冬瓜山铜矿微震监测系统及其应用研究.pdf

S e ri e s No ． 3 6 4 0 c t o b e r 2 0 0 6 金 底 砖 ME T AL MI NE 总 第 3 6 4期 2 0 0 6 年第 1 0期 地质 与测量 冬瓜山铜矿微 震监测系统及其 应用研 究术 唐礼忠 潘长良 杨承祥 郭 然 1中南大学； 2冬瓜山铜矿； 3中国有色工程设计研究总院 摘要冬瓜山铜矿是千米深井开采有岩爆倾向的金属矿山， 建立了微震监测系统 以实现岩层活动的连续监 测和岩爆的实时预报。综合实际工程条件和拟定传感器空间网络方案的地震事件定位精度和系统灵敏度计算结 果， 实现了微震监测网络的优化。建立的数字化多通道微震监测系统具有先进和丰富的地震学定量分析和可视化 解释功能， 可以完成多重聚类和时间序列分析。在冬瓜山铜矿已记录的监测数据的基础上， 开展 了矿山地震信号 识别、 矿山地震活动分析方法和冬瓜山地震活动规律等研究 ， 取得到了初步成果。 关键词深井开采微震监测 系统岩爆矿 山 波形识别 矿山地震活动 Es t a bl i s h me nt a nd Ap pl i c a t i o n o f M i c r o s e i s m i c i t y M o ni t o r i n g S y s t e m i n Don gg u a s ha n Co ppe r M i n e T a n g L i z h o n g P a n C h a n g l i a n g Ya n g Ch e n g x i a n g Gu o R a n 1 ． C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y ； 2 ．D o n g g u o s h a n C o p p e r Mi n e ； 3 ．C h i n a I n s t i t u t e o f D e s ig n R e s e a r c h f o r N o n f e r r o u s E n g i nee r i n g Ab s t r a c t Do n g g u a s h a n C o p p e r Mi n e，a t h o u s a n d me t e rd e e p u n d e r g r o u n d me t a l mi n e w i t h r o c k b u t p r o n e n e s s ， h a s e s t a b l i s h e d t h e mi c r o s e i s mi c i t y mo n i t o rin g s y s t e m f o r t h e r e a l i z a t i o n o f a c o n t i n u o u s mo n i t o ri n g o f r o c k s t r a t a a n d r e a l t i me r o c k b u r s t p r e d i c t i o n ．T h e o p t i mi z a t i o n o f t h e mi c r o s e i s mi c i t y mo n i t o ri n g n e t w o r k i s r e ali z e d b y c o mp r e h e n s i v e l y c o n s i d - e rin g t h e r e al e n g i n e e ri n g c o n d i t i o n s a n d t h e c a l c u l a t i o n r e s u l t s o f t h e s e i s mi c e v e n t p o s i t i o n i n g a c c u r a c y an d s y s t e m s e n s i - t i v i t y o f t h e p r o p o s e d t r an s d u c e r s p a c e n e t w o r k a l t e r n a t i v e s ．Th e e s t a b l i s h e d d i g i t a l i z e d mu l t i c h a n n e l mi c r o s e i s mi c i t y mo 。 n i t o r i n g s y s t e m h a s a d v a n c e d an d p l e n t i f u l s e i s mo l o g i c a l q u an t i t a t i v e a n a l y s i s a n d v i s u ali z a t i o n i n t e r p r e t a t i o n f u n c t i o n s t h a t a r e c a p a b l e o f mu l t i c l u s t e r i n g a n d t i me s e q u e n c e a n a l y s i s ．Ba s e d o n t h e mo n i t o r i n g d a t a r e c o r d e d i n D o n g g u a s h a n C o p p e r Mi n e，r e s e a r c h wa s c a r ri e d o u t o n t h e mi n e s e i s mi c s i g n a l i d e n t i f i c a t i o n，a n a l y s i s me t h o d a n d s e i s mi c i t y l a w，i n w h i c h p r e - l i mi n a a c h i e v e me n t s h a v e b e e n o b t a i n e d ． Ke y wo r d s De e p u n d e r gro u n d mi n i n g，Mi c r o s e i s mi c i t y mo n i t o ri n g s y s t e m，Ro c k b u r s t p r o n e mi n e ，Wa v e f o r m i d e n - t i fi c a t i o n，Mi n i n g s e i s mi c i t y 现代数字矿山地震监测系统可以实现矿山岩层 活动连续监测 ， 是地震活动与矿山开采动态 响应 的 研究和岩爆与地压实时预测的重要工具 。微震 监测在国外特别是南非 、 加拿大等国的深井矿山中 得到了广泛应用， 已作为矿山安全的重要措施 ， 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 1 9 8 0年代曾采用波兰 S Y L O K微震监测系 统 J 、 兴隆庄煤矿 1 9 9 0 年代曾采用澳大利亚的地震 监测系统 J ， 凡 口铅锌矿 2 0 0 4年 引进加拿大 E S G 微震监测系统 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， 急需开展相关研究并及时介 绍研究成果。 冬瓜山铜矿是我国首个千米深井开采的有岩爆 倾向的硬岩金属矿山 ， 为此， 作为国家“ 十五” 科 技攻关课题， 以冬瓜山铜矿为研究基地开展了“ 深 井开采岩爆与地压监测及控制技术研究” 。确定采 用微震监测作为该矿岩爆与地压监测 的主要手 段 ， 引进了南非 I S S I 公 司的 I S S地震监 测系统 建立冬瓜山铜矿微震监测系统 ， 并已于2 0 0 5 年 8 月 2 8日正式运行 ， 实现 了对冬瓜山深井 开采地震活动 的连续 监测 ， 并利用取得 的监测数据对矿 山地震活 动及岩爆与地压活动进行了初步研究。本文介绍冬 瓜山微震监测系统的建立及矿山地震活动的初步研 国家 “ 十五” 科技攻关课题 2 0 0 4 B A 6 1 5 A一 0 4 ； 国家 自然科学基 金重 大项 目 5 04 9 0 2 7 4 。 唐礼忠 1 9 6 3 一 ， 男 ， 中南大 学资 源与 安全 工程 学 院， 教授 ， 4 1 0 0 8 3 湖 南省 长沙市 。 41 维普资讯 总第3 6 4期 金 属 矿 山 2 0 0 6年第 l 0期 究结果。 1 矿床地质及开采条件 矿区主矿体位于背斜的轴部， 标高为 一6 8 0一 一 1 0 0 0 m， 大部分位于 一7 3 0 m以下， 矿体走向 3 5 。 ， 长 1 8 2 0 m， 水平投影宽度2 0 48 8 2 m， 厚度为 3 O 一5 0 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2 0 。 。 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 1 0 0 m、 长度为整 个矿体倾向长度约 3 0 0 m一6 0 0 m， 例如， 如图 1 所 示按5 2线至 5 4 线、 5 4线至5 6 线划等分盘区， 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8 0 m、 平行矿体走向， 宽度 1 8 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同时， 由于其设计产量为 4 0 0 t ／ h ， 生产中采用多盘区多采场同时开采 ， 如图 1 所示 。 继 2 Z 纵 5 纵3 - 纵1 薄 一 ～ 1 n ⋯ 硼 虹 一『 r 1 ．一 ～ 』 ] 。 r ；一 、 j皿Ii LL _LJ 基 I 菩 茵 厂r T 丁 噩 -r『丌 m ]_r n ]] 警 逗 卜 H4书 毒_ 基 Li_ 』 J_ 』 上 Ⅱ 上 【] I 车 广 1 I ] _ 『 _ll曜 翮 耵 ⋯ 苗 i 1 j 上 L 叫 。 m 蕊 L L 10 r ‘ 图 1 首采 区段盘 区和采场布置 平面 一 6 7 0 m中段 、 一7 3 0 m 中段和 一 7 9 0 m中段投影 2 微震监测系统建立 地震传感器站网空间布置是微震监测系统是否 满足该项要求的重要因素 引。冬瓜山铜矿微震监 测系统以分期建设、 随开采规模的扩大而扩展为原 则， 因此， 首期微震监测系统监测范围为冬瓜山首采 区矿体及其开采影响范围的岩体。为此， 以监测范 围、 井下巷道工程和微震监测系统技术性能为考虑 因素， 设计了计算多个微震监测系统传感器站网空 间布置方案， 计算了各方案的事件震源定位误差和 系统灵敏度， 并用不同标高平面上震源定位误差图 如图2 和系统灵敏度分布图 如图3 来表示。在 综合分析计算结果、 工程条件和投资大小的基础上 ， 确定了满足该矿首采区微震监测要求的最佳监测系 统配置方案， 如图4所示 曲线是由 S u r p a e 软件建 ．42 ． 立矿山地质和开采数字模 型， 然后 导人 I S S微震监 测系统软件生成的矿床及采掘工程的三维模型； 红 色点为传感器， S it e 是其编号， 在矿体上部开采影响 范围以外布置8 个地震传感器， 其中2个三向传感 器， 位于上向 1 0 m深的钻孔孔底 ； 6个单向传感器 ， 位于上向4 0 m深孔孔底。在矿体下部开采影响范 围以外布置 8个地震传感器， 2个三向传感器和 6 个单向传感器全部位于上向 1 0 m深的钻孔孔底。 位误差 图3 系统灵敏度 图 4 首采 区地震传感器空 间布置 网 按优化传感器空间布置方案的微震监测系统在 首采区内的计算地震事件震源定位误差小于 1 0 m， 系统灵敏度为里氏震级 一 2 。在冬瓜山微震监测系 统于2 0 0 5 年 8 月 2 8日 安装调试成功之后进行了系 统性能指标检测爆破试验， 用于检测微震监测系统 的震源定位误差。在首采区内不同空间位置进行了 直径3 5 m m、 药量 1 ． 52 的点炮爆破， 试验结果 显示， 这种小药量爆破点的定位误差小于51 0 m， 表明该监测系统具有足够的震源定位精度。 3 监测系统结构和性能 冬瓜山微震监测系统 由地面监测控制 中心 、 井 5 9 4 9 3 8 5 7 4 8 3 7 2 6 1 5 4 8 3 7 2 6 1 5 4 8 3 7 2 6 1 5 4 8 3 7 2 6 1 5 4 8 3 7 2 6 1 5 O 2 6 1 5 O 4 9 3 8 8 1 1 2 2 3 3 3 4 4 ■■曩I ●■■■_ _ - I ● 维普资讯 唐礼忠等 冬瓜山铜矿微震监测系统及其应用研究 2 0 0 6年第 1 0期 下通信控制中心、 地震仪 Q S 和地震传感器等硬件 系统和 R T S 、 J M T S和 J D i 等软件组成。监测系统组 成和结构如图5 所示 一个 Q s 连接4个位于上向钻 孔内的地震传感器； 各传感器地震信号通过 Q s 采 集和数模传换后 ， 由铜双绞线传输到井下通信控制 监控中心计算机 客 户 端 ；计 算 璺 一c 域 网 中心； 然后由井下控制中心由光缆经冬瓜山副井传 输到地表监测控制中心， 在地表监测控制中心进行 处理和分析， 同时由地表监测控制中心监测系统运 行状况， 并发出控制指令控制和管理监测系统的运 行 。 微震监测系统监控软件 f 互 ■ ] 地 震 学 分 析 软 件 ． ， 一 十 算 机 操 作 系 统L ． 墨 兰 几 ． I 数 据 可 视 化 解 释 分析 软 件 地 表 平 线 ⋯⋯ ．、 _ 7 3 誊瑚 蕾s 图 5 微震监测 系统组成 与结构 目 前， 冬瓜山微震监测系统为2 4位数字化微震 而且波形往往相当复杂。冬瓜山矿山微震监测实践 监测系统， 其物理通道为 2 4 ， 而一个物理通道支持 表明， 采用软件 自动波形识别和首波到时拾取方法 三个逻辑通道， 因此共有 7 2个逻辑通道， 根据今后 时常会得出无效的结果。因此， 对冬瓜山微震监测 监测的需要监测系统的通道数可以扩展； 采用的地 系统检测到的振动波形进行了初步研究， 得到了采 震传感器固有频率为 4 ． 5 H z 或 3 0 H z ， 其可用频带 场爆破波形 、 凿岩爆破波形、 井下机械作业振动波形 宽度为 3 H z ～2 0 0 0 H z ； 软件可选采样频率为 5 0～ 特征以及岩体破坏地震波形特征 如图6 。采场爆 2 4 0 0 0 s p s ； 有效监测范围 震源定位误差 2 0 m 破波形的主要特征是多个子波先后重叠， 子波间的 6 0 0 m 5 0 0 m 4 0 0 m； 震源定位误差小于 1 0 m的 时间差与采场实际爆破微差基本一致大约为 2 0 0 监测范 围 针对小直径震源而言 为 6 0 0 m3 0 0 m m s ； 凿岩爆破波形主要特征 是在示波窗 内后先后间 2 2 0 m， 含盖了首采区开采影响矿岩； 系统灵敏度 断性出现多个波形 ， 各波相隔时间约 0 ． 5 s ， 与凿岩 为里氏震级 一 2 ． 1 。 爆破的爆破时间间隔基本一致； 井下机械作业振动 微震监测系统软件都在 L i n u x 操作系统平台运 波形主要特征是整个示波窗内出现振动波形， 幅值 行。其中， 监测运行控制系统软件 R S T控制和管理 相差不大， 无法确定振动到时， 软件自动计算的事件 微震监测系统的运行； 地震学处理软件 J M T S自动 位置明显奇异。通过波特征较有效地将不同波形区 记录、 显示和处理地震波形 、 定量计算地震学参数， 分开来， 分别存贮 ， 删除无效波形， 为矿山地震活动 并提供事件到时手工拾取和地震学分析平台； 地震 分析提供了真实可靠的数据。 活动可视化解释程序 J D i 进行地震数据的三维空间 5 井下开采地震活动监测与分析 可视化 ， 提供多种参数的时间序列曲线 ， 具有任意空 目前仅开展了冬瓜山铜矿地震活动区的时空变 间、 平面和时间以及多种地震参数聚类选取的功能， 化特性及岩层稳定性的初步研究， 对矿山安全生产 可以满足不同空间和时间范围地震活动研究的需 起到了一定的指导作用， 为继续深入打下了较好的 要。 基础。限于编幅， 这里主要仅介绍开展的工作。 4 冬瓜山铜矿微震检测波形识别 微震监测系统可能检测到矿山井下多种振动， 监i贝 0 系统软件具有聚类分析功能， 可设置多重 过滤参数， 将监测数据分类 ， 用于不同的研究目的。 4 3 维普资讯 总第 3 6 4期 金 鬣 砖 2 0 0 6年第 1 0期 2 S i t e 2 0 9 2 4 3 1 ． 2 2 6 2 P 5 w -- OO 0 n o S p i c k 3 2 ． 3E - 0 6 Er r P - 0 Di s t 1 2 2 0 “ f z A c m r o B s s 6 5 6 4 6 5 H H z -l 1． IIIlI ． ’ l f 1『 】 叩 “ 1， 。7 h n f o 3 0 _ 5 0． 0 50 ’1f 一2 3 E一 0 6 s F r e q 60 0 0 Hz P S n l o e 4 S e c E一1 图6 检测波形分类 a 一地震波波形； b 采场爆破波波形； c 凿岩爆破波波形； d 井下机械振动波波形 研究地震活动区的时空变化特性及岩层稳定性的其 基本方法是， 根据井下主要的采掘活动时间进行时 间聚类、 然后根据该时间段内地震活动强度的空间 分布划分地震活动集中区， 之后对不同地震活动集 中进行地震活动规律分析； 或者相反， 针对某个空间 区域如采场的岩体进行地震活动时空特性分析。如 图7一 图8 表示了地震活动集中区的划分方法， 图7 中紫色曲线为井巷； 球体表示地震事件， 其中心为事 件空间坐标位置、 大小与震源参数如事件震级成 比 例、 球的颜色从蓝到红表示事件产生的先后时间； 图 8中的红色封闭曲线为圈定的地震活动集中区。如 图9 1 表示0 5年8月2 8日9月2 7日 期间5 2 2 采场 围岩区域地震事件空间位置 ， 图 9 2 则表示其 震源视体积的累积与时间的关系曲线 蓝色 及地 震 S c h m i d t 数的对数与时间的曲线关系 红色 。 图7 首采区地震事件三维空间位置 研究发现 ， 随着开采的不断进行和采空 区的不 断变化 ， 在不同时间段 内地震活动区也随着发生 变 化， 目前主要集中在正在开采的采场围岩及主要的 掘进范围的围岩， 如 5 22 、 5 2 6 、 5 28 采场 ， 5 4 4 4 图 8 首采区地震活动府视图及地震活动集中区圈定 2 ．9 6 E 一 2 ．2 2 E一 1 ．4 8 E一 7 4 2 E 一 7 5 E一 8 ．8 0 嘉 6 48 5 圣 肄 2 ．8 8 0 0 ．9 0薅 时l司 日 月 b 图9 5 2- 2 采场围岩地震事件三维空间位置 a 及 时间序 列 b 2 0 0 5年 8月 2 8日～9月 2 7日 线 一 5 5 线间的矿体凿岩水平的凿岩区及 5 7线 一 5 8 线矿体凿岩区等； 已开采的采场围岩也受到邻 近采场开采活动的影响。整个首采区虽然存在明显 下转第 8 6页 维普资讯 总第 3 6 4期 金 畿 矿 山 2 0 0 6年第 1 0期 S D Z 3 0 3 1 0型湿式多盘弹簧制动器 是一种先进 全封闭制动器， 主要有固定在机壳上的定摩擦片和 套在传动轴上的动摩擦片及活塞组成。制动时， 制 动泵推动活塞使动、 定摩擦片贴合实现制动。由于 该制动器是全封闭式的， 外界条件如泥水的多少对 其本身来说是没有影响的。该制动器具有制动力矩 大， 制动平稳、 温升低、 体积小、 寿命长等优点， 但也 存在维修不方便的缺点。 3 实施效果 1 本改进项 目中涉及到的要改车辆 7台， 到 目前为止， 已经改进完毕的有 5台， 1台正在进行改 进， 待改进的有 1台。已改进完成的 5台铲运机运 行状态良好 ， 整车制动安全可靠， 铲运机达到国家规 定 的安全标准 ， 达到了预期的 目的。 2 弹簧制动液压松闸型湿式多盘制动器同时 可以实现停车制动的作用 ， 简化了原有的停车制动 器， 并使停车制动更加安全。 3 本项 目的实施为矿山生产中设备保障工作 起到了很好的作用， 也间接创造了很大的经济效益。 收稿 日期2 0 0 6 -08 - 2 8 上接第 4 4页 的地震活动集中区， 其活动都比较平稳 ， 说明岩层比 较稳定 ； 地震活动区的成 因有的是采场爆破 、 采准掘 进工程施工 ， 地震活动与每次爆破 比较敏感。 6 结语 冬瓜 山铜矿微震监测 系统从起初 每天检测到 2 0 0多个各种地下振动事件增加到 目 前每天 3 0 0多 个， 已积累了一定的地震数据， 目 前只开展了初步的 研究工作， 取得了初步成果， 但是要建立起能够有效 地指导矿山安全生产的矿山微震监测系统是一项长 期的工作， 今后还有许多工作要做。 冬瓜山铜矿是新建的我国首家有岩爆倾 向的深 井开采金属矿山， 其岩爆的预测与控制研究连续列 入国家“ 九五” 和“ 十五” 科技攻关课题 ， 是我国重要 的矿山岩爆研究基地， 作为岩爆预测与控制的重要 手段 ， 矿山地震监测系统的建立和成功运行， 不仅实 现了冬瓜山深井开采岩爆及地压的连续监测， 为该 矿岩爆和地压控制与技术研究创造了条件， 为继续 深入开展研究打下了坚实基础， 也必将成为我国深 井矿山开采岩石力学和矿山安全监控预警理论与方 法研究的重要研究平台。 参考文献 [ 1 ] M e n d e c k i A J ． D a t a - d ri v e n u n d e r s t a n d i n g o f s e i s m i c r o c k m a s s r e - s p o n s e t o m i n i n g [ A ] ． I n G ． v a n A s w e g e n ， R ． J ．D u r r h e i m， W． D．Or t l e p p ． e d．I nP roc e e d i n g s o f t h e 4 t h i n t e r n a t io n a l s y mp o s i u m o n r o c k b u r s t s a n d m i n e s [ c ] ． T h e S o u t h A f ri c a n I n s t i t u t e of M i n i n g a n d Me t a l l u r g y， J o h a n n e s b u r g ． 2 0 0 0 1 - 9 ． [ 2 ] G i b o w i c z S J ， K ij k o A ．A n i n t r o d u c t i o n t o m i n i n g s e i s m o l o g y M] ． N e w Y o r k A c a d e m i c p r e s s ， 1 9 9 4 ． [ 3 ] O r t le p p W D ． R a S i M c o m e s of a g e - 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