及以上之间相对较为集中，其它区域微震事件较为均匀分散。为了具体区分微震事件在 100m 中段和130m 中段的分布情况，图 2 和图 3 给出了两个中段的微震事件俯视图。图 1 微震事件各中段分别统计图图 2 微震事件空间位置 100m 中段俯视图图 3 微震事件空间位置 130m 中段俯视图由图 2 可见，在 100 中段，23#/117#采空区边缘及 8-9线采掘区域为主要微震活动区域，期间未发生大能级微震事件（E 1E4J）；由图 3 可知，在 130m 中段，微震事件主要集中在 23#/117#采空区及西侧区域。应将以上区域作为重点检查区域，做好支护等防护措施。3 微震事件时间分布3.1 日释放累积能量与频次从矿山微震事件时间序列角度分析其日释微震技术在地下矿山的应用研究23#采空区117#采空区23#采空区117#采空区2.61 2.7 3.44 3.45 4.63 2.3 2 1 12 21 91 1 0 0.7 1.4 2.1 2.8 3.5 4.2 4.9 0 18 36 54 72 90 108 126 0m以下 0-30m 30-70m 70-100m 100-130m 200m以上 震动次数 积累释放能量对数 微震事件中段 震动次数 积累释放能量对14放累积能量与频次的变化规律，通过长期的对比研究，总结动力灾害事件发生的前兆规律，对矿山岩体稳定性监测意义重大5。按天为时间步，统计每个时间步内累积释放能量与频次，如图 4 所示，由于能量区间差别较大，能量因素采用对数进行处理。图 4 能量与频次时间序列据图 4 并结合系统运行情况可知，前半月份频次日均较低，日均约 4 次左右，在后半月，整体日均频次增加幅度较明显，在 4 月 25 日日均频次达到峰值（19 次）。整个四月的岩石破裂事件日释放累积能量增加不明显，地压灾害可能性较小。3.2 能量指数与视体积在时间进程中，微震时程分析的主要目的是定量评估将要发生的岩体失稳。频繁发生的大事件通常有以下前兆：一开始应力增大，随后应力减小并且同震变形加速增大。因此，微震粘滞性减小、扩散性增大，在失稳发生前可以看到能量指数急剧减小的现象。一般视体积迅速增加，并且能量指数同时急剧衰减，则具有发生岩体破坏的趋势。对其进行分析，如图5 所示。图 5 视体积与能量指数时间序列从图 5 中可以看出，在 4 月 12 日到 4 月18 日期间，能量指数经历了快速下降又急速上升的过程，与此同时，视体积也经历了急速上升过程，这预示着下一段时间内即将发生较大尺度的岩石破裂事件。查看四月份微震事件统计数据，4 月 21 日和 26 日发生的两次事件为监测期间内震级最大的两次微震事件（M=-0.4）。所以需要密切关注前文所提重点区域的地压活动，及时做好支护措施，避免安全事故的发生。4 结论（1）本文应用微震监测技术，采用 IMS 微震监测系统，根据震动定位原理，可确定岩体可能发生破裂的空间位置。（2）本文通过观测能量指数与视体积变化规律，可预测重点区域发生最大震级的时间，及时反映监测区域的地压活动情况。（3）微震监测技术为采空区重点区域的地压活动提供实时监测，以便及时做好支护措施，避免安全事故发生，切实提高了企业安全生产的效率，对推动我国矿山地压灾害监测和安全管理水平具有重要参考意义。（4）随着数字经济的发展，地下矿山今后必然要走向数字矿山，微震监测技术是传统矿山迈向数字矿山建设的重要一步。参考文献：1LiP,ChenX,ShenS.StereoR-CNNBased3DObjectDetectionforAutonomousDrivingC.ConferenceonComputerVisionandPatternRecognition(CVPR).IEEE,2019.2DaiHengchang,MacbethColin.AutomaticpickingofseismicarrivalsinlocalearthquakedatausinganarticleneuralnetworkJ.GeophysicalJournalInternational,2007,120(3):758-774.3LiS,LiW,CookC,etal.IndependentlyRecurrentNeuralNetwork(IndRNN):BuildingALongerandDeeperRNNC.Proceedingsofthe2018IEEEConferenceonComputerVisionandPatternRecognition,2018.4 牟宗龙,窦林名,巩思园,等.矿井 SOS微震监测网络优化设计及震源定位误差数值分析 J.煤矿开采,2009,03:8-12.5 刘建军.冲击地压震级预测的灰色系统方法 J.辽宁工程技术大学学报（自然科学版）,1998,17(2):222-224.4.74E+073.59E+072.44E+071.29E+071.38E+061.781.300.810.330.1504/01 04/04 04/07 04/10 04/13 04/17 04/20 04/23 04/26 04/30时间（月/天）21日和26日发生最大尺度微震事件（M=-0.4）能量指数 视体积预警期视体积能量指数微震技术在地下矿山的应用研究0 1 2 3 4 5 0 1 2 3 4 5 1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月 13月 14月 15月 16月 17月 18月 19月 20月 21月 22月 23月 24月 25月 26月 27月 28月 29月 30月 日释放积累能量的对数 频次 日释放积累能量的对数 频次 20 16 12 8 4 0