何玉龍 王棟毅 李海龍

摘要：隨著礦山開采逐漸往深部延伸，出現(xiàn)了輕微巖爆現(xiàn)象，生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)存在由巖爆誘發(fā)的礦柱失穩(wěn)和頂板冒落的危險(xiǎn)。根據(jù)三山島金礦深部礦體地質(zhì)條件和圍巖實(shí)際地質(zhì)情況，研制了新一代的BMS微震監(jiān)測系統(tǒng)，構(gòu)建了礦山預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)能有效監(jiān)測到采場礦柱失穩(wěn)和頂板冒落的微弱振動信號，分析微震波形，監(jiān)測巖爆的發(fā)生，為深部礦體安全開采提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：深部開采；巖體穩(wěn)定性；巖爆；微震監(jiān)測；波形分析

中圖分類號：TD32文章編號：1001-1277（2024）04-0005-04

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi：10.11792/hj20240402

引 言

隨著對深部礦體的進(jìn)一步開采，巖爆逐漸成為不可忽視的井下危險(xiǎn)因素，由此帶來的礦柱失穩(wěn)和頂板冒落也嚴(yán)重威脅到井下安全。巖爆是指對高應(yīng)力區(qū)地下工程進(jìn)行作業(yè)時(shí)，在開挖活動的擾動下，巖體原有應(yīng)力被打破，導(dǎo)致其內(nèi)部儲存的應(yīng)變能突然釋放［1-3］，產(chǎn)生破壞。巖爆的發(fā)生常伴隨著巖體振動［4］。

采礦活動引起圍巖內(nèi)應(yīng)力的轉(zhuǎn)移和積聚，巖體在應(yīng)力作用下發(fā)生破裂、產(chǎn)生振動并向四周傳播。檢波器監(jiān)測到振動信號，并進(jìn)行相關(guān)處理和分析，這就是微震監(jiān)測系統(tǒng)的基本原理［5-7］。

巖體裂隙產(chǎn)生、發(fā)育和貫通等過程中始終伴隨著微震活動的產(chǎn)生，有效微震信號包含了大量可以表達(dá)巖體狀態(tài)變化的信息［8-11］。因此，通過監(jiān)測巖體的微震信號，可以實(shí)現(xiàn)深部礦（巖）體區(qū)域穩(wěn)定性的監(jiān)測預(yù)警。

1 工程背景

山東黃金礦業(yè)（萊州）有限公司三山島金礦（下稱“三山島金礦”）是山東黃金集團(tuán)有限公司的主體礦山之一，下設(shè)三山島金礦直屬礦區(qū)和新立礦區(qū)，是國內(nèi)唯一海下開采的黃金礦山。新立礦區(qū)采用豎井加平巷開拓的點(diǎn)柱式上向分層充填采礦法進(jìn)行開采，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力1 500 t/d，為適應(yīng)市場經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要，三山島金礦對新立礦區(qū)實(shí)行強(qiáng)化開采，將生產(chǎn)能力從原來的1 500 t/d 擴(kuò)大至6 000 t/d。

在高強(qiáng)度開采條件下，對礦體上盤巖體的擾動增加，礦區(qū)存在涌水、突水甚至海水潰入的潛在危險(xiǎn)。此外，三山島金礦直屬礦區(qū)已經(jīng)進(jìn)入深部開采（采掘工程深度超過600 m），目前已經(jīng)出現(xiàn)輕微巖爆現(xiàn)象，生產(chǎn)區(qū)域存在由巖爆誘發(fā)的礦柱失穩(wěn)和頂板冒落的危險(xiǎn)。而且，三山島金礦次級斷裂F3的活動及由此誘發(fā)的地面和井下危害日趨嚴(yán)重。因此，研制新一代微震監(jiān)測系統(tǒng)保障海下采礦活動的安全已經(jīng)成為礦山迫切需要解決的首要問題。

2 BMS微震監(jiān)測系統(tǒng)

微震監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)總體分為集中式與分布式2種。分布式監(jiān)測系統(tǒng)主要用于監(jiān)測礦震，定位精度較低，適合采區(qū)尺度；集中式監(jiān)測系統(tǒng)常用于監(jiān)測礦震和巖層破裂，定位精度較高，適合采掘工程尺度。

由于海下金礦床開采需要高精度和大面積監(jiān)測，因此，三山島金礦采取分布式監(jiān)測系統(tǒng)與集中式監(jiān)測系統(tǒng)相結(jié)合的方式，即區(qū)域間分布式、區(qū)內(nèi)集中式的測區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)布置方式，定位精度可達(dá)10 m左右，滿足海下金礦床開采巖體破裂的監(jiān)測預(yù)警要求。在此基礎(chǔ)上，研制了新一代BMS微震監(jiān)測系統(tǒng)。

2.1 工作原理

BMS微震監(jiān)測系統(tǒng)可以監(jiān)測振動能力超過100 J、頻率為1～1 500 Hz及低于110 dB的振動事件，屬于高精度微震監(jiān)測系統(tǒng)。

安置在測區(qū)內(nèi)的檢波器接收振動信息，傳送至井下微震監(jiān)測子站，將電訊號轉(zhuǎn)變?yōu)楣庥嵦?，?jīng)光纜傳送至微震監(jiān)測主站，經(jīng)由內(nèi)部交換機(jī)再將光訊號傳送至地面工控機(jī)，在數(shù)據(jù)存儲及數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)完成微震事件的定位方向解析與多方向顯示。BMS微震監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理如圖1所示。

2.2 BMS微震監(jiān)測系統(tǒng)功能

BMS微震監(jiān)測系統(tǒng)配備HOSMON和TEROTREAT軟件，能夠監(jiān)測井下微震事件并提供以下功能：

2024年第4期/第45卷礦業(yè)工程礦業(yè)工程黃 金

1）實(shí)時(shí)、連續(xù)、自動采集微震信號，記錄并進(jìn)行各種濾波處理。

2）微震事件的自動備份。

3）自動定位微震事件。

4）自動進(jìn)行震源定位并在圖上顯示震源位置。

5）自動保存微震事件波形圖。

6）微震監(jiān)測系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置和修改。

7）地面操作微震監(jiān)測子站，包括啟動、重啟、停止等。

2.3 BMS微震監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

與國外同類系統(tǒng)相比，BMS微震監(jiān)測系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）系統(tǒng)采用區(qū)間分布式、區(qū)內(nèi)集中式的監(jiān)測方案，不僅可以監(jiān)測工作面頂、底板的巖層破裂（高頻、小能量破裂），還可以監(jiān)測礦井范圍的礦震、沖擊地壓、巖體破裂、斷層滑移等事件（中、低頻，大能量破裂）。因此，BMS微震監(jiān)測系統(tǒng)的使用范圍廣。

2）BMS微震監(jiān)測系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)配置2臺微震監(jiān)測子站，共24通道，可以布置24個(gè)測點(diǎn)，是國外同類設(shè)備通道數(shù)的2倍；最大可以接10臺微震監(jiān)測子站，共120通道。

3）BMS微震監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)字信號傳輸全部采用光纜網(wǎng)絡(luò)傳輸，以太網(wǎng)傳輸模式，信號傳輸安全、可靠、穩(wěn)定，足以滿足大型礦井信號傳輸要求。信號光纜成本較低，可以重復(fù)利用，且可以利用現(xiàn)有的井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)，井筒內(nèi)不用另鋪線纜，與國外的電纜傳輸相比，成本僅是其的20 %～25 %，且使用簡單可靠。

4）BMS微震監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測監(jiān)控，通過并入山東黃金集團(tuán)有限公司的集中化監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)遠(yuǎn)程監(jiān)測監(jiān)控；通過連入Internet網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)基于瀏覽器的web顯示和查詢，最大限度利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，節(jié)約通訊網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)費(fèi)用。

5）BMS微震監(jiān)測系統(tǒng)精度高，在水平和垂直方向的平均定位精度能夠達(dá)到10 m，遠(yuǎn)大于國外同類設(shè)備。采用外置式安裝和深孔安裝檢波器的方法，使檢波器的布置真正達(dá)到空間立體布置，從而保證了定位的高精度。

3 微震波形的分析

通過微震監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到的有效微震事件，可以發(fā)現(xiàn)其中大部分為爆破產(chǎn)生的巖體破裂，個(gè)別存在點(diǎn)柱壓力過大導(dǎo)致點(diǎn)柱斷裂。對其他巖體破裂異常事件，考慮是否為巖爆事件。

3.1 微震事件區(qū)分

當(dāng)微震事件記錄后，除了區(qū)分是否為有效微震事件，還要進(jìn)行有效微震事件的判斷：是巖體破裂事件還是爆破事件。因?yàn)閹r體破裂事件和爆破事件波形具有不同特征，所以這兩類事件可以從頻譜、延續(xù)時(shí)間、事件時(shí)間間隔、振動次數(shù)、振幅能量和頻率等方面進(jìn)行對比分辨。

以三山島金礦2022年12月18日4：19：52典型的點(diǎn)柱型巖體破裂事件為例，16#測點(diǎn)的事件波形圖中有4次明顯的振動波形，對這4次振動波形進(jìn)行頻譜分析可知，4段波形頻譜峰值分別為134 Hz、134 Hz、34 Hz和134 Hz。2022年12月18日4：19：52巖體破裂事件波形圖如圖2所示。

從振動頻率來分析，一般爆破的頻率為80～140 Hz，在此頻率下的振動對采場的穩(wěn)定性基本沒有影響。而在2022年12月18日4：19：52的巖體破裂事件中有的振動頻率僅34 Hz，低頻振動的危害性遠(yuǎn)大于高頻振動對采場結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，慶幸的是低頻振幅能量小（1 076 mV），持續(xù)時(shí)間較短，破壞性較小，未造成采場以外巖體的破裂，經(jīng)過及時(shí)排除險(xiǎn)情，采場的安全性得到了保障。

從振動波形時(shí)間間隔來看，巖體破裂事件間隔在很大的區(qū)間范圍內(nèi)變動，如圖3所示，震動波時(shí)間間隔分別為1.8 s、1.4 s和2.4 s，沒有明顯的規(guī)律。三段爆破時(shí)間間隔基本在0.5 s內(nèi)（如圖4所示），與礦內(nèi)使用半秒延遲爆破雷管相一致。

在振動次數(shù)方面，爆破與巖體破裂的微震特征也有明顯的區(qū)別，由圖3和圖4可知：在3 s內(nèi)爆破事件有5次振動，而巖體破裂事件在近6 s內(nèi)振動了4次；在振幅能量和頻率等方面，爆破振幅能量一般為10～2 000 mV，振動事件頻率分布于85～110 Hz，而巖體破裂則在近處的測點(diǎn)能收到大于5 000 mV的振幅能量，近處測點(diǎn)收到破裂的頻率為130～140 Hz，且?guī)в械皖l信號。爆破及巖體破裂微震特征對比如表1所示。

對照以上特征可以便捷地將爆破和巖體破裂的微震事件進(jìn)行區(qū)分，發(fā)現(xiàn)井下異常事件，指導(dǎo)礦山做好安全開采工作。

3.2 動壓微震波形分析

動壓微震事件波形與爆破、人為干擾、電干擾等波形有明顯的區(qū)別，從波形圖中可以看到明顯的振動波形，其次，波形圖中記錄下的振動波形之間時(shí)間間隔極短，振動波形未完全衰減，下次振動又至，振動波形和波形之間不易區(qū)分；一般情況下波形圖中記錄的振幅能量值不大，在100 mV左右。典型動壓微震事件波形圖如圖5所示。

對于連續(xù)的巖體破裂事件，一般沒有明顯的波形分界面，振幅能量值一般較?。ǘ鄶?shù)在100 mV左右），巖體破裂至一定程度會有大能量事件發(fā)生，前期的小能量振動事件危害性較小，但當(dāng)?shù)貞?yīng)力增加至一定程度，必然產(chǎn)生大能量事件，此時(shí)對采場穩(wěn)定性危害也較大。動壓大能量微震事件波形圖與連續(xù)巖體破裂小能量事件波形圖如圖6和圖7所示。由圖6和圖7可知：大能量巖體破裂事件振動峰值波形明顯，而小能量的巖體破裂事件窗口中的波形較分散，振幅能量值也較低。巖體在地應(yīng)力的作用下，產(chǎn)生持續(xù)的破裂，破裂產(chǎn)生的振幅能量不大，傳遞到距離最近的檢波器的振幅能量僅為179 mV。能量不同的動壓微震均具有振動時(shí)間長的特性。

4 巖爆危險(xiǎn)區(qū)域預(yù)警

BMS微震監(jiān)測系統(tǒng)可以準(zhǔn)確有效地監(jiān)測及定位采動造成的巖體破裂，并確定采場的三維應(yīng)力分布規(guī)律和高地應(yīng)力的分布區(qū)域，分析監(jiān)測到的微震波形，預(yù)報(bào)巖爆可能的發(fā)生區(qū)域。通過一段時(shí)間的監(jiān)測，結(jié)合礦區(qū)巖體破裂狀況，可能發(fā)生巖爆的情況有以下兩類：

1）裂隙發(fā)展導(dǎo)致的巖爆。微震事件發(fā)生時(shí)，如果順著某一破裂帶繼續(xù)發(fā)展，可能會導(dǎo)致采場結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，造成應(yīng)力積聚，發(fā)生巖爆。

2）微震事件數(shù)量異常或大能量事件增多。在某一時(shí)間段內(nèi)，如果突發(fā)大量的微震事件，產(chǎn)生能量顯著增多，說明采場內(nèi)巖石活動劇烈，可能導(dǎo)致巖爆發(fā)生。

三山島金礦直屬礦區(qū)井下生產(chǎn)實(shí)行2天內(nèi)安排3個(gè)班組的生產(chǎn)組織方式，一個(gè)采場通常1天爆破1～2次。在微震監(jiān)測系統(tǒng)的測點(diǎn)監(jiān)測范圍內(nèi)（在200 m內(nèi)監(jiān)測效果較好），震源距測點(diǎn)的空間位置等爆破巖體振動信息均能監(jiān)測到。三山島金礦直屬礦區(qū)采用微差光面爆破，能達(dá)到爆破時(shí)減小對上盤巖體及頂板穩(wěn)定性影響的目的。從本次監(jiān)測的巖體破裂位置方面看，巖體破裂的點(diǎn)基本都在采場內(nèi)部（如圖8所示）。因此，目前的生產(chǎn)方式對礦體圍巖影響較小。

5 結(jié) 論

1）研制了新一代適用于海下安全開采監(jiān)測預(yù)警的BMS微震監(jiān)測系統(tǒng)，采用“分布式與集中式”相結(jié)合的設(shè)計(jì)理念，實(shí)現(xiàn)了既能夠監(jiān)測小范圍礦柱失穩(wěn)和采場頂板的斷裂，又能夠監(jiān)測上盤因開采導(dǎo)致的巖層移動的目標(biāo)。

2）微震監(jiān)測結(jié)果表明，三山島金礦目前的海下開采是安全的，海下采場的設(shè)計(jì)參數(shù)是合理的，不會出現(xiàn)海水潰入的危險(xiǎn)。

3）BMS微震監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用，可以更好地監(jiān)測巖體的微震事件，分析微震波形，定位微震發(fā)生位置，指導(dǎo)礦山開采，預(yù)防巖爆的發(fā)生。

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Application of BMS microseismic monitoring system in deep rock mass stability monitoring

Abstract：With the gradual extension of mining operations into deeper levels，minor rockburst phenomena have emerged，posing risks of instability in mining pillars and roof caving induced by rockbursts within the production area.Based on the actual geological conditions of deep ore bodies and surrounding rocks in Sanshandao Gold Mine，a new generation of microseismic monitoring system has been developed，in order to establish a mine early warning system.This system can effectively monitor faint seismic signals associated with the instability of mining pillars and roof caving in the mining area，analyze microseismic waveforms，and detect occurrences of rockburst events，providing basis for the safe mining of deep rock mass.

Keywords：deep mining;rock mass stability;rockburst;microseismic monitoring;waveform analysis