郭玉豹，李京濂，冀虎，張達(dá)

（1.中礦金業(yè)股份有限公司，山東招遠(yuǎn)265400；2.北京礦冶研究總院，北京102628）

基于IMS的玲南金礦微震監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用研究

郭玉豹1，李京濂1，冀虎2，張達(dá)2

（1.中礦金業(yè)股份有限公司，山東招遠(yuǎn)265400；2.北京礦冶研究總院，北京102628）

研究了IMS微震監(jiān)測技術(shù)的工作原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、技術(shù)應(yīng)用，并基于IMS微震監(jiān)測技術(shù)，介紹了玲南金礦微震監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)及應(yīng)用，重點分析了系統(tǒng)的臺網(wǎng)精度、波速校準(zhǔn)、時間同步以及通信系統(tǒng)建設(shè)等內(nèi)容，詳細(xì)設(shè)計了井下設(shè)備供電防護(hù)、信號防護(hù)以及防潮等安全防護(hù)措施，為設(shè)備可靠運行提供保障。

微震監(jiān)測；波速校準(zhǔn)；時間同步；安全防護(hù)

微震監(jiān)測技術(shù)作為新一代地壓監(jiān)測技術(shù)，以其區(qū)域性、實時性，能夠?qū)崿F(xiàn)礦區(qū)范圍內(nèi)的實時監(jiān)測、災(zāi)源定位、應(yīng)力場分布反演和巖體內(nèi)部破裂實時變化規(guī)律統(tǒng)計等優(yōu)勢，成為地壓活動與礦山開采動態(tài)響應(yīng)的研究和巖爆與地壓實時預(yù)測的重要工具［1］。微震監(jiān)測技術(shù)在國外尤其是南非、加拿大、澳大利亞、波蘭等國的深井礦山中得到快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，已成為礦山安全的重要措施［2－5］。

我國微震監(jiān)測技術(shù)的研究起步于20世紀(jì)80年代，以國家煤炭部及地震局于北京門頭溝煤礦進(jìn)行的微震監(jiān)測方面的研究作為開端［6－8］。隨著礦山對于微震監(jiān)測需求的持續(xù)升溫，以及包括南非IMS、加拿大ESG微震監(jiān)測系統(tǒng)在內(nèi)的國外微震監(jiān)測技術(shù)的不斷引進(jìn)，推動了國內(nèi)微震監(jiān)測的發(fā)展［9－13］。

玲南金礦地處山東省招遠(yuǎn)市北東14km的臺上村，位于玲瓏金礦田南部，隸屬于中礦金業(yè)股份有限公司，是一個開拓深度已過千米的金屬礦山，為此，作為國家863計劃重點項目“深井巖爆災(zāi)害動態(tài)監(jiān)測與危險性分析技術(shù)”的研究基地，采用微震監(jiān)測技術(shù)，實現(xiàn)了對玲南金礦深部開采擾動引起的地壓活動的連續(xù)監(jiān)測，并利用監(jiān)測數(shù)據(jù)對礦山地震活動及巖爆與地壓活動進(jìn)行了初步研究。同時，玲南金礦作為“十二五”國家科技支撐計劃項目“礦山主被動結(jié)合高精度微震監(jiān)測技術(shù)與裝備研發(fā)”的研究基地，進(jìn)行基于多參數(shù)耦合的巖體動力災(zāi)害評價分析與預(yù)警技術(shù)研究。本文介紹南非IMS微震監(jiān)測技術(shù)在玲南金礦的應(yīng)用研究，并重點分析應(yīng)用中存在的問題及應(yīng)對措施。

1 IMS微震監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 基本原理

如圖1所示，IMS微震監(jiān)測系統(tǒng)的基本工作原理是，借助速度型或加速度型傳感器提取巖體變形破壞過程中產(chǎn)生的微震動事件，并將微震事件的機械振動轉(zhuǎn)換為可被微震監(jiān)測系統(tǒng)識別的微震數(shù)據(jù)，通過進(jìn)一步分析包含巖體活動及破壞信息的微震數(shù)據(jù)，推測出微震事件的位置、強度、震源機制、應(yīng)力分布等信息，實現(xiàn)預(yù)測預(yù)報。

圖1 IMS微震監(jiān)測系統(tǒng)工作原理Fig.1 Principle of the IMS system

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

如圖2所示，IMS微震監(jiān)測系統(tǒng)在原ISS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上更新了硬件和軟件。其中，硬件部分主要包括檢波器（速度計或加速度計）、采集站（netADC、netSP、UPS和單端口DSL）、數(shù)據(jù)服務(wù)器（服務(wù)器和4端口DSL）、遠(yuǎn)程終端；軟件部分包括數(shù)據(jù)采集配置軟件（Synapse Server）、數(shù)據(jù)波形顯示及處理軟件（Trace）、數(shù)據(jù)三維可視化及應(yīng)力分析軟件（Vantage）、微震事件警示軟件（Ticker 3D）。

圖2 IMS系統(tǒng)構(gòu)成Fig.2 IMS system constitution

2 玲南金礦一期微震監(jiān)測系統(tǒng)的建立

2.1 臺網(wǎng)設(shè)計及波速校準(zhǔn)

玲南金礦礦床開拓主要采用豎井開拓法，地表以下開拓深度過千米，一期微震待監(jiān)測區(qū)域包括20、22、24、30中段，最終，根據(jù)監(jiān)測區(qū)域的大小，設(shè)計礦井尺度范圍的微震監(jiān)測系統(tǒng)，臺網(wǎng)布設(shè)在20、22、24、30中段，共計24個采集通道，設(shè)計選用單軸速度型檢波器12支，三軸速度型檢波器4支，圖3為20、22、24、30中段的平面圖，其中，檢波器及采集基站布置方案如下：

1）20中段：2＃為三軸檢波器，就近安裝采集基站，1＃、2＃、3＃均為單軸檢波器；

2）22中段：3＃為三軸檢波器，就近安裝采集基站，1＃、2＃、4＃均為單軸檢波器；

3）24中段：3＃為三軸檢波器，就近安裝采集基站，1＃、2＃、4＃均為單軸檢波器；

4）30中段：4＃為三軸檢波器，就近安裝采集基站，1＃、2＃、3＃均為單軸檢波器。

圖3 臺網(wǎng)布設(shè)Fig.3 Network layout

經(jīng)過臺陣分析，如圖4所示，臺網(wǎng)最佳定位精度可達(dá)5m，最小可檢測矩震級－0.5，滿足礦山一期微震監(jiān)測需求。

圖4 臺網(wǎng)靈敏度分析Fig.4 Network sensitivity analysis

IMS微震監(jiān)測系統(tǒng)是通過臺網(wǎng)中的檢波器拾取微震事件，并同步記錄微震事件在礦體中傳播至多支檢波器的不同到時，來定位出發(fā)生事件的位置，即其空間坐標(biāo)，并基于定位結(jié)果完成后續(xù)定性及定量的數(shù)據(jù)分析。因此，微震事件定位的首要條件是獲得微震事件在所監(jiān)測礦體中傳播的速度模型。實際應(yīng)用時，假設(shè)礦體為各項同性的均值速度模型，波速校準(zhǔn)取代了以往定點炮的校準(zhǔn)方式，而是采用頻率、幅值可控的主動震源，選定已知空間坐標(biāo)點產(chǎn)生震源。波速校準(zhǔn)過程，如圖5所示，圖中橫坐標(biāo)為已知震源到達(dá)任意兩支檢波器的到時差，縱坐標(biāo)為對應(yīng)的已知震源到達(dá)任意兩支檢波器的距離差，最終，線性回歸出圖中的直線，直線的斜率即為校準(zhǔn)得到的均值波速。

圖5 波速校準(zhǔn)Fig.5 Velocity calibration

2.2 IMS微震監(jiān)測系統(tǒng)時間同步

微震監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用的前提是獲取同一時基下的微震事件時間、空間的分布情況，而同一時基的建立是通過對檢波器采集數(shù)據(jù)標(biāo)記時間戳的方式實現(xiàn)。實際標(biāo)記時間戳的過程，如圖6所示：4－DSL接收時鐘源（GPS或服務(wù)器）發(fā)送的絕對時間，并將同步時間戳分發(fā)至各個1－DSL，再由1－DSL將時間戳賦予netADC，在檢波器數(shù)據(jù)到達(dá)netADC時完成時間標(biāo)記。

2.3 微震監(jiān)測系統(tǒng)通信系統(tǒng)建設(shè)

基于IMS微震監(jiān)測系統(tǒng)搭建的通信網(wǎng)絡(luò)主要包括廣域網(wǎng)（WAN）、局域網(wǎng)（LAN）、串行通信（RS232）、數(shù)字用戶線路（xDSL）等，如圖7所示，其中，TDU為時間分發(fā)單元，當(dāng)數(shù)據(jù)采集基站的數(shù)量＞4臺時，需要增加四端口DSL數(shù)量，以滿足應(yīng)用，此時，需配備TDU將服務(wù)器端發(fā)送的用于時間同步的主時鐘信號，分發(fā)至每臺四端口DSL。

通信系統(tǒng)的主要工作過程為：

1）檢波器拾取信號，接入數(shù)據(jù)采集基站。netADC實現(xiàn)信號的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)化，并接受單端口DSL發(fā)送的時間信息，將時間戳加入數(shù)字序列，處理后的數(shù)字序列通過LAN送入netSP，在netSP中完成進(jìn)一步數(shù)字信號處理，再次通過LAN接入單端口DSL，轉(zhuǎn)換為“xDSL”通信方式輸出。這里的iUPS作為備用電源，可通過RS232受控于netSP。

圖6 時間同步Fig.6 Time synchronization

2）單端口DSL與四端口DSL實現(xiàn)“xDSL”信號數(shù)據(jù)及時間數(shù)據(jù)的通信，四端口DSL最終以LAN方式接入光纖環(huán)網(wǎng)。

圖7 通信系統(tǒng)Fig.7 Communication system

3）服務(wù)器直接通過光纖環(huán)網(wǎng)，實現(xiàn)與四端口DSL的數(shù)據(jù)通信，而時間同步信號為服務(wù)器或GPS產(chǎn)生的RS232數(shù)據(jù)格式，需經(jīng)過RS232→LAN→RS232的轉(zhuǎn)換過程，被四端口DSL接收。

4）服務(wù)器端可通過LAN查詢四端口DSL、單端口DSL、netSP、netADC等設(shè)備的工作狀態(tài)，也可通過WAN被遠(yuǎn)程終端控制和管理。

3 IMS微震監(jiān)測系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測及安全防護(hù)

3.1 設(shè)備工作狀態(tài)監(jiān)測

如圖8所示，IMS系統(tǒng)的Synapse管理軟件的界面實時顯示netSP、netADC、檢波器的工作狀態(tài)，其中，netSP和netADC的綠色表示設(shè)備工作正常，由圖中的綠色變?yōu)榧t色時，表示設(shè)備故障，即服務(wù)器無法通過網(wǎng)絡(luò)搜索到設(shè)備，造成設(shè)備故障的原因可能是通信鏈路故障或設(shè)備本身故障；檢波器的綠色表示工作正常且處于信號傳輸狀態(tài)，當(dāng)由圖中的綠色變?yōu)樽厣珪r表示工作正常且處于無信號發(fā)送狀態(tài)，當(dāng)由圖中的綠色變?yōu)榧t色時表示檢波器工作異常，異常原因可能是信號傳輸線路故障或檢波器本身故障。

圖8 設(shè)備工作狀態(tài)Fig.8 Equipment working state

通常，當(dāng)檢波器拾取的信號在服務(wù)器中顯示異常時，我們可以通過人工觸發(fā)的方式檢測檢波器工作是否異常，檢測方式在服務(wù)器遠(yuǎn)程控制下，以固定形式的脈沖觸發(fā)檢波器，通過回檢到的檢波器波形，如圖9所示，異常狀態(tài)下（a）無波形響應(yīng)，正常狀態(tài)（b）出現(xiàn)相應(yīng)觸發(fā)響應(yīng)。通過這樣的辦法，實現(xiàn)了工作人員不必親赴現(xiàn)場，通過服務(wù)器判斷檢波器工作是否異常。

3.2 設(shè)備安全防護(hù)

由于礦山工況環(huán)境復(fù)雜，井下供電易出現(xiàn)過壓、過流等電涌危害，同時多潮濕、高溫的工作環(huán)境，因此，監(jiān)測系統(tǒng)從設(shè)備安全防護(hù)的角度，完成防護(hù)設(shè)計。

1）井下供電防護(hù)

目前，礦山井下供電為380V的交流電，但是供電極易出現(xiàn)過壓、過流等情況，對井下的數(shù)據(jù)采集、通信等設(shè)備造成極大的危害，針對這種情況，設(shè)計供電防護(hù)措施如圖10所示，所有的防護(hù)模塊需要接地極有效接地。

圖9 檢波器工作狀態(tài)檢測Fig.9 Detection of geophone working state

圖10 供電防護(hù)措施Fig.10 Power supply protection measures

2）檢波器的信號防護(hù)

檢波器通過巖體打孔、灌漿的方式完成安裝，加上檢波器采用金屬防護(hù)外殼，檢波器信號線接入數(shù)據(jù)采集基站時，易引入強干擾電信號，損毀采集設(shè)備，因此，在檢波器信號輸入端添加浪涌保護(hù)器，抑制搭載在信號線上的過壓過流信號。

3）防潮措施

由于井下工作環(huán)境高溫潮濕，為確保微震監(jiān)測設(shè)備可靠穩(wěn)定運行，現(xiàn)場通過常規(guī)的干燥劑、密封、烘干等方式，均無法滿足實際應(yīng)用。井下的濕度較大，干燥劑很快達(dá)到飽和，失去干燥作用；箱體密封時，由于進(jìn)出線纜較多，很難在井下實現(xiàn)良好的密封效果；采用加熱烘干的方法，容易引起設(shè)備工作在高溫環(huán)境，出現(xiàn)異常。最終，選用絕緣、高導(dǎo)熱的電子灌封膠，在設(shè)備下井前，將設(shè)備接線引出箱體后，灌入箱體固化，設(shè)備被膠體完全固封，與外界隔離。

4 結(jié)論

IMS微震監(jiān)測系統(tǒng)在玲南金礦已經(jīng)得到了實際應(yīng)用，并實現(xiàn)了對玲南金礦開采擾動引起的地壓活動的連續(xù)監(jiān)測，并利用監(jiān)測數(shù)據(jù)對礦山地震活動及巖爆與地壓活動進(jìn)行了初步研究。本文重點研究了IMS微震監(jiān)測技術(shù)在系統(tǒng)架構(gòu)、系統(tǒng)建設(shè)、技術(shù)應(yīng)用、設(shè)備防護(hù)等方面進(jìn)行應(yīng)用研究，為微震監(jiān)測系統(tǒng)長期、有效、可靠的發(fā)揮作用奠定基礎(chǔ)，為監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性提供保障。

［1］唐禮忠，潘長良，楊承祥，等.冬瓜山銅礦微震監(jiān)測系統(tǒng)建立及應(yīng)用研究［J］.采礦技術(shù)，2006，6（3）：272－277.

［2］Ortlepp W D.RaSiM comes of age—a review of the contribution to the understanding and control of mine rockbursts［C］//Proceedings of the Sixth International Symposium on Rockburst and Seismicity in Mines，Perth，Western Australia.2005：9－11.

［3］曹安業(yè).采動煤巖沖擊破裂的震動效應(yīng)及其應(yīng)用研究［D］.北京：中國礦業(yè)大學(xué)，2009.

［4］牟宗龍，竇林名，鞏思園，等.礦井SOS微震監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計及震源定位誤差數(shù)值分析［J］.煤礦開采，2009，14（3）：8－12.

［5］張明，姜福興，任艷芳.深井大采高綜放開采微震監(jiān)測技術(shù)研究［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2012，40（12）：35－37，41.

［6］劉建坡.深井礦山地壓活動與微震時空演化關(guān)系研究［D］.沈陽：東北大學(xué)，2011.

［7］呂世超.微地震有效事件識別及震源自動定位方法研究［D］.東營：中國石油大學(xué)，2011.

［8］趙興東，石長巖，劉建坡，等.紅透山銅礦微震監(jiān)測系統(tǒng)及其應(yīng)用［J］.東北大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2008，29（3）：399－402.

［9］張銀平.巖體聲發(fā)射與微震監(jiān)測定位技術(shù)及其應(yīng)用［J］.工程爆破，2002，8（1）：58－61.

［10］鞏思園，竇林名，馬小平，等.提高煤礦微震定位精度的臺網(wǎng)優(yōu)化布置算法［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2012，31（1）：8－17.

［11］劉大兵，錢振宇，王存文，等.三山島金礦微震監(jiān)測及巖爆傾向性分析［C］//第九屆全國采礦學(xué)術(shù)會議論文集，2012：488－491.

［12］姜福興，葉根喜，王存文，等.高精度微震監(jiān)測技術(shù)在煤礦突水監(jiān)測中的應(yīng)用［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2008，27（9）：1932－1938.

［13］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.

Application research of microseismic monitoring system based on IMS in Lingnan Gold Mine

GUO Yubao1，LI Jinglian1，JI Hu2，ZHANG Da2
（1.Zhongkuang Gold Industry Co.，Ltd.，Zhaoyuan Shandong 265400，China；2.Beijing General Research Institute of Mining ＆Metallurgy，Beijing 102628，China）

This paper studies the working principle，system structure and technology application of the IMS microseismic monitoring technology，and introduces construction and application of microseismic monitoring system based on IMS in Lingnan Gold Mine.Also，it analyses the system of network precision，velocity calibration accuracy，time synchronization and communication system construction，etc.Finally，it introduces the detailed protection design for equipment power supply，signal，moisture，etc.，which guarantees the reliable operation of equipment.

microseismic monitoring；velocity calibration；time synchronization；safety protection

TD76

Α

1671－4172（2015）02－0004－06

10.3969/j.issn.1671－4172.2015.02.002

郭玉豹（1981－），男，助理工程師，機械工程及自動化專業(yè)。