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      IMS微震監(jiān)測技術(shù)在漂塘鎢礦的應(yīng)用

      2014-03-30 07:16:20李海港龍卿吉
      中國礦業(yè) 2014年12期
      關(guān)鍵詞:檢波器微震中段

      李海港,龍卿吉

      (1.北京科技大學(xué),北京 100083;2.江西省安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)研究中心(江西省工業(yè)安全工程技術(shù)研究中心),江西 南昌 330030;3.北京礦冶研究總院,北京 100160;4.江西省安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局,江西 南昌 330030)

      漂塘鎢礦地處享有“世界鎢都”美譽(yù)的江西省大余縣境內(nèi),經(jīng)過八十多年的開采,目前漂塘礦區(qū)已形成了+676、+616、+556、+496、+448、+388、+328、+268和+208共九個中段,采礦方法主要有淺孔留礦法和階段空場法。隨著開采時間的增加,漂塘礦區(qū)采空區(qū)體積越來越大,礦區(qū)原有的地應(yīng)力隨開采不斷地發(fā)生變化、調(diào)整。礦區(qū)各中段不同程度的出現(xiàn)了裂縫、頂?shù)装逑鲁?、巷道變形、及冒頂片幫等地壓事件,礦區(qū)中東部區(qū)域地壓顯現(xiàn)更為明顯,對礦區(qū)人員生命財(cái)產(chǎn)構(gòu)成較大安全威脅。深埋礦床開采的關(guān)鍵技術(shù)問題之一是高地應(yīng)力環(huán)境誘致的地壓問題,包括采場地壓和井巷地壓問題,難采難支護(hù)、甚至誘發(fā)巖爆和礦震等動力地質(zhì)災(zāi)害已成為深部、高應(yīng)力礦床開采的基本地壓特征。微震監(jiān)測技術(shù)作為一種先進(jìn)的和行之有效的地壓監(jiān)測手段,在國外的高地應(yīng)力礦山得到了廣泛的應(yīng)用[1-4]。本研究在前期微震監(jiān)測技術(shù)試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,針對礦山巖體失穩(wěn)的安全隱患問題,對IMS微震監(jiān)測技術(shù)的實(shí)際效果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證分析。

      1 IMS微震監(jiān)測技術(shù)

      “IMS”是Institute of Mine Seismology(南非礦震研究院)的簡稱,該公司自主研發(fā)的IMS高精度微震監(jiān)測系統(tǒng),是一個技術(shù)先進(jìn)的數(shù)字化、智能化、高分辨率地震監(jiān)測系統(tǒng)。具有在線地震信息處理,分析和可視化功能。該系統(tǒng)易于使用,可在Microsoft Windows或Linux操作系統(tǒng)下運(yùn)行。該系統(tǒng)基于模塊化設(shè)計(jì),易于擴(kuò)展和系統(tǒng)升級,并提供全天候24小時技術(shù)支持,在礦山微震監(jiān)控領(lǐng)域處于全球領(lǐng)先地位。

      2 IMS微震監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

      2.1 微震檢波器

      微震檢波器是IMS微震監(jiān)測系統(tǒng)中的核心設(shè)備之一,微震檢波器通過將巖石運(yùn)動(巖石速度或加速度)轉(zhuǎn)換成一個可衡量的電信號來衡量微震活動中釋放的能量及相關(guān)參數(shù)。根據(jù)檢測原理不同,檢波器分為速度檢波器、加速度檢波器和力平衡檢波器。IMS微震網(wǎng)絡(luò)可以是速度、加速度和力平衡檢波器的任意組合,同時每種檢波器有單向(通道)的和三向之分,單向檢波器主要檢測來自Z軸方向的巖石運(yùn)動和變化。而三向檢波器則可以監(jiān)測X、Y和Z軸三個方向的巖石運(yùn)動和變化,所以三向檢波器能對微震事件的源進(jìn)行最精確的檢測,從而使得微震事件源的定位更精確。漂塘礦區(qū)IMS微震監(jiān)測系統(tǒng)的檢波器是速度型檢波器,包含單向和三向檢波器的陣列組合。

      2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

      根據(jù)微震監(jiān)測經(jīng)驗(yàn),檢波器間距150~200m左右技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較合理,漂塘礦區(qū)中段間距一般為60m左右,根據(jù)系統(tǒng)微震檢波器本中段可以兼顧相鄰中段數(shù)據(jù)的監(jiān)測特點(diǎn),設(shè)計(jì)在礦區(qū)+496、+388和+268中段分別安裝5臺單通道檢波器和1臺三通道三向檢波器,整體監(jiān)測漂塘礦區(qū)多個中段的地壓微震事件,檢測器的三維立體分布如圖1所示,根據(jù)圖示設(shè)置檢波器陣列,可以計(jì)算得出系統(tǒng)對事件監(jiān)測的靈敏度(能監(jiān)測到最小震級的事件),如圖2所示。由圖2可知,事件最大矩震級為-0.85,最小為-2.25,最大與最小事件的強(qiáng)度相差超過50倍,事件矩震級最小為-2.25表明微震監(jiān)測系統(tǒng)具有良好的靈敏度。

      圖1 微震檢波器在漂塘礦區(qū)三維立體分布

      圖2 中段區(qū)域微震事件靈敏度(俯視圖)

      3 IMS微震監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行

      3.1 系統(tǒng)的運(yùn)行

      IMS地壓微震監(jiān)測系統(tǒng)自運(yùn)行以來,系統(tǒng)監(jiān)測到了發(fā)生在井下各中段的十幾萬個事件,平均每個月監(jiān)測到的事件數(shù)量有10000個,其中80%是干擾和噪聲,5%左右的是爆破事件,而剩余15%則是監(jiān)測到井下的微震事件,整個井下微震事件主要聚集井下各中段開采區(qū)域附近,主要分布在328、388和268中段的西部開采區(qū)域,監(jiān)測到最大震級為1.6的微震事件發(fā)生靠近328中段,微震事件分布如圖3所示。

      3.2 系統(tǒng)監(jiān)測的波形

      IMS地壓微震監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到井下多種波形,但主要有以下幾種:噪音波形、測試觸發(fā)波形、三通道檢波器X和Y通道出現(xiàn)問題的波形、三通道檢波器Z通道被干擾的波形、正常的微震事件的波形、兩個同時到達(dá)的微震事件波形和爆炸事件波形等。

      3.3 微震事件波形的處理

      監(jiān)測事件應(yīng)力波的檢波器的數(shù)量取決于事件震級和釋放能量的大小,同時也取決于檢波器的三維立體分布,一般來說,檢波器位置距離微震源越近,就越容易檢測到應(yīng)力波,檢波器網(wǎng)絡(luò)陣列越密,事件監(jiān)測效果就越好[5-8]。

      除了常規(guī)的微震事件,礦區(qū)還有爆破、噪聲和干擾事件,針對這些事件,IMS微震軟件會進(jìn)行預(yù)處理、模型匹配,將一些無用的事件過濾,重點(diǎn)對微震事件進(jìn)行分析處理,根據(jù)檢波器檢測到應(yīng)力波到達(dá)的時間順序,微震軟件會將每個檢波器檢測到的應(yīng)力波形(包括P波和S波)通過原來采樣的時序呈現(xiàn)出來,如圖4所示。

      圖3 微震事件分布 (左圖:震級>0級,右圖:震級>-4.0)

      圖4 微震事件波形及微震處理軟件

      3.4 事件的定位

      事件的定位主要依賴于P波和S波到達(dá)檢波器時刻的確定,針對特征明顯的應(yīng)力波,軟件可以自動檢測P波和S波到達(dá)的時刻(圖5),對于較為復(fù)雜、特征不明顯需要有經(jīng)驗(yàn)的工程師確認(rèn)到達(dá)時刻;同時越多檢波器檢測到事件的應(yīng)力波,就能獲得越精確的定位。

      根據(jù)P波和S波的傳播速度差和到達(dá)檢波器的時間差,可以計(jì)算得出微震事件源距離檢波器的距離,多個(至少三個以上)檢波器在三維立體空間可以計(jì)算出微震事件源的大概位置,檢波器越多,事件定位越精確,如圖6所示。

      圖5 微震事件P波和S波到達(dá)時刻的確定

      圖6 多個檢波器定位事件三維位置

      4 結(jié)論

      IMS微震監(jiān)測系統(tǒng)自在漂塘鎢礦運(yùn)行以來,每天24小時對礦山巖體進(jìn)行微震監(jiān)控,成功對危險區(qū)域進(jìn)行預(yù)警,為礦區(qū)安全生產(chǎn)和開采方案的制定提供了依據(jù)。

      1) 對巖體不穩(wěn)定性實(shí)現(xiàn)了三維定位。通過對各中段進(jìn)行24小時在線實(shí)時監(jiān)測,系統(tǒng)對巖體不穩(wěn)定位置實(shí)現(xiàn)了三維立體定位。

      2)對于礦區(qū)重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域的巖體活動,微震事件定位精度在5~10m。事件定位的精確度越高,將越有利于正確分析和評估礦區(qū)的地壓變化規(guī)律,對于礦山安全生產(chǎn)具有很現(xiàn)實(shí)、具體的指導(dǎo)作用。

      3) 對可能的地壓災(zāi)害提前發(fā)出預(yù)報預(yù)警。系統(tǒng)經(jīng)過微震數(shù)據(jù)分析,可做出巖體穩(wěn)定性的綜合性評估,對可能發(fā)生的安全威脅進(jìn)行預(yù)警預(yù)報。

      4) 實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制和實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸,便于異地隨時查看系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和生產(chǎn)區(qū)域巖體活動狀況,掌握最新的巖體活動情況。

      [1] 李庶林,尹賢剛,鄭文達(dá), 等. 凡口鉛鋅礦多通道微震監(jiān)測系統(tǒng)及其應(yīng)用研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2005, 24(12):2048-2053.

      [2] Potvin Y, Hudyma M R. Seismic monitoring in highly mechanized hard rock mines in Canada and Australia[C]. Rock Burst and Seismicity in Mines, Johannesburg:SAIMM,2001: 267-280.

      [3] Morrison D M, Macdonald P. Rockbursts at Inco mines[C]. Fairhurst ed.Rock Burst and Seismicity in Mines, Rotterdam:A.A.Balkema, 1990: 263-267.

      [4] Green R W E. Instrumentation networks for observation of mine-induced seismicity[C]. Rockburst and Seismicity in Mines, Rotterdam:A.A.Balkema,1990: 165-169.

      [5] 楊淑華,張興民,姜福興,等. 微地震定位監(jiān)測的深孔檢波器及其安裝技術(shù)[J].北京科技大學(xué)學(xué)報,2006, 28(1):68-70,100.

      [6] 尹賢剛,李庶林,黃沛生, 等. 微震監(jiān)測系統(tǒng)在礦山安全管理中的應(yīng)用研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2006, 26(1):65-68.

      [7] 林峰,李庶林,薛云亮, 等. 基于不同初值的微震源定位方法研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2010, 29(5):996-1002.

      [8] 胡靜云,林峰,彭府華, 等. 香爐山鎢礦殘采區(qū)地壓災(zāi)害微震監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用研究[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報,2010, 21(4):41-44.

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