微震自动监测技术在荆门市A石膏矿采空区地面塌陷预警中的应用.pdf

第30卷第3期2023年 5月Vo l.30 No.3Ma y 2023妥全与环境工程Sa f et y a nd Env iro nment a l Enginee ring引用格式：杨宜军，李业，梁巍，等.微震自动监测技术在荆门市A石膏矿采空区地面塌陷预警中的应用J.安全与环境工程,2023,30(3):190-196.Ya ng Y J,Li Y,Lia ng W,et a l.Applic a t io n o f mic ro s eis mic a ut o ma t ic mo nit o ring t ec h no lo gy in ea rly wa rning o f gro und c o lla ps e in A gyps um mining go a f o f Jingmen Cit yQJ.Safety and EnvironmentaI Engineering 12023,30(.3)190-196.微震自动监测技术在荆门市A石膏矿采空区地面塌陷预警中的应用杨宜军，李业，梁巍,石长柏（湖北省地质局水文地质工程地质大队，湖北荆州434031）摘要：湖北省石膏矿产资源丰富，历史开采遗留下大面积采空区，地面塌陷时有发生，严重威胁到人民的生命和 财产安全，因此开展有效的石膏矿采空区地面塌陷监测预警工作对防灾减灾救灾至关重要。传统的石膏矿采空区 地面塌陷监测方法，如大地形变测量法、遥感测量法等，因其时效性有限难以提前预警。以荆门市A石膏矿为研究 对象，引入微震自动监测技术用于该矿采空区地面塌陷预警，通过对微震信号分析,发出地面塌陷的预警信息。结果 表明：2021年2月16 0 22：00-23：00时间段利用微震自动监测技术监测到大量的震动、微震事件，而地面塌陷于次 日10：00才表现出来,即采空区地下塌陷源开始时间比地面塌陷显现早10 h,说明通过对微震事件和微震波形的分析 和判断，可以提前发布采空区地面塌陷的预警信息，为救灾工作赢得充足的时间。微震自动监测技术在湖北省A石 膏矿采空区地面塌陷预警中的成功应用,对我国其他石膏矿采空区地面塌陷的预警具有示范应用效果。关键词：石膏矿;采空区;地面塌陷；微震自动监测技术中图分类号：X43；P642.26 文章编号：1671-1556（2023）03-0190-07 收稿日期；2022-11-14DOI：10.13578/ki.issn.1671-1556.20221519 开放科学（资源服务）标识码（OSID）:Applicatio n o f Micro seismic Auto matic Mo nito ring Tech no lo gy in Early Warning o f Gro und Co llapse in A Gypsum Mining Go af o f J ingmen CityYANG Yijun,LI Ye,LIANG We i,SHI Ch a ngba i(Hyd ro g eo lo g y Eng ineering Geo lo g y Brig ad e o f Hubei Geo lo g ic al Bureau,Jing zh o u 434031,Ch ina)Abst r ac t:Hubei Pro v inc e is ric h in gyps um minera l res o urc es,wit h la rge a rea s o f go a f lef t by h is t o ric a l mining.Gro und c o lla ps e h a s o c c urred f ro m t ime t o t ime,s e rio us ly t h rea t ening peo ples liv es a nd pro pert y.Th eref o re,ef f ect iv e mo nit o ring a nd ea rly wa rning o f gro und c o lla ps e in gyps um mining go a f is c ruc ia l f o r dis a s t er prev e nt io n,mit iga t io n a nd relief.Tra dit io na l mo nit o ring met h o ds f o r gro und s ubs idenc e in gyps um mine,s uc h a s geo det ic def o rmat io n mea s urement,remo t e s ens ing mea s urement?et c.,a re dif f ic ult t o pro v ide a dv a nc e wa rning due t o t h eir 丘mit ed t imelines s.Ta k ing A gyps um mine in Jingmen a s t h e res ea rc h o bjec t,mic ro s eis mic a ut o ma t ic mo nit o ring t ec h no logy is int ro duc e d f o r ea rly wa rning o f gro und c o lla ps e in t h e qua rry a rea.Th ro ugh t h e a na lys is o f t h e mic ro s&s mic s igna l，t h e ea rly wa rning inf o rma t io n f o r gro und c o lla ps e is is s ued A la rge number o f s h a k ing a nd mic ro s eis mic ev ent s were det ec t ed us ing mic ro s eis mic a ut o ma t ic mo nit o ring t ec h no lo gy f ro m 22:00 t o 23:00 o n Februa ry 16,2021,t h e c o lla ps e o f t h e gro und did no t ma nif es t it s elf unt il 10：00 t h e next da y.Th e res ult s s h o w t h a t t h e undergro und c o lla ps e s o urc e in t h e go a f s t a rt s 10 h ea rlier t h a n t h e s urf a c e c o lla ps e indic a t ing t h a t t h ro ugh t h e a na lys is a nd judgment o f mic ro s eis mic ev ent s a nd mic ro s eis mic wa v ef o rms t h e ea rly wa rning inf o rma t io n o f gro und c o lla ps e in t h e go a f c a n be is s ued in a dv a nc e t o win s uf f ic ient t ime f o r dis a s t er relief wo rk.Th e s uc c es s f ul a pplic a t io n o f mi-作者简介：杨宜军(1971)，男，副高级工程师，主要从事水工环地质方面的研究工作。E-ma il：393995475qq.c o m 通讯作者：李 业(1982),男，高级工程师，主要从事水工环地质方面的研究工作。E-ma il：505798269qq.c o m第3期杨宜军等：微震自动监测技术在荆门市A石膏矿采空区地面塌陷预警中的应用191c ro s eis mic a ut o ma t ic mo nit o ring t ec h no lo gy in t h e ea rly wa rning o f gro und c o lla ps e in gyps um mining go a f in Hubei Pro v inc e h a s a demo ns t ra t io n a pplic a t io n ef f ec t o n t h e ea rly wa rning o f gro und c o lla ps e in o t h er gyps um mining go a f in Ch ina.Key wo r ds：gyps um mine；mined-o ut go a f；gro und c o lla ps e；mic ro s eis mic a ut o ma t ic mo nit o ring t ec h no lo gy我国石膏矿资源非常丰富,大多为沉积型矿床,顶板一般为泥质砂岩或泥岩，强度非常低，易发生大 面积采空区地面塌陷事故。此外，石膏矿大多为房柱 法E开挖,早期管理不足，滥挖滥采的现象导致了大 面积、不规则的石膏矿采空区，进而造成大范围的 地面塌陷时。湖北省荆门市掇刀区石膏矿自20世 纪90年代建矿以来，地面塌陷时有发生，造成了极大 的经济损失。截止到2018年12月年底，区内石膏矿 采空区共发生地面塌陷45次,塌陷区面积为41.59 万m2，造成直接经济损失约2亿元，故对荆门市石膏 矿采空区开展地面塌陷预警监测工作是非常必要的。为了对石膏矿采空区地面塌陷进行有效的监测 和预警，诸多学者对其监测方法和技术进行了研究。例如:穆家雷利用InSAR技术对安徽省恒泰石膏 矿因开采引起的地表形变进行了监测，通过将Sen-t ine l-lA数据提取对应时间段地表的时序形变值，来反映地表变形速率；马福义等皈利用高精度全球 导航卫星系统(GNSS)实时监测技术对鹤岗矿区益 新煤矿工业广场地表形变进行了监测，得到了地表 变形方向和沉降量;胡华宗利用无人机遥感系统，通过实测不同阶段无人机遥感数据记录，精准掌握 了矿井地面塌陷及地面震荡规律，明确了地表位移 与侵蚀情况等;郭芳等利用遥测技术获取了动态 的石膏矿采空区监测数据，能实时地掌握采空区顶 板及围岩的变形情况，从而采取相应的措施。上述研究方法虽在监测采空区地表形变方面起 到了一定的作用，但仍然存在一些局限性如：仅 能反映矿区地表整体变形情况，难以实施精细监测 且监测误差较大,无法得知地下采空区形变;预警 时效性较差，无法在地面发生变形前的一定时间内 发出有效预警信息。鉴于此，本文以荆门市A石膏 矿为研究对象，通过引入微震自动监测技术,成功监 测到在地面塌陷前岩层断裂产生的微震波，以及石 膏矿采空区从岩层断裂一采空区垮落一上覆岩层大 面积破坏一地表变形全过程的微震波信号，并通过 对微震波信号的分析，发出地面塌陷的预警信息。此次预警分析，旨在为其他石膏矿采空区地面塌陷 短期精准预警起到引领作用。1研究区概况1.1矿区概况湖北省荆门市A石膏矿位置为东经11215 北纬3059z(图1),属低缓丘陵地貌，区内最高海拔 图1湖北省荆门市A石膏矿区位置示意图Fig.1 Mine location of A g ypsum mining area in Jing men City,Hubei Province192妥全与猱就工程 ht t p:/水t aq c bpt.c 第30卷标的高为+104.5 m,最低海拔标高为+60.3 m,相 对高差为44.2 m,山体坡度为510,地面主要为 林地、农田、道路、居民房屋和小型堰塘。A石膏矿采空区上部覆岩物质组成主要为第四 系冲洪积（Q）松散土类、古近系下统龚家冲组（Eg）极软-较软砂岩岩组、白垩系上统跑马岗组（K2R极 软-软泥质粉砂岩、粉砂质泥岩岩组（图2）。A石膏 矿采空区上部覆盖层厚度为35.8238.5 m,总体呈20 60 100 140 180 220 260 300 340 380 420 460 500 540 580 620 660 700 740 780 820 860 900 940 98010201060 平距/m 图|Eg|古近系下统龚家冲组三*泥质砂岩|K0|白垩系上统跑马岗组泥岩展茅石膏矿层|I_I|膏矿采空区 pxj断层图2湖北省荆门市A石膏矿区地质剖面图Fig.2 Geolog ical profile of A g ypsum mining area in Jing men City,Hubei Province北东薄南西厚，中部局部地段呈中间厚南北薄，受断 层错动和地表起伏的影响，采空区覆岩厚度为95 155 m0区内开采矿层为X膏矿组层和W膏矿组层，采 用房柱法开采，采用斜井开拓，至目标矿层后，沿矿 层走向分中段开拓水平运输巷。区内X膏矿组层厚 为1.9112.98 m,w膏矿组层厚为1.274.32 m，矿层走向为247Z8，赋存标高具有东北高西南 低的特点，造成采空区的分布呈东北高西南低的特 点。l.2地面塌陷区概况2021年2月17日上午10时左右，A石膏矿采 空区发生地面塌陷，地面塌陷区中心地理坐标为东 经 11215z35.70、北纬 305933 15。主变形区内发育一处椭圆形塌陷坑，面积约为 595.4血，长轴约为50 m,走向为40,短轴约为30m,地面塌陷最深达810 m,该塌陷坑导致约667 in?葡萄园地毁坏（图3）。主变形区外围裂缝发育，主控裂缝呈环形贯通，其中塌陷坑东南侧裂缝（LF1.LF2）规模最大、下坐最为明显，裂缝整体宽（a）地面塌陷前（b）地面塌陷后图3荆门市A石膏矿采空区地面塌陷前后对比图Fig.3 Comparison chart before and after g round collapse in A g ypsum mining g oaf of Jing men City第3期杨宜军等：微震自动监测技术在荆门市A石膏矿采空区地面塌陷预警中的应用193为0.20.3 m,下坐0.51.0 m形成陡坎,呈东高 西低，可见深约1.5 m；塌陷坑北西侧裂缝（LF3）宽 为0.10.2 m,下坐为0.10.2 m,呈南高北低，可见深约0.5 m；塌陷坑东侧裂缝（LF4）宽约为3 c m,主要表现为荆革路路面隆起、拉裂。2微震自动监测技术2.1微震监测方法在内力或外力作用下大多数固体材料会发生形 变或者断裂,并以弹性波形式向外界释放应变能，这 种现象称为微震活动，简称“微震o高灵敏检波 器可以自动采集岩体破裂过程的微震信息则，并通 过软件对其进行记录、处理和分析，最后可用于推断 和分析微震事件发生的时间、位置、能量等震源特 征，这种技术称为微震自动监测技术鉴于微震 自动监测技术的高灵敏性、实时、动态等优点，该技 术已被诸多学者用于矿区地面塌陷的监测，并取得 了一定的研究成果M闵。石膏矿采空区地面塌陷孕育过程微震监测系统 示意图，如图4所示。石膏矿采空区地面塌陷孕育 的本质是从塌陷源发展的一系列岩体破裂事件，即：岩体破裂发生后，所产生的振动波通过周围介质向 外传播，紧贴岩壁的单轴与三轴传感器将接收到的 原始微震信号转变为电信号，实时传递到井下数据 交换中心，并通过通讯系统将数据信号发送到地面 监测站中心服务器，由专业人员操作分析处理软件 对微震数据进行多方面、多层次的提取分析，最终推 断出微震事件发生的时间、位置、趋势，得到石膏矿 采空区地面塌陷孕育过程如。通过实时分析石 膏矿采空区的微震事件数量以及相应的震源参数（如能量、视体积等）的时空演化特征，可以对石膏 矿采空区潜在的地面塌陷事件进行动态预警。塌陷源l if e图4微震监测系统示意图Fig.4 Schematic diag ram of microseismic monitoringsystem2.2微震监测系统布设目前国际上主要有3种微震监测系统，分别是 澳大利亚IMS系统、加拿大ESG系统和波兰SOS 系统，其中澳大利亚IMS系统定位精度高，适用于 硬岩、中硬岩及高应力矿山，主要应用于非煤矿山和 露天边坡微震监测闵。结合A石膏矿采空区具体 情况，本矿区采用澳大利亚IMS系统，具体微震监 测点布设位置如图5所示。图5荆门市A石膏矿采空区地面塌陷微震监测点布设 位置示意图Fig.5 Schematic diag ram of micreseismic monitoring points for g round collapse in A g ypsum mining g oaf of Jing men City3微震监测数据分析根据2021年2月16 H A石膏矿地面塌陷事 件,初步创建该石膏矿采空区地面塌陷微震因子“短 期”预警模型。该“短期”预警模型主要利用地下采 空区形变至地表发生形变过程中微震监测系统采集 的典型微震特征数据，判断采空区地面塌陷发生阶 段，用于解决石膏矿采空区临灾预警问题。3.1微震“短期”预警数据分析2021年2月16日利用微震监测系统采集震动 事件共133次（图6）,其中00：0022：00时间段接 收8次震动事件，均为地表人类活动造成,22：00 23：00时间段接收109次震动事件,23：0024：00 时间段接收16次震动事件。可见，2月16日全天 大部分震动事件集中在22：0024：00时间段，合计 125次，占全天震动事件的90.58%；而在2月16日 133次震动事件中，微震事件有58次（图7），集中于 22：0023：00时间段，尤其集中于22：0122：26 时间段。A石膏采空地面塌陷时间约开始于2021年2194妥全与規说乂程 ht t p:/水t aq.c bpt.c 第30卷o e 寸 9 O O O OOZ 寸 900OZ 寸00O时间图6 2021年2月16日震动事件统计图Fig.6 Statistical chart o earthquake events onFebruary 16,2021赵、歸赵eMM逋o o O6 5 4O3O2O85O OOOOOOOOOOOOOOOOOOOOO00000000 O O00000000000000000000000000000000000000000000OZ 寸 98OC4 寸 98OZ 寸 oooooiiiiizze 时间图7 2021年2月16日微震事件统计图Fig.7 Statistical chart of microseismic events on February 16,2021注:传感器接收到震动信号即为一次震动事件;微震事件特指 震动波形有两次起跳的震动事件月17日10时，而微震事件集中发生在2月16日 22：0023：00,说明地下岩土体变形时间早于地面 塌陷约10 h（图8）o2021年2月17日利用微震监测系统虽也采集 到震动事件，但由于2月16日22：40：22时微震设 备因地下岩土体变形受到破坏，导致采集到的数据 误差较大，因此难以对这些数据进行准确的分析。3.2微震数据详细分析3.2.1 微震事件发生频次与采空区地面塌陷的关 系分析根据本次A石膏矿采空区地面塌陷过程中，微o o o o o o O2 0 8 6 4 2 緊总*逋震动事件次数 微震事件次数O11 约面陷形 地塌变12:00 16:00 20:00 0:00 4:00 8:00 12:00 16:002月16日 2月17日时间图8微震事件与地面塌陷时间图Fig.8 Microseismic events and g round collapse time震监测系统采集到的微震信号，找出一般性规律，建 立该石膏矿采空区地面塌陷微震因子短期预警模 型，为荆门地区石膏矿采空区地面塌陷建立成熟的 预警模型打下基础。2021年2月16日22：00 23：00时间段共接收到震动事件信号109次，其中判 定微震事件信号58次，且微震事件次数在2月16 日22：17时达到最大值23次/5 min（图9）o总、報赵eMw暹ososososososo ooiieemcn 寸 寸 sso时间图9 2021年2月16日22：0023：00时间段微震事件次数折线图Fig.9 Line chart of microseismic event times from22:00 to 23:00 on Fubruary 16,20213.2.2 微震波幅与采空区地面塌陷的关系分析 微震波幅代表微震波携带的能量，因此从微震 波幅层面可以反映采空区地面塌陷区域释放的能量 与采空区地面塌陷进程的关联性。本次3个微震探 头（W2、W3、W4）均为2月16日22：01时接收到首第3期杨宜军等：微震自动监测技术在荆门市A石膏矿采空区地面塌陷预警中的应用195次微震事件，其中W3探头区域接收到的微震波幅 最大,地下采空区变形起点更靠近W3探头处，同时 本次采空区地面塌陷启动后，地下采空区变形区域(水平方向)逐渐向W2、W4探头方向延伸,22：15 时之后,W3探头区域释放的能量逐渐减弱，但W2、W4探头区域释放的能量逐渐增强，说明地下采空 区首次变形位于W3探头周边，之后其变形区域向 W2、W4探头方向延伸(图10)o3.2.3 典型微震波形与采空区形变过程的关系分 析在采空区形变过程中大量的微震事件与采空区 垮落事件大量发生，与之相对应代表了地下采空区 变形一地表变形这个过程的相应特征，本次提取了 地下采空区形变过程中典型的微震波形，作为地下 采空区形变阶段划分的依据，以便更精确地判定采 空区地下形变的发生过程。通过分析图10可以看 007-o o e e o o o o o o o o o o o o o6 5 4 3 2 1 fsUI90IX)ffllll題 y 嘔逋z z ez z z十 6 0&Zcq cm时间)W2探头厂 S.UIOIX)唾母 yw題a 81鳶 6 0 鳶 M90&Z _ 一 0 0&Z(自9;)唾集yw腿暹出：(1)2月16日22：01：36时首次发生典型的微 震事件，作为启动该次采空区地面塌陷的事件，最大 微震波幅达到5.32X10T m/s,在此之后微震事件 呈现出较多微震事件及震动事件夹杂，说明采空区 内部围岩能量首次释放后，围岩周边区域同时开始 破裂及发生小型顶板垮落，此过程持续约15 min,微震波形特点为多个微震波形及小型石块垮落波形 相叠加。(2)2月16 H 22：13：19时再次发生微震事件,同样与之前的微震波形表现相似，为微震事件伴随 采空区小规模震动事件，但本次微震最大幅度达到 1.60X10 m/s,紧接着在 22：15：04、22：15：13 时 发生了两次微震波振幅较大的微震事件，微震最大 幅度分别达到2.08 X 10*6.53 X 10T m/s,说明 采空区顶部围岩在持续13 min的变形后，岩体强度 大大降低,造成上覆岩层发生较大的岩层断裂事件,形成连续几次较大振幅的微震波。(3)2月16日22：40：22时微震出现电信号干 扰，说明地下岩层形变已经发生到埋设探头之上区 域，使监测孔发生剪切破坏，造成电缆拉伸形成干扰 信号。可见，典型的微震波形较好地反映了石膏矿采 空区变形由地下逐渐向地表变形的一个过程，可为 后期采空区地面塌陷预警获取典型的特征数据。4结论通过微震自动监测技术在荆门市A石膏矿采 空区地面塌陷监测预警中尝试应用，研究了典型石 膏矿采空区地面塌陷的微震事件、地面塌陷在地震 波上的反映，得到的结论如下：(1)在对微震事件与采空区地面塌陷地表变形 关联性分析中得出，微震事件往往是采空区地面塌700 Ho o o o o o O o o o o o O6 5 4 3 2 1F 9 0&Z L G E,寸Z&Z IZ&Z图10不同微震探头接收的微震事件最大波幅统计图 陷的前置事件，且与微震事件发生频率及释放的能Statistical chart of maximum amplitude o microseismic events量规模有较紧密的联系。本次 A 石膏矿采空区地 received by different microseismic probes 面塌陷事件起始于最大微震波幅达 5.32X104 m/s196安金与琢燼工裡 ht t p：/水t aq.c bpt.c 第30卷的微震事件,可以将波幅达1 X104 m/s的微震事 件作为该地区采空区地面塌陷的预警前兆特征。(2)单次微震事件可能会造成小规模塌陷坑的 形成，大面积的采空区地面塌陷会伴随着一系列微 震事件及震动事件的发生。本次微震事件发生频次 最大值达23次/5 min,可以将震动事件与微震事件 作为该地区采空区大面积地面塌陷的预警前兆特 征。(3)采空区地下岩土体最开始变形时释放的微 震波波速可达IO4 m/s,随后逐渐减小，期间伴随 着岩土体垮落有几次起跳，岩土体垮落越剧烈,起跳 达到的能量级越高。(4)微震波形提供了采空区围岩破裂过程及其 能量传递信息，为认识采空区地面塌陷演化过程及 其建立微震“短期”预警模型奠定了理论基础。(5)通过研判微震事件和微震波形，可以提前 发布石膏矿采空区地面塌陷的预警信息。A石膏矿 采空区地下塌陷源开始时间比地面塌陷时间早10 h,为预警救灾赢得了时间，说明本次预警是成功 的，值得推广应用。参考文献：CH王万红，王远，杜翠凤，等.房柱法开采大面积采空区群的稳定性 分析 m.矿业研究与开发，2020,40(8)：41-44.DOI:10.13827/j.c nk i.k yyk.2020.0&009.2 Sh un P,Xu X,Zh o u Y,et a l.Inv es t iga t io n o f ins t a bilit y a nd bla st ing c a v ing t ec h no lo gy o f c o 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