何 磊 馬維清 李軍峰

（中國華冶科工集團(tuán)有限公司）

微震監(jiān)測系統(tǒng)主要應(yīng)用于金屬礦山采場頂板監(jiān)測，通過記錄巖體破壞產(chǎn)生的微震效應(yīng)，達(dá)到一定閾值，對采場頂板塌冒進(jìn)行預(yù)警，取得了較好的應(yīng)用成效［1-3］。凡口鉛鋅礦、冬瓜山銅礦、紅透山銅礦等通過建立微震監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對地下采場地壓活動的監(jiān)測［4-6］；銅綠山礦通過建立微震監(jiān)測系統(tǒng)對微震事件的波形、時間分布規(guī)律和空間分布規(guī)律進(jìn)行分析，用于對巖爆的預(yù)測［7］。微震監(jiān)測系統(tǒng)在煤礦井巷掘進(jìn)施工及煤層開采過程中也有著較多的應(yīng)用［8-9］。但微震監(jiān)測在豎井施工特別是超深豎井掘進(jìn)過程中的應(yīng)用在國內(nèi)少見報道。

某鐵礦副井工程設(shè)計井深為1 503.9 m，變更后深度為1 355.2 m。井筒凈直徑為10 m，掘進(jìn)直徑為11.2 m，是國內(nèi)掘進(jìn)直徑超過10 m的最深豎井。根據(jù)鑿井工藝特點，10 m 直徑井筒掘進(jìn)單爆破循環(huán)進(jìn)尺宜在4 m 以上。井筒暴露面積的增加使得在鑿井過程中受地壓災(zāi)害的風(fēng)險加劇，進(jìn)行高效的地壓監(jiān)測極為必要。通過在鑿井期間實施微震監(jiān)測，獲得監(jiān)測區(qū)域巖體破壞特征，為井筒圍巖穩(wěn)定性的評估與支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計提供依據(jù)。

1 井下微震監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

微震監(jiān)測系統(tǒng)的硬件由微震檢波器、微震數(shù)據(jù)采集儀、設(shè)備供電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)組成。微震檢波器負(fù)責(zé)采集高質(zhì)量波形信號，微震數(shù)據(jù)采集儀將高質(zhì)量的波形信號通過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)信號，供電系統(tǒng)保證整個系統(tǒng)的用電，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)由傳輸系統(tǒng)負(fù)責(zé)傳輸。

2 鑿井期間微震監(jiān)測方案

依據(jù)某鐵礦豎井井筒現(xiàn)場施工情況，在井深1 000 m 處有10 m×23 m 的平面區(qū)域可以布設(shè)傳感器，在此監(jiān)測平面區(qū)域內(nèi)上下各50～100 m 區(qū)域滿足微震監(jiān)測要求。本次共布設(shè)6 個監(jiān)測點，包括3 個三分量傳感器和3個單分量傳感器。

所有微震監(jiān)測點均采用電瓶供電，監(jiān)測設(shè)備設(shè)置為自主工作模式，數(shù)據(jù)采樣頻率為4 000 Hz。地表設(shè)備使用GPS實現(xiàn)時鐘同步，井中微震監(jiān)測設(shè)備使用經(jīng)過校正的銣鐘完成時鐘同步。定期對所有監(jiān)測點進(jìn)行巡查，檢查設(shè)備工作狀態(tài)，并收集微震監(jiān)測數(shù)據(jù)。

每隔2 d 對井中布設(shè)的DAQ3-12 設(shè)備巡查并收集數(shù)據(jù)一次，每隔4 d 對地表使用的Sigmabox 設(shè)備巡查并收集數(shù)據(jù)一次。本監(jiān)測系統(tǒng)傳感器在井筒中的布置如圖1所示。

3 微震信號識別

微震監(jiān)測系統(tǒng)可監(jiān)測到的信號不僅包括巖體破壞產(chǎn)生的地震波，也包括其他噪聲信號，如各類爆破、礦石移動和機(jī)車運動等產(chǎn)生的振動信號等。礦山地震監(jiān)測中多采用人工識別方法，直接從波形窗中顯示的信號波形來識別和區(qū)分信號類型。

3.1 爆破信號

圖2為微震系統(tǒng)記錄到現(xiàn)場爆破施工過程，因監(jiān)測臺網(wǎng)距離爆破位置較近，爆破強(qiáng)度大，產(chǎn)生的地震波衰減有限，數(shù)據(jù)采集儀記錄的信號呈現(xiàn)滿量程狀態(tài)，記錄爆破波形被削波，據(jù)頻譜結(jié)果顯示，信號頻率主要分布在800～1 200 Hz，屬于較高的頻率，符合一般礦山爆破信號頻譜特點。

3.2 微震信號

巖石破裂與爆破震動微震信號均為非平穩(wěn)信號，它們在震源機(jī)制、振幅、震動頻率、持續(xù)時間以及能量上存在差異。巖石破裂過程為巖層中應(yīng)力從積累到釋放的過程，其震源機(jī)制較為復(fù)雜，波形復(fù)雜，震動持續(xù)時間長，能量釋放緩慢，相對爆破來說信號多集中于低頻段；巖石破裂產(chǎn)生微地震事件，根據(jù)其受力特點呈現(xiàn)出拉張破壞或者剪切破壞以及常見的復(fù)合受力產(chǎn)生的拉張-剪切破壞。根據(jù)波形特征也可初步判斷其受力破壞的類型。本次試驗監(jiān)測系統(tǒng)記錄到的疑似微地震信號如圖3所示。

圖3波形可見清晰的P-S波震相，P波振幅小能量相對較弱，S 波振幅大，能量相對強(qiáng)，這也符合常規(guī)的微破裂產(chǎn)生的地震體波特征。因震源位置距離監(jiān)測臺網(wǎng)較近，地震波傳播路徑短，P-S到達(dá)時差較小，圖中沒能展示清晰的P-S 特征。另外根據(jù)圖3 可知，微地震事件的頻譜主要分布在400～600 Hz，比上文所述爆破信號頻率低，但比傳統(tǒng)認(rèn)知的煤礦微地震信號在250 Hz左右高一些，這也反映出深井金屬礦成礦地層屬性與煤礦成礦地層屬性之間的差別。

3.3 吊盤碰撞井壁產(chǎn)生的微震信號

圖4 為系統(tǒng)監(jiān)測到的吊盤碰撞井壁產(chǎn)生的微震信號，信號具有疑似巖石破裂信號的特征，但因其頻率較高，且有連續(xù)信號被記錄到，初步判斷其為吊盤碰撞井壁產(chǎn)生的微震信號。

3.4 鑿巖機(jī)鑿巖產(chǎn)生的低頻信號

連續(xù)記錄中監(jiān)測到一些低頻信號，信號時間分布特征呈現(xiàn)每秒鐘一個信號，推測其為某種施工產(chǎn)生的信號，施工器具的工作頻率約為1 Hz。這些信號頻率主要分布在150 Hz 左右，推測為施工工藝特征產(chǎn)生的信號，如排除施工工藝影響，也有可能與施工場地地質(zhì)條件有關(guān)，如流體飽和等。

由以上多種信號分析可得，影響某鐵礦豎井施工環(huán)境的主要震動為爆破震動、圍巖破裂產(chǎn)生的微震動、鑿巖機(jī)鑿巖產(chǎn)生的震動以及其他震動影響，尤其以爆破震動、鑿巖震動為主，這些震動構(gòu)成了井下的波震動動載荷場，對豎井開挖后高應(yīng)力集中區(qū)域的擾動作用很大，不可忽略。應(yīng)采取改善爆破參數(shù)、優(yōu)化施工順序的措施，以減弱豎井開挖施工對圍巖擾動產(chǎn)生的影響。

4 微震事件分析

4.1 微震事件的空間分布

通過微震監(jiān)測系統(tǒng)自帶軟件對某鐵礦豎井進(jìn)行微震事件定位，空間分布如圖6所示。微震事件主要分布在開挖體周圍2 m 左右深度的圍巖內(nèi)，即豎井開挖后微破裂主要發(fā)生在井筒或馬頭門2 m 深的圍巖內(nèi)部，尤其是馬頭門拱頂部1～2 m 的范圍分布比較集中。由此可得，為保證豎井掘進(jìn)施工中錨桿支護(hù)的質(zhì)量，錨桿支護(hù)深度至少應(yīng)為2 m。

4.2 微震事件的時間分布

微震事件的數(shù)量及能量的日分布情況如圖7 所示。微震事件的時間分布與豎井掘進(jìn)的施工安排密切相關(guān)。結(jié)合現(xiàn)場施工，0～8 h為豎井掘進(jìn)出渣階段，8～16 h 為鑿巖裝藥階段，16 h 以后分別是提升吊盤、放炮、通風(fēng)、降吊盤、平底等。由圖7 可知，0～16 h 豎井出渣、鑿巖階段微震活動較弱，在19 h 左右掘進(jìn)爆破發(fā)生，微震活動大幅增加，爆破之后微震活動逐漸衰減。由此可見，在豎井掘進(jìn)施工的各工序中，爆破震動是誘發(fā)微震活動的主要因素，優(yōu)化爆破參數(shù)、減小爆破震動對圍巖的擾動和破壞非常必要。

4.3 震 級

b值是大小地震數(shù)目按震級分布的一個參數(shù)，其表達(dá)式如下：

式中，a為微震活動性參數(shù)；M為微震震級；N為微震震級大于M的微震數(shù)目。

在一般情況下，應(yīng)力狀態(tài)和巖體結(jié)構(gòu)變化不大，所以b值基本保持常數(shù)。但是大震前，震中區(qū)及其附近的巖體內(nèi)，應(yīng)力狀態(tài)和巖體結(jié)構(gòu)均發(fā)生明顯變化，與此相應(yīng)的b值也會偏離正常值，出現(xiàn)異常高值或異常低值。某鐵礦豎井微震監(jiān)測數(shù)目按震級分布情況如圖8所示。

通過圖8 微震事件數(shù)量與震級的分布關(guān)系可以看出，前半部分線性特性并不是很強(qiáng)，而后半部分則近乎于一條直線，直線斜率的相反數(shù)即為b值，計算結(jié)果約為0.78，由于其后半部分曲線的斜率變化不大，故b值大小相對穩(wěn)定，即井筒圍巖的應(yīng)力狀態(tài)和巖體結(jié)構(gòu)很穩(wěn)定，發(fā)生結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的可能性很小。

5 結(jié) 論

（1）在超深豎井鑿井期間，利用金屬礦山馬頭門多的特點，在馬頭門布置微震監(jiān)測系統(tǒng)對井筒的圍巖破壞情況進(jìn)行實時監(jiān)測具有可行性。在某鐵礦副井-782，-842 m 馬頭門建立微震監(jiān)測系統(tǒng)，采用3 個三向微震傳感器和3個單向微震傳感器，較好地記錄了各類微震信號。

（2）鑿井施工期間存在爆破震動、圍巖破裂產(chǎn)生的微震動、鑿巖機(jī)鑿巖產(chǎn)生的震動以及其他震動影響，尤其以爆破震動、鑿巖震動為主，這些震動構(gòu)成了井下的波震動動載荷場，對豎井開挖后高應(yīng)力集中區(qū)域的擾動作用很大，不可忽略。爆破震動是誘發(fā)微震活動的主要因素，優(yōu)化爆破參數(shù)、減小爆破震動對圍巖的擾動和破壞非常必要。

（3）微震事件主要分布在開挖體周圍2 m 左右深度的圍巖內(nèi)，為保證豎井掘進(jìn)施工中錨桿支護(hù)質(zhì)量，錨桿支護(hù)深度至少應(yīng)為2 m。

（4）某鐵礦副井工程施工期間微震監(jiān)測到的比較大的震級為0.70、0.85 和1.05；b值的計算結(jié)果約為0.78，表明井筒圍巖的應(yīng)力狀態(tài)和巖體結(jié)構(gòu)很穩(wěn)定，發(fā)生結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的可能性很小。