红透山矿深部开采岩爆潜在区微震活动性研究.pdf

收稿日期 2008211210 基金项目国家自然科学基金资助项目50574022 , 50504005 ;教育部高等学校博士学科点专项科研基金资助项目 20070145121 ;国家重点基础研究发展规划项目2007CB209405 ; 沈阳市大型仪器共享项目 作者简介赵兴东1975 - ,男,辽宁辽中人,东北大学副教授;李元辉1968 - ,男,辽宁大石桥人,东北大学教授 第30卷第9期 2009年9月 东 北 大 学 学 报自 然 科 学 版 Journal of Northeastern UniversityNatural Science Vol130 ,No. 9 Sep.2 0 0 9 红透山矿深部开采岩爆潜在区微震活动性研究 赵兴东,李元辉,刘建坡,田 军 东北大学 资源与土木工程学院,辽宁 沈阳 110004 摘 要应用表面应变法测试了红透山矿深部开采地应力值,据此对红透山矿深部岩体的矿岩冲击性进 行分析;在- 767m水平13采场构建红透山铜矿三维地质模型,布设传感器,建立矿山微震监测系统,对深部 地压活动规律进行连续监测,捕捉由地压活动引起的微震活动信息,并实现微震源定位应用神经网络模式识 别方法将微震监测信息中的干扰信号爆破、 凿岩、 动力电等剔除,有效地显现微震监测定位结果;通过区分 微震能量释放大小来区分不同微震事件的产生原因;对连续监测的微震活动事件进行时间非线性分析,根据 在单位时间内微震事件活动数目来判断岩爆发生的可能,这对于开展矿山动力灾害的预测研究具有重要的 现实意义 关 键 词微震监测;岩爆;深部开采;模式识别;时间非线性 中图分类号 O 319. 56 文献标识码 A 文章编号 10052302620090921330204 Study on Microseismic Activity in Potential Rockburst Zone During Deep Excavation in Hongtoushan Mine ZHAO Xing2dong , L I Yuan2hui , L IU Jian2po,TIAN Jun School of Resources rockburst ; deep excavation ; pattern recognition ; time2 dependent nonlinearity 对于岩爆问题的研究一直是国内外岩石力学 工作者研究的热点和难点据不完全统计,在国际 上[1 - 3],南非和澳大利亚的矿山发生岩爆事故比 较多,两国发生过严重岩爆灾害的矿山占其各国 矿山的30 以上我国发生过岩爆的矿井已达 110多个,比较典型的是老虎台煤矿、 红透山铜 矿、 冬瓜山铜矿岩爆不仅能使围岩发生急剧变形 破坏和岩石抛掷,并伴有剧烈声响、 震动和气浪冲 击,而且严重威胁人身及周边城市的安全,是深部 开采中的一大工程诱发灾害,也是制约我国未来 深部开采技术中的一大瓶颈问题 目前,微震监测已经成为对岩爆进行有效监 测的手段国际上[4 - 9],南非应用地震监测台站 在全国建立了19座不同波段矿山微震监测台站; 加拿大、 波兰和澳大利亚等国家也应用微震监测 系统对其深部开采的岩爆灾害进行有效监测我 国[10 - 14]从20世纪50年代引进波兰生产的矿山 微震监测系统对岩爆进行监测以来,在岩爆灾害 监测方面取得了一定的进展;1985年陶庄煤矿安 装了从波兰引进的SKA - 3型 地 音 系 统 和 SYLOK型微震系统,用于监测矿震凡口铅锌矿 引进加拿大ESG公司的微震监测系统对其岩爆 进行监测[11];冬瓜山铜矿应用南非ISS对冬瓜山 铜矿的岩爆进行监测[12];姜福兴与华丰煤矿合作 对冲击地压及顶板冒落进行监测[13];东北大学与 红透山铜矿合作[14],应用加拿大ESG公司微震 监测系统,建立专门用于监测岩爆动态演化过程 的矿山微震监测系统 尽管很多矿山建立了矿山微震监测系统,但 如何有效地处理庞大冗余的微震数据一直是困扰 各个监测系统的一个难题本文针对在红透山矿 的监测数据,通过应用神经网络模式识别、 能量释 放率以及微震活动时间非线性方法对微震监测数 据处理分析,为微震监测系统的进一步有效应用 提供基础 1 红透山矿深部开采岩爆倾向性 红透山铜矿现开采深度已达1300余米,是 我国目前开采深度最大的有色金属矿山随着开 采深度的不断增大,地压显现由浅部地质构造控 制的静态型地压逐步发展为伴有岩块弹射、 爆裂 甚至大量岩体瞬间崩落等现象为主的冲击型地压 近十几年,红透山深部冲击型地压显现的频度与 强度逐步增加图 1 通过与红透山矿合作,应用 表面应变法对红透山矿的深部地应力进行量测 表1 ,随开采深度增加,其地压、 最大小主应 力均有增大的趋势对矿岩冲击倾向性实测值表 2 与标准值进行比较,得出该矿各种矿岩普遍具 有中等至强烈以上的岩爆倾向性 图1 红透山铜矿1995～2004年度岩爆发生频次图 Fig. 1 Frequency of rockburst in Hongtoushan Copper Mine from 1995 to 2004 2 矿山微震监测系统建立 经过现场勘察,确定在红透山铜矿- 767 m 水平13采场下盘围岩建立微震监测系统,主要因 为该水平9采在施工9 - 1进路时,巷道帮壁发 生了比较严重的弹射和冒落现象,冲击程度比较 强烈和破坏范围比较大;该水平13采场正在进行 采矿活动,对周围矿岩扰动比较大; - 767 m水平 距地表1 200 m左右,其最大小主应力达到 109173113 MPa ,发生中等至强烈以上的岩爆 倾向性可能性较大监测点布设见文献[14] 表1 表面应变法地应力测试 Table 1 Measuring results of ground stress via surface strain 测量地点时间/ s埋深/ m 应力/ MPa 最大σ1最小σ 2 σ1/σ2σ1方向 测试方法 - 647中段95. 895084. 828. 92. 5N26W - 707中段96. 51 000101. 630. 53. 3NW - 767中段96. 81 050109. 731. 33. 5NW 表面应变法 表2 红透山铜矿矿岩冲击倾向性指标实测值 Table 2 Tendentious indices of impact for different rocks 岩 石弹性变形指数R冲击能指数Rk 动态破坏时间t4 ms 能耗率ΔR Jm- 3 角闪斜长片麻岩15. 64. 85053 黑云母斜长片麻岩5. 33. 17031 铜矿石7. 35. 02362 矽线石片麻岩7. 15. 31844 辉绿岩14. 55. 713106 1331第9期 赵兴东等红透山矿深部开采岩爆潜在区微震活动性研究 红透山微震监测系统总体上由远程控制室、 地表监测站、 地下监测室、 传感器三部分组成微 地震信号由传感器采集并进行信号的前置放大, 经由信号电缆传至地下监测室的微震监测仪进行 数据分析处理,将分析结果通过光缆传送到地表 监测站,从而达到微震的实时监测和数据传输的 目的 3 微震监测数据分析 红透山铜矿采矿进度安排为每天三班轮流工 作制,即第一班早8∶00～16∶00 ,第二班 16 ∶00～24∶00 ,第三班 0 ∶00～8∶ 00 其中爆破 工作主要集中在下午15∶00和夜间23∶00时间段 矿山微震监测到的24 h完整的微震监测数据见 文献[14]微震监测系统所监测到的震动集中在 下午15∶00左右,而在其他时间范围内,岩石破坏 的微震活动信息相对比较少 3. 1 微震信号模式识别方法 应用微震监测系统对深部开采的岩爆事件进 行监测过程中,面临如何对采集到的复杂信号进 行识别这样一个十分棘手的问题微震监测系统 能够采集到的信号中,既包括岩体破裂发出的微 震信号,也包含着凿岩机凿岩信号、 各种爆破信 号、 高压电干扰信号等图 2 由于各种信号的干 扰,造成对岩体破裂产生微震信号的识别非常困 难针对各种干扰信号,应用小波分析方法,分析 采集的各种波的频率和振幅,建立模式识别数学 模型图3 ,该模型主要由数据采集、 信号处理、 信号特征提取、 分类及输出数据五部分组成通过 对微震监测系统定位结果应用模式识别的方法, 最终排除了上述几种干扰信号对微震监测信息的 影响,其结果对比见图4所示 图2 各种信号波形图 Fig. 2 Waves of different signals a 爆破信号 ; b 凿岩机信号; c 动力电信号 ; d 微震信号 图3 微震信号模式识别流程图 Fig. 3 Flowchart of pattern recognition of microseismic signals 图4 模式识别结果 Fig. 4 Results of pattern recognition 3. 2 微震事件能量释放率分析 通过数据分析发现,微震事件的能量释放率 主要集中在两个范围内以1E 09为分界线,图 5 初步判定这两个能量释放集中范围明显的差 异代表着两种微震信号一种微震信号是由于爆 破等采矿活动引起的矿岩石震动,此类信号由炸 药能量或机械冲击所引起,能量较大,集中于区域 上部;另一种信号为地应力变化所引起的岩体内 部裂纹生成、 扩张等产生的能量释放,这种信号一 般能量较小,集中于区域下部 图5 微震事件能量释放率区域性分布特征 Fig. 5 Regional distribution of energy release rate of microseismic events 3. 3 微震活动的非线性分析 由于岩爆从孕育到发生主要表现为非线性过 程,所以需要依靠非线性方法来分析微震监测数 2331东北大学学报自然科学版 第30卷 据本文提出的非线性主要是以时间序列为基础 的时间序列非线性图6 ,微震监测数据表现为 时间序列的非线性活动在对这些数据进行处理 时,可以利用局部线性化样条来逼近,自动判别一 段时间内10 s连续发生微震事件的数目如6 个以上的事件 , 作为微震预警系统预警值,进而 实现对矿山岩爆发生危险的预测 图6 微震监测活动时间非线性 Fig. 6 Time2dependent nonlinearity of microseismic monitoring 4 结 论 1 对于冗余的大量微震监测数据,可以应用 神经网络模式识别方法有效剔除干扰信号爆破、 凿岩、 动力电等对微震监测结果的干扰,有效地 显现微震监测定位结果 2 对微震监测数据进行能量释放率分析,能 够有效区分微震能量释放大小,进而分析不同微 震事件的产生原因 3 对连续监测的微震活动事件进行时间非 线性分析,通过设定在单位时间内微震事件活动 数目来判定岩爆发生的可能性,这对于开展矿山 动力灾害的预测研究具有重要的现实意义 4 通过对红透山矿深部开采岩爆倾向性分 析以及微震监测系统的建立,对微震监测数据的 有效分析能够为矿床安全高效开采及其支护方式 的选择提供信息,这对于红透山铜矿深部矿床开 采中的防灾减灾和安全生产工作将起到积极的作 用,同时对类似矿山的微震监测信息的处理有一 定的借鉴意义 参考文献 [ 1 ]Wright C , Kijko A J , Linzer L M ,et al. 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