大规模深井开采微震监测系统站网布置优化.pdf

第25卷 第10期 岩石力学与工程学报 Vol.25 No.10 2006 年 10 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Oct.，2006 收稿日期收稿日期2005–05–18；修回日期修回日期2006–02–23 基金项目基金项目国家“十五”科技攻关项目2004BA615A–04；国家自然科学基金重大项目50490274 作者简介作者简介唐礼忠1963–，男，1984 年毕业于重庆大学矿山工程物理专业，现任教授，主要从事岩土工程结构稳定及工程地质灾害防治等方面的教 学与研究工作。E-maillztang 大规模深井开采微震监测系统站网布置优化大规模深井开采微震监测系统站网布置优化 唐礼忠 1，杨承祥2，潘长良1 1. 中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083；2. 铜陵有色金属集团公司 冬瓜山铜矿，安徽 铜陵 244031 摘要摘要冬瓜山铜矿是我国目前开采深度最大、具有岩爆危害的大型硬岩金属矿山。采用微震监测系统实现该矿岩 爆的实时监测和预报，为此，进行微震监测系统站网布置优化研究。分析该矿采用多盘区多采场同时开采条件下 的岩爆分布特点，确定微震监测系统的监测范围；针对监测范围、井下巷道工程和微震监测系统技术性能，设计 多个微震监测系统传感器站网空间布置方案，对各方案计算事件震源定位误差和系统灵敏度；在综合分析计算结 果、工程条件和经济性的基础上，确定满足该矿首采区微震监测要求的最佳监测系统配置方案；系统建立之后进 行事件震源定位精度和灵敏度测定的爆破试验，证明该监测系统站网布置满足矿山监测要求，保证监测数据的可 靠性和有效性。 关键词关键词采矿工程；深井开采；岩爆；微震监测网；震源定位；灵敏度；优化 中图分类号中图分类号TD 231.18 文献标识码文献标识码A 文章编号文章编号1000–6915200610–2036–07 OPTIMIZATION OF MICROSEISMIC MONITORING NETWORK FOR LARGE-SCALE DEEP WELL MINING TANG Lizhong1，YANG Chengxiang2，PAN Changliang1 1. School of Resources and Safety Engineering，Central South University，Changsha，Hunan 410083，China； 2. Dongguashan Mine of Tongling Non-ferrous Metal Group Company，Tongling，Anhui 244031，China AbstractDongguashan Copper Mine is the deepest metal mine which has strong rockburst hazard in China. A microseismic monitoring system is established to monitor and predict rockbursts in real time in the mine. Therefore，the optimization of distribution of microseismic network is carried out. The characteristics of rockburst distribution caused by simultaneous excavation of multi-panel and multi-stope are analyzed to determine the monitoring area. Many schemes of distributions of microseismic networks are designed in terms of the monitoring area，the underground drifts and technical characteristics of the seismic monitoring system in the mine. The errors of source location and system sensitivities associated with these schemes are calculated. The optimum distribution of the microseismic network is gotten by synthetic analysis of the calculation results，engineering conditions and economical efficiency. After the system is established，some in-situ tests are made to measure the errors and sensitivities，and the results confirm that the optimum distribution meets the requirement of seismic monitoring in the mine，and the monitoring data are reliable and valid. Key wordsmining engineering；deep well mining；rockburst；microseismic monitoring network；seismic source location；sensitivity；optimization 第 25 卷 第 10 期 唐礼忠等. 大规模深井开采微震监测系统站网布置优化 2037 1 引引 言言 微震监测在国外特别是南非、加拿大等国的深 井矿山，已作为矿山安全的重要措施[1]，而在我国 仅有极少几个矿山曾进行微震监测，如门头沟煤矿 1980 年曾采用波兰 SYLOK 微震监测系统[2]，兴隆 庄煤矿 1990 年曾采用澳大利亚产地震监测系统[3]， 凡口铅锌矿 2004 年引进加拿大 ESG 微震监测系 统[4]等。随着我国深井开采矿山的日益增多，微震 监测系统必将在我国矿山安全生产中得到越来越多 的应用，急需开展相关研究。地震传感器站网的空 间布置是影响微震监测数据可靠性和有效性的关键 因素[5]，国外有从事震源定位精度和系统灵敏度并 对其进行优化的研究[5 ，6]，但文献较少；国内虽有 文献涉及但无研究内容和方法介绍[4]。实际上，必 须综合多种因素才能得到最优的传感器站网布置， 因此，针对矿山实际进行该项研究，可以丰富和发 展矿山微震监测系统站网优化方法，更有效地指导 矿山微震监测系统的建设。 冬瓜山铜矿是我国目前开采深度最大的硬岩金 属矿山。研究发现其矿岩具有岩爆倾向性，随着开 采规模的扩大，其岩爆强度和频率也会增大[7 ，8]， 故需确定建立微震监测系统以实现对岩爆的连续监 测和实时预报[ 9 ，10]。本研究对冬瓜山矿岩特性和采 矿工程中岩爆前期研究成果、实际工程条件、监测 系统技术性能以及震源定位精度和系统灵敏度等进 行了综合分析，实现了冬瓜山微震监测系统传感器 站网空间布置的优化。实践证明，建立的微震监测 系统达到了预期的目标。 2 监测区域的确定监测区域的确定 矿区主矿体位于背斜的轴部，高程为－680～ －1 000 m，大部分位于－730 m 以下，矿体走向35 ， 长 1 820 m，水平投影宽度 204～882 m，厚度为 30～ 50 m，矿体呈下凹形，但中部厚大，沿两翼及走向 向外逐渐变薄并尖灭。该矿体呈似层状，产状与围 岩基本一致，与背斜形态吻合，其倾向随围岩产状 分别向北西和南东倾斜，倾角一般约为 20 。 采用阶段空场嗣后充填法开采，矿体划分为盘 区，盘区走向垂直矿体，其宽度为 100 m、长度为 整个矿体倾向长度为 300～600 m。例如，如图 1 所 示按 52～54， 54～56 勘探线划分盘区， 复数勘探线 下预留盘区隔离矿柱；盘区划分为采场，采场长度 80 m、平行矿体走向，宽度 18 m，高度为矿体厚度； 采用矿房矿柱两步骤回采、矿区开采结束后回采盘 区隔离矿柱的回采顺序。 图 1 首采区段盘区和采场布置平面图－670，－730 和－790 m 中段投影图 Fig.1 Layout of panels and stopes of the first mining area projection of －670，－730 and －790 m level 通往－790 m －730 m 沿脉 58 勘探线 56 勘探线 55 勘探线 54 勘探线 53 勘探线 52 勘探线 通－790 m 通－730 m 纵 9 纵 7纵 5纵 3 纵 1 57 勘探线 －790 m 回风道 2038 岩石力学与工程学报 2006 年 矿山设计生产规模 4.0107 t/a，采用多盘区、 多采场同时开采，开采规模大、作业点多、巷道及 采空区分布复杂。矿床开挖后采空区周围具有发生 岩爆的可能性，而且有岩爆可能的位置分布很广， 很难预测岩爆发生的确切位置[7 ，8]，因此，微震监 测区域应该含盖采区内主要的作业区矿柱和围岩。 根据矿山生产要求和经费预算，确定微震监测系统 建立以全面规划、分期建设，满足不同时期的生产 安全要求，最终建成满足全矿区监测的需要为基本 原测[11]。在微震监测系统建设初期，以首采区段为 监测对象建立监测系统，随以后开采的进行再进行 扩展。因此，初期监测区域必须包括整个首采区及 其开采影响区域。首采区位于 52～58 勘探线、 －850 m 标高以上矿段。图 2，3 所示分别为 53，58 勘探线剖面。 图 2 53 勘探线剖面 Fig.2 Exploration section 53 图 3 58 勘探线剖面 Fig.3 Exploration section 58 3 传感器位置布置方案拟定传感器位置布置方案拟定 首采区段矿体上部巷道是各穿脉巷道和沿脉巷 道，见图 1～3。52 勘探线以西和 58 勘探线以东穿 脉巷道尚未形成，因此可供利用的上部巷道中有 51， 53，55，57 勘探线穿脉及上部沿脉巷道，依据矿体 赋存深度不同，这些巷道位于不同的深度水平，其 下部对应于采场顶板，距矿体的距离大多在 20 m 左右。由于矿体是缓倾斜矿体， 监测区内的矿体埋深 变化不大，考虑到矿体上部巷道离矿体很近，为使 测点形成较好的空间分布，在这些巷道内向上布置 钻孔用于安装地震传感器，一维传感器安装深度有 的达 40 m，三维传感器的安装深度为 10 m。首采 区矿体下部有－790，－850 和－875 m 水平上的巷道， 但－790，－850 m 距矿体的距离太小，局部地方已穿 过部分矿体，不宜布置钻孔，而－875 m 水平的巷道 距矿体较远，因此，在该水平巷道内向下或向上钻 孔用于安装地震传感器，从降低噪声干扰和施工要 求考虑，其深度达 10 m。 引进南非ISSI公司的ISS微震监测系统以建立 冬瓜山深井开采微震监测系统。 该系统由 QSquake seismometer接收从与其相连的地震传感器传输来 的地震模拟信号并将其转换成数字信号，然后将数 字信号传输给监测记录控制中心[12 ，13]。每个 QS 具 有 6 个通道，距与其相连的传感器间的距离应小于 300 m。结合该矿的地下工程条件，拟定采用 16 个 地震传感器其中 4 个三向、 12 个单向和 20 个地震 传感器其中 5 个三向、15 个单向两种系统硬件配 置方案，并对此在不同空间坐标上设计了 15 种地震 传感器空间布置方案，供计算分析。 4 事件定位精度和系统灵敏度分析事件定位精度和系统灵敏度分析 4.1 理论简介理论简介 设地震事件震源未知数 T 0000 }{zyxt，，，x 1 式中 0 t为地震事件发生的时间； 0 x， 0 y， 0 z为地 震事件发生的三维坐标。 A. Kijko 和 M. Sciocatti[6 ，14]认为传感器测站位 置的优化取决于 x 的协方差矩阵 x C 1T − AACxk 2 式中k为常数，A值表示为 ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ∂∂∂∂∂∂ ∂∂∂∂∂∂ 000 010101 1 1 zyx zyx nnn TTT TTT AMMMM 3 式中 i T i 1，L，n为计算得到的地震到时，n 为传感器测站数。 该协方差可用置信椭球体进行图形解释，协方 矿体 矿体 纵 10 －670 m －730 m －790 m －850 m －875 m 纵 8 纵 6纵 4 纵 2 矿体 矿体 纵 10 纵 8 纵 6 纵 4 纵 2 －670 m －730 m －790 m －850 m －875 m 第 25 卷 第 10 期 唐礼忠等. 大规模深井开采微震监测系统站网布置优化 2039 差矩阵的特征值构成椭圆主轴的长度。求解测站优 化即求解使该椭球体体积最小的测站布置。由于该 椭球体体积与协方差矩阵特征值的乘积成比例，因 此，对监测网所记录到的所有地震事件，优化的测 站位置应使下式最小化 ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ∑ e n i itiziyixih pobj 1 min 0000 hhhhhλλλλ 4 式中 e n为地震事件数，位于将被监测的地震活跃 的区域； ih p h为震源为 T }{ iiii zyx，，h的事件的 相对重要性，可以是一个事件出现在该位置邻域的 概率函数； 0i h x λ为 x C的特征值。 在实际矿山设计微震监测站网时， 可根据矿山 实际情况设计多个测站布置方案，利用上述方 法绘制每种测站布置方案对应的地震事件参数 T 0000 }{zyxt，，，x的标准误差图，从中确定最 优测站布置方案。S. J. Gibowicz和A. Kijko[15]表 示震中位置的标准差为 412 333322 ]][[ xxx CCC− xy σ 5 式中 ij x C为矩阵 x C的i，j元素。 由式5绘制的期望标准差图形是事件震级的 函数，即该图形表示了震级为 L M、震源坐标为 i h 的地震事件的震源定位标准误差。 在给定的开采区域，可以将事件震级 L M与其 可测距离r相联系，采用该距离范围内的所有测站 来计算震中和震源深度的期望误差[16]。经验表明， 要获得震级为 L M的地震事件的可靠震源定位测量 值至少需要5个测站记录到该地震事件，如果只有 不足5个测站记录到该事件，则认为监测系统没有 记录到该事件。因此，可计算从点 i h到第5个最近 测站之间的距离，然后将该距离转换成地震震级。 但是，由于5个测站记录一个事件并不能确保 具有良好的定位误差，因为5个测站的监测网可能 具有非常差的几何分布，如呈扁平的分布形式等。 因此，理想的微震监测系统测站网布置必须具有良 好的灵敏度和定位误差。 4.2 计算结果计算结果 本文对拟定的15个方案进行了震源定位精度 和系统灵敏度计算。计算中，根据该矿矿岩声学特 性试验结果，取P波波速为5 500 m/s，误差为150 m/s，P波到时误差为1.5 ms；绘制定位精度图时， 取震级 L M 1；绘制灵敏度图时，取最小有效测点 数为5位， 地震传感器能分辨的最小峰值质点速度 为0.02 mm/s。 以第2个传感器空间站网布置方案为例说明计 算结果及分析。该方案中，在矿体上部，在53和 57勘探线穿脉巷道的顶板岩层中各布置了4个测 站，共8个传感器，其中，三维传感器安装孔深度 10 m，一维传感器安装孔深度40 m；在矿体下部， 分别在52，54，65和58勘探线穿脉巷道两端的岩 层中各布置1个测站，共8个传感器，孔深均为 10 m，所有安装孔均为上向孔。传感器空间位置如 图4，5所示，图中三棱体表示传感器空间位置。 图 4 首采区地震传感器位置水平投影图 Fig.4 Horizontal projection of sensors at the first mining area 绘制不同深度的平面上地震事件震中坐标的 期望标准误差图，如图6所示。绘制可测震级的 等值线图表示监测系统的灵敏度空间分布，如图7 所示。 图6，7分别为该方案的震源定位误差和系统2 灵敏度分布图，图中分别示出5个不同深度水平上 的定位误差和灵敏度分布。采用不同颜色表示定位 误差和灵敏度，右下角的图片分别是定位误差和灵 敏度的颜色标尺，定位误差颜色标尺和灵敏度颜色 标尺上的数字单位分别为m和里氏震级； 图中的曲 线背景图是各平面上的巷道在－875 m水平上的投 影，仅作为水平位置坐标的参考。由图6可知，随 深度增加，震源定位误差小于或等于8～12 m的区 域增大，其空间形态与从首采区矿体形态和赋存状 态是一致的，说明矿体及其围岩基本上都处于震源 定位精度高的区域，满足定位精度要求；另外，也 可看出，在首采区外围不远，震源定位精度衰减很 快。因此，从震源定位精度来看，该传感器空间布 置方案既很好地满足了定位精度的要求，也使微震 监测系统经济合算。由图7可知，在矿体及其围岩 传感器 2040 岩石力学与工程学报 2006 年 图 5 首采区地震传感器位置三维透视图 Fig.5 Three-dimensional perspective diagram of sensors at the first mining area 图 6 震源定位误差颜色标尺上数字的单位为 m Fig.6 Errors of locations of seismic sourcesunit of numbers on color scale is in meter 图 7 系统灵敏度颜色标尺上数字的单位为里氏震级 Fig.7 Sensitivity of monitoring system unit of numbers on color scale is Richter magnitude 方案 2 -720 52线58线 方案 2 -770 52线58线 方案 2 -850m 52线58线 方案2 -870 52线58线 方案2 -670 52线58线 方案 2 －670 m 方案 2 －720 m 方案 2 －770 m 方案 2 －850 m 方案 2 －870 m 52 勘探线 58 勘探线 52 勘探线 58 勘探线52 勘探线 58 勘探线 52 勘探线 58 勘探线52 勘探线 58 勘探线 8.000 000 12.444 445 16.888 890 21.333 334 25.777 779 30.222 223 34.666 668 39.111 115 43.555 557 48.000 000 方案2 -670m 52线58线 方案 2 -720m 52线58线 方案2 -770m 52线58线 方案2 -820m 52线58线 方案 -870m 52线 58线 方案 2 －670 m 方案 2 －720 m 方案 2 －770 m 52 勘探线 58 勘探线 52 勘探线 58 勘探线 52 勘探线 58 勘探线 方案 2 －850 m 方案 2 －870 m 52 勘探线 58 勘探线52 勘探线 58 勘探线 －1.900 00 －1.800 00 －1.700 00 －1.600 00 －1.500 00 －1.400 00 －1.300 00 －1.200 00 －1.100 00 －1.000 00 传感器 第 25 卷 第 10 期 唐礼忠等. 大规模深井开采微震监测系统站网布置优化 2041 中可测的事件最小震级为 L M －1.7，局部位置可 达 L M －1.9。在－820和－870 m水平上，虽然图 形的中间位置区域的灵敏度较低，但由于这些位置 不在矿体及其围岩范围以内。因此，该传感器空间 布置方案具有足够的系统灵敏度。 对所有计算方案的计算结果按上述方法进行的 分析表明1 具有20个传感器硬件配置方案相对 具有16个传感器硬件配置方案，其震源定位精度和 系统灵敏度虽有不同，但都满足矿山微震监测对震 源定位精度和系统灵敏度的要求，而且前者相对后 者的震源定位精度和系统灵敏度没有明显提高。因 此，采用16个传感器硬件配置方案更合理。2 所 有计算方案的震源定位精度和系统灵敏度相差并不 很大。其主要原因是在拟定传感器空间布置方案时， 必须考虑矿山实际工程情况和实现的可行性，从而 限制了传感器布置的空间范围，这使各计算方案中 的传感器空间形态相差并不是非常大。由于传感器 空间布置方案2中传感器位置更好地利用了矿山有 工程，新增工程量相对较少，而且具有较好的施工 条件，因此，最终采用该方案作为该矿首采区微震 监测系统站网布置方案。 5 检测及应用检测及应用 冬瓜山铜矿深井开采微震监测系统已于2005 年9月初在该矿正式投产之前建成运行，实现了对 该矿首采区矿床开采中地震活动的连续监测。目前 每天检测到冬瓜山矿区地下各种地震事件200多 个，首采区矿体和围岩内的各种地震事件几十个， 最小地震事件的里氏震级为－2.0级。系统建成之 后，在首采区内3个不同位置进行了药量为1.5 kg 的小炮孔爆破，以检测震源定位精度，对炮孔位置 测量值与微震监测系统计算值相比较，测定的3个 炮孔定位误差分别约为5，9和15 m。如图8所示 为2005年10月1日在首采区内检测到的地震事件， 图中球体表示地震事件，其中心坐标为震源位置， 大小与地震事件震级成比例，颜色表示不同时间段， 线段表示采矿坑道，该图清晰表示出震源位置、事 件大小，说明这天首采区地震活动主要发生于矿体 内部及矿体上部围岩，这与当天的开采活动是相符 的。上述研究表明，冬瓜山首采区地震传感器空间 站网布置是合理的，满足矿山微震监测的需要。 6 讨讨 论论 冬瓜山铜矿是新建矿山，其微震监测系统设计 与采矿方法设计同步进行的。微震监测系统的首期 建设期间，矿区只形成部分巷道，同时由于该矿山 投产要求压力大，不大可能为了微震监测系统的建 设增设较多工程，因此，要求系统监测网站布置必 须尽可能利用已有工程条件。由于该矿体为缓倾斜 的扁平矿体，其上部巷道距矿体很近，如将全部地 震传感器直接布置在巷道围岩中，则传感器站网的 空间形态亦呈扁平形状，这对事件定位是不利的， 因此，设计将矿体上部的地震传感器布置于从巷道 内向上40 m深的钻孔孔底。 为此， 选用主频为30 Hz 的低频传感器以保证传感器能有效地监测到矿区内 的地震事件。另外，如前所述，与一个QS连接的 传感器必须在距该QS一定范围以内，所采用的微 震监测系统技术性能也使布置范围和方式受到限 制。可见，矿山可供微震监测系统安装的工程条件、 矿体赋存形态和微震监测系统技术指标是微震监测 系统站网布置方案拟定首先要考虑的因素。 微震监测系统可靠性和有效性的衡量标准是事 件定位精度和系统灵敏度以及满足震源定位精度和 系统灵敏度要求的监测范围与监测对象是否一致， 图 8 首采区地震事件位置三维透视图 Fig.8 Three-dimensional perspective diagram of the location for seismic events at the first mining area 2042 岩石力学与工程学报 2006 年 因此，必须对每个方案进行该项计算和分析。计算 中的关键参数是地震波波速。本项研究中没有进行 矿区地震波波速的现场测量，计算用的地震波波速 是根据矿区典型矿岩室内声学特性测试结果和岩层 赋存情况进行的平均处理，并考虑一定的误差范 围。但由于岩层为似层状，分布形态较简单，同时 各岩层总体上比较均匀完整，就实际检测结果看， 震源定位精度虽存在一定误差，但在许可的范围之 内。为了使监测数据精度更好以及反映今后随着采 空区增加及岩层活动而引起的地震波传播速度场的 改变，应该及时利用已建立的微震监测系统进行矿 区波速场测量。 7 结结 语语 微震监测系统传感器站网布置优化结果充分考 虑了冬瓜山矿区工程地质、现有工程条件、采用的 监测系统技术性能、震源定位精度和系统灵敏度以 及该矿微震监测目的、要求和投资大小等多种因素， 满足该矿岩爆监测对微震监测系统的要求，为微震 监测系统监测数据的可靠性和有效性提供了保证。 所建立的微震监测系统是我国矿山目前最先进的数 字化微震监测系统，不仅实现了对该矿开采过程的 岩体动态响应的连续监测，而且也必将成为我国深 井矿山开采岩石力学和矿山安全监控理论与方法研 究提供有益的研究平台。 参考文献参考文献References [1] Ortlepp W D. 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