IMS微震监测技术在漂塘钨矿的应用

李海港，龙卿吉

(1.北京科技大学，北京 100083；2.江西省安全生产科学技术研究中心(江西省工业安全工程技术研究中心)，江西 南昌 330030；3.北京矿冶研究总院，北京 100160；4.江西省安全生产监督管理局，江西 南昌 330030)

漂塘钨矿地处享有“世界钨都”美誉的江西省大余县境内，经过八十多年的开采，目前漂塘矿区已形成了+676、+616、+556、+496、+448、+388、+328、+268和+208共九个中段，采矿方法主要有浅孔留矿法和阶段空场法。随着开采时间的增加，漂塘矿区采空区体积越来越大，矿区原有的地应力随开采不断地发生变化、调整。矿区各中段不同程度的出现了裂缝、顶底板下沉、巷道变形、及冒顶片帮等地压事件，矿区中东部区域地压显现更为明显，对矿区人员生命财产构成较大安全威胁。深埋矿床开采的关键技术问题之一是高地应力环境诱致的地压问题，包括采场地压和井巷地压问题，难采难支护、甚至诱发岩爆和矿震等动力地质灾害已成为深部、高应力矿床开采的基本地压特征。微震监测技术作为一种先进的和行之有效的地压监测手段，在国外的高地应力矿山得到了广泛的应用[1-4]。本研究在前期微震监测技术试验研究的基础上，针对矿山岩体失稳的安全隐患问题，对IMS微震监测技术的实际效果进行试验验证分析。

1 IMS微震监测技术

“IMS”是Institute of Mine Seismology(南非矿震研究院)的简称，该公司自主研发的IMS高精度微震监测系统，是一个技术先进的数字化、智能化、高分辨率地震监测系统。具有在线地震信息处理，分析和可视化功能。该系统易于使用，可在Microsoft Windows或Linux操作系统下运行。该系统基于模块化设计，易于扩展和系统升级，并提供全天候24小时技术支持，在矿山微震监控领域处于全球领先地位。

2 IMS微震监测系统的设计

2.1 微震检波器

微震检波器是IMS微震监测系统中的核心设备之一，微震检波器通过将岩石运动(岩石速度或加速度)转换成一个可衡量的电信号来衡量微震活动中释放的能量及相关参数。根据检测原理不同，检波器分为速度检波器、加速度检波器和力平衡检波器。IMS微震网络可以是速度、加速度和力平衡检波器的任意组合，同时每种检波器有单向(通道)的和三向之分，单向检波器主要检测来自Z轴方向的岩石运动和变化。而三向检波器则可以监测X、Y和Z轴三个方向的岩石运动和变化，所以三向检波器能对微震事件的源进行最精确的检测，从而使得微震事件源的定位更精确。漂塘矿区IMS微震监测系统的检波器是速度型检波器，包含单向和三向检波器的阵列组合。

2.2 系统设计

根据微震监测经验，检波器间距150～200m左右技术经济比较合理，漂塘矿区中段间距一般为60m左右，根据系统微震检波器本中段可以兼顾相邻中段数据的监测特点，设计在矿区+496、+388和+268中段分别安装5台单通道检波器和1台三通道三向检波器，整体监测漂塘矿区多个中段的地压微震事件，检测器的三维立体分布如图1所示，根据图示设置检波器阵列，可以计算得出系统对事件监测的灵敏度(能监测到最小震级的事件)，如图2所示。由图2可知，事件最大矩震级为-0.85，最小为-2.25，最大与最小事件的强度相差超过50倍，事件矩震级最小为-2.25表明微震监测系统具有良好的灵敏度。

图1 微震检波器在漂塘矿区三维立体分布

图2 中段区域微震事件灵敏度(俯视图)

3 IMS微震监测系统的运行

3.1 系统的运行

IMS地压微震监测系统自运行以来，系统监测到了发生在井下各中段的十几万个事件，平均每个月监测到的事件数量有10000个，其中80%是干扰和噪声，5%左右的是爆破事件，而剩余15%则是监测到井下的微震事件，整个井下微震事件主要聚集井下各中段开采区域附近，主要分布在328、388和268中段的西部开采区域，监测到最大震级为1.6的微震事件发生靠近328中段，微震事件分布如图3所示。

3.2 系统监测的波形

IMS地压微震监测系统监测到井下多种波形，但主要有以下几种：噪音波形、测试触发波形、三通道检波器X和Y通道出现问题的波形、三通道检波器Z通道被干扰的波形、正常的微震事件的波形、两个同时到达的微震事件波形和爆炸事件波形等。

3.3 微震事件波形的处理

监测事件应力波的检波器的数量取决于事件震级和释放能量的大小，同时也取决于检波器的三维立体分布，一般来说，检波器位置距离微震源越近，就越容易检测到应力波，检波器网络阵列越密，事件监测效果就越好[5-8]。

除了常规的微震事件，矿区还有爆破、噪声和干扰事件，针对这些事件，IMS微震软件会进行预处理、模型匹配，将一些无用的事件过滤，重点对微震事件进行分析处理，根据检波器检测到应力波到达的时间顺序，微震软件会将每个检波器检测到的应力波形(包括P波和S波)通过原来采样的时序呈现出来，如图4所示。

图3 微震事件分布 (左图：震级>0级，右图：震级>-4.0)

图4 微震事件波形及微震处理软件

3.4 事件的定位

事件的定位主要依赖于P波和S波到达检波器时刻的确定，针对特征明显的应力波，软件可以自动检测P波和S波到达的时刻(图5)，对于较为复杂、特征不明显需要有经验的工程师确认到达时刻；同时越多检波器检测到事件的应力波，就能获得越精确的定位。

根据P波和S波的传播速度差和到达检波器的时间差，可以计算得出微震事件源距离检波器的距离，多个(至少三个以上)检波器在三维立体空间可以计算出微震事件源的大概位置，检波器越多，事件定位越精确，如图6所示。

图5 微震事件P波和S波到达时刻的确定

图6 多个检波器定位事件三维位置

4 结论

IMS微震监测系统自在漂塘钨矿运行以来，每天24小时对矿山岩体进行微震监控，成功对危险区域进行预警，为矿区安全生产和开采方案的制定提供了依据。

1) 对岩体不稳定性实现了三维定位。通过对各中段进行24小时在线实时监测，系统对岩体不稳定位置实现了三维立体定位。

2)对于矿区重点监测区域的岩体活动，微震事件定位精度在5～10m。事件定位的精确度越高，将越有利于正确分析和评估矿区的地压变化规律，对于矿山安全生产具有很现实、具体的指导作用。

3) 对可能的地压灾害提前发出预报预警。系统经过微震数据分析，可做出岩体稳定性的综合性评估，对可能发生的安全威胁进行预警预报。

4) 实现了网络远程控制和实时数据传输，便于异地随时查看系统运行状态和生产区域岩体活动状况，掌握最新的岩体活动情况。

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