蔡永順 王海文 王平 韓愛軍 袁本勝 張樹鵬

（①北京礦冶科技集團有限公司 北京 102628 ②金屬礦山智能開采技術北京市重點實驗室 北京102628③西部黃金克拉瑪依哈圖金礦有限責任公司 克拉瑪依 834000）

1 引言

哈圖金礦千米井礦區(qū)現(xiàn)主要采用水平分層上向全尾砂膠結充填采礦法，設計生產(chǎn)能力為1200t/d，主要開采礦體為27-8、27-14、27-17礦脈。開采區(qū)域有8個中段，但主要的開采中段是725m、675m、625 m、575m四個中段，階段高度50m，分層高度2.5～3 m。礦體厚0.8～8m，傾角55°～58°，兩端設6.2m的房間柱，底柱5m，頂柱3～5m不等。哈圖金礦千米井礦區(qū)由于開采深度較深，采礦深度達到600m，開拓深度達1000m，地應力較大。礦體上下盤圍巖主要由蝕變凝灰?guī)r、蝕變玄武巖及少量石英脈組成，礦體處于擠壓破碎帶中。深部采動誘發(fā)應力集中導致的片幫、冒頂?shù)鹊貕簡栴}顯現(xiàn)突出。同時局部礦體存在著大量的節(jié)理、裂隙，采場發(fā)生大面積坍塌可能性增加，嚴重威脅著井下采礦作業(yè)人員安全與設備的安全。

因此，為了及時掌握采場頂板的冒落規(guī)律，監(jiān)測和預警井下生產(chǎn)作業(yè)區(qū)域地壓活動，以便及時采取有效的預防措施，確保礦山安全高效生產(chǎn)，需要在千米井深部主礦體周邊建立一套實時在線、動態(tài)監(jiān)測與預警的多通道地壓監(jiān)測系統(tǒng)。

2 地壓監(jiān)測方案選擇

由于哈圖金礦千米井礦區(qū)現(xiàn)主要采用水平分層上向全尾砂膠結充填采礦法，采場規(guī)模較小，且同時開采的采場多達40余個，因此常規(guī)的點監(jiān)測的技術手段無法滿足監(jiān)測需求。通過對地壓監(jiān)測技術手段的對比分析，并充分結合采礦工藝及現(xiàn)場條件，最終選擇采用世界先進的IMS微震監(jiān)測系統(tǒng)進行地壓監(jiān)測。微震監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)非接觸、大尺度、實時在線監(jiān)測，實時反映巖體動態(tài)破裂、擴展機理，通過計算微震事件發(fā)生時間、空間位置、震源強度等參數(shù)，并采用定量地震學和統(tǒng)計地震學的研究方法對微震事件的力學信息進行分析，從而反映監(jiān)測區(qū)域內巖體應力分布及變形狀況，進而達到實時監(jiān)測及預警的效果[1-7]。

3 方案設計及優(yōu)化

微震監(jiān)測方案設計的基本原則為：對重點監(jiān)測區(qū)域的定位誤差較小和對較小震級事件具有較高的靈敏度[8-10]。同時還需要考慮現(xiàn)場實際條件，對微震監(jiān)測臺網(wǎng)進行優(yōu)化，得到最優(yōu)方案，具體原則如下：

⑴對重點監(jiān)測區(qū)域的定位誤差較??；

⑵對較小震級事件具有較高的靈敏度；

⑶傳感器接收到微震信號的傳播路徑為直線，避免傳播路徑上存在較大空區(qū)；

⑷合理選擇、布置單軸、三軸傳感器及傳感器陣列，形成空間立體監(jiān)測臺網(wǎng)；

⑸充分考慮礦山地質、巖性特征、通訊網(wǎng)絡等實際條件；

⑹利用臺網(wǎng)分析軟件優(yōu)化監(jiān)測點布置，得出最優(yōu)監(jiān)測方案。

哈圖金礦千米井礦區(qū)目前主要開采的是725m、675m、625m、575m四個中段，根據(jù)上述四個中段的工程現(xiàn)狀，設計了2種監(jiān)測方案。方案一：在四個中段分別布置4個微震傳感器；方案二：在725m、575m兩個中段分別布置4個微震傳感器，在675m、625m兩個中段分別布置8個微震傳感器進行重點監(jiān)測，微震傳感器空間布置見圖1所示。

圖1 兩種監(jiān)測方案微震傳感器空間布置圖

針對上述兩種監(jiān)測方案，采用IMS-Jdi可視化分析軟件建立臺網(wǎng)分析模型，并進行臺網(wǎng)分析，計算微震監(jiān)測系統(tǒng)的定位誤差及靈敏度。兩種監(jiān)測方案在各中段的平面定位誤差及靈敏度云圖見圖2、圖3所示，兩種監(jiān)測方案的三維定位精度及靈敏度云圖見圖4、圖5所示。

通過平面定位誤差及靈敏度云圖可以看出，方案二中每個中段的定位誤差較小，靈敏度較高，重點監(jiān)測區(qū)域定位誤差在10m左右，靈敏度可以達到-2.6矩震級，且重點監(jiān)測的區(qū)域范圍要比方案一大很多，滿足礦山地壓安全監(jiān)測的需求。另外，通過三維定位誤差及靈敏度云圖也可以看出，方案二的定位誤差、靈敏度及重點監(jiān)測范圍均優(yōu)于方案一。因此，推薦采用方案二建立地壓監(jiān)測系統(tǒng)。

圖2 兩種監(jiān)測方案在各中段的平面定位誤差云圖

圖3 兩種監(jiān)測方案在各中段的平面靈敏度云圖

圖4 兩種監(jiān)測方案的三維定位誤差云圖

圖5 兩種監(jiān)測方案的三維靈敏度云圖

4 監(jiān)測方案可靠性驗證

按照監(jiān)測方案二在哈圖金礦千米井礦區(qū)的725m、675m、625m、575m四個中段建立了微震監(jiān)測系統(tǒng)。為了驗證監(jiān)測方案設計及優(yōu)化的可靠性，統(tǒng)計了1周內微震事件的矩震級為-3.0～-0.5。另外，采用驗證爆破進行了驗證，系統(tǒng)定位誤差為10.34m，見表1所示?，F(xiàn)場實際驗證結果與臺網(wǎng)優(yōu)化分析結果非常一致，微震監(jiān)測系統(tǒng)的定位誤差及靈敏度均滿足礦山安全監(jiān)測的需求。

表1 驗證爆破定位誤差

5 結論

通過監(jiān)測方案可靠性驗證可知，現(xiàn)場實際驗證結果與臺網(wǎng)優(yōu)化分析結果非常一致，系統(tǒng)定位誤差及靈敏度均滿足礦山安全監(jiān)測的需求。同時表明采用IMS-Jdi可視化分析軟件進行臺網(wǎng)分析，可以很好地預測礦山微震監(jiān)測系統(tǒng)的定位誤差及靈敏度，為微震監(jiān)測方案的優(yōu)化完善提供了可靠的技術支撐。