1、第25卷第10期巖石力學與工程學報V ol.25 No.10 2006年10月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Oct.,2006大規模深井開采微震監測系統站網布置優化唐禮忠1,楊承祥2,潘長良1(1. 中南大學資源與安全工程學院,湖南長沙 410083;2. 銅陵有色金屬集團公司冬瓜山銅礦,安徽銅陵 244031摘要:冬瓜山銅礦是我國目前開采深度最大、具有巖爆危害的大型硬巖金屬礦山。采用微震監測系統實現該礦巖爆的實時監測和預報,為此,進行微震監測系統站網布置優化研究。分析該礦采用多盤區多采場同時開采條件下的巖爆分布特點,確定微

2、震監測系統的監測范圍;針對監測范圍、井下巷道工程和微震監測系統技術性能,設計多個微震監測系統傳感器站網空間布置方案,對各方案計算事件震源定位誤差和系統靈敏度;在綜合分析計算結果、工程條件和經濟性的基礎上,確定滿足該礦首采區微震監測要求的最佳監測系統配置方案;系統建立之后進行事件震源定位精度和靈敏度測定的爆破試驗,證明該監測系統站網布置滿足礦山監測要求,保證監測數據的可靠性和有效性。關鍵詞:采礦工程;深井開采;巖爆;微震監測網;震源定位;靈敏度;優化中圖分類號:TD 231.18 文獻標識碼:A 文章編號:10006915(200610203607OPTIMIZATION OF MICROSEI

3、SMIC MONITORING NETWORKFOR LARGE-SCALE DEEP WELL MININGTANG Lizhong1,YANG Chengxiang2,PAN Changliang1(1. S chool of Resources and Safety Engineering,Central South University,Changsha,Hunan410083,China;2. Dongguashan Mine of Tongling Non-ferrous Metal Group Company,Tongling,Anhui244031,ChinaAbstract:

4、Dongguashan Copper Mine is the deepest metal mine which has strong rockburst hazard in China. A microseismic monitoring system is established to monitor and predict rockbursts in real time in the mine. Therefore,the optimization of distribution of microseismic network is carried out. The characteris

5、tics of rockburst distribution caused by simultaneous excavation of multi-panel and multi-stope are analyzed to determine the monitoring area. Many schemes of distributions of microseismic networks are designed in terms of the monitoring area,the underground drifts and technical characteristics of t

6、he seismic monitoring system in the mine. The errors of source location and system sensitivities associated with these schemes are calculated. The optimum distribution of the microseismic network is gotten by synthetic analysis of the calculation results,engineering conditions and economical efficie

7、ncy. After the system is established,some in-situ tests are made to measure the errors and sensitivities,and the results confirm that the optimum distribution meets the requirement of seismic monitoring in the mine,and the monitoring data are reliable and valid.Key words:mining engineering;deep well

8、 mining;rockburst;microseismic monitoring network;seismic source location;sensitivity;optimization收稿日期:20050518;修回日期:20060223基金項目:國家“十五”科技攻關項目(2004BA615A04;國家自然科學基金重大項目(50490274作者簡介:唐禮忠(1963,男,1984年畢業于重慶大學礦山工程物理專業,現任教授,主要從事巖土工程結構穩定及工程地質災害防治等方面的教學與研究工作。E-mail:lztang第25卷 第10期 唐禮忠等. 大規模深井開采微震監測系統站網布置優化

9、 2037 1 引 言微震監測在國外特別是南非、加拿大等國的深井礦山,已作為礦山安全的重要措施1,而在我國僅有極少幾個礦山曾進行微震監測,如門頭溝煤礦1980年曾采用波蘭SYLOK 微震監測系統2,興隆莊煤礦1990年曾采用澳大利亞產地震監測系統3,凡口鉛鋅礦2004年引進加拿大ESG 微震監測系統4等。隨著我國深井開采礦山的日益增多,微震監測系統必將在我國礦山安全生產中得到越來越多的應用,急需開展相關研究。地震傳感器站網的空間布置是影響微震監測數據可靠性和有效性的關鍵因素5,國外有從事震源定位精度和系統靈敏度并對其進行優化的研究5,6,但文獻較少;國內雖有文獻涉及但無研究內容和方法介紹4。實

10、際上,必須綜合多種因素才能得到最優的傳感器站網布置,因此,針對礦山實際進行該項研究,可以豐富和發展礦山微震監測系統站網優化方法,更有效地指導礦山微震監測系統的建設。冬瓜山銅礦是我國目前開采深度最大的硬巖金屬礦山。研究發現其礦巖具有巖爆傾向性,隨著開采規模的擴大,其巖爆強度和頻率也會增大7,8,故需確定建立微震監測系統以實現對巖爆的連續監測和實時預報 9,10。本研究對冬瓜山礦巖特性和采礦工程中巖爆前期研究成果、實際工程條件、監測系統技術性能以及震源定位精度和系統靈敏度等進行了綜合分析,實現了冬瓜山微震監測系統傳感器站網空間布置的優化。實踐證明,建立的微震監測系統達到了預期的目標。2 監測區域的

11、確定礦區主礦體位于背斜的軸部,高程為-680-1 000 m ,大部分位于-730 m 以下,礦體走向35,長1 820 m ,水平投影寬度204882 m ,厚度為3050 m ,礦體呈下凹形,但中部厚大,沿兩翼及走向向外逐漸變薄并尖滅。該礦體呈似層狀,產狀與圍巖基本一致,與背斜形態吻合,其傾向隨圍巖產狀分別向北西和南東傾斜,傾角一般約為20。采用階段空場嗣后充填法開采,礦體劃分為盤區,盤區走向垂直礦體,其寬度為100 m 、長度為整個礦體傾向長度為300600 m 。例如,如圖1所示按5254,5456勘探線劃分盤區,復數勘探線下預留盤區隔離礦柱;盤區劃分為采場,采場長度 80 m 、平行

12、礦體走向,寬度18 m ,高度為礦體厚度;采用礦房礦柱兩步驟回采、礦區開采結束后回采盤區隔離礦柱的回采順序。圖1 首采區段盤區和采場布置平面圖(-670,-730和-790 m 中段投影圖Fig.1 Layout of panels and stopes of the first mining area (projection of -670,-730 and -790 m level通往-790 m-730 m 沿脈58勘探線56勘探線 55勘探線 54勘探線 53勘探線52勘探線 通-790 m通-730m縱9縱7縱5縱3縱157勘探線 -790 m 回風道2038 巖石力學與工程學報 2

13、006年礦山設計生產規模4.0107 t/a ,采用多盤區、多采場同時開采,開采規模大、作業點多、巷道及采空區分布復雜。礦床開挖后采空區周圍具有發生巖爆的可能性,而且有巖爆可能的位置分布很廣,很難預測巖爆發生的確切位置7,8,因此,微震監測區域應該含蓋采區內主要的作業區礦柱和圍巖。根據礦山生產要求和經費預算,確定微震監測系統建立以全面規劃、分期建設,滿足不同時期的生產安全要求,最終建成滿足全礦區監測的需要為基本原測11。在微震監測系統建設初期,以首采區段為監測對象建立監測系統,隨以后開采的進行再進行擴展。因此,初期監測區域必須包括整個首采區及其開采影響區域。首采區位于5258勘探線、-850

14、m標高以上礦段。圖2,3所示分別為53,58勘探線剖面。圖2 53勘探線剖面 Fig.2 Exploration section 53圖3 58勘探線剖面 Fig.3 Exploration section 583 傳感器位置布置方案擬定首采區段礦體上部巷道是各穿脈巷道和沿脈巷道,見圖13。52勘探線以西和58勘探線以東穿脈巷道尚未形成,因此可供利用的上部巷道中有51,53,55,57勘探線穿脈及上部沿脈巷道,依據礦體賦存深度不同,這些巷道位于不同的深度水平,其下部對應于采場頂板,距礦體的距離大多在20 m 左右。由于礦體是緩傾斜礦體,監測區內的礦體埋深變化不大,考慮到礦體上部巷道離礦體很近,

15、為使測點形成較好的空間分布,在這些巷道內向上布置鉆孔用于安裝地震傳感器,一維傳感器安裝深度有的達40 m ,三維傳感器的安裝深度為10 m 。首采區礦體下部有-790,-850和-875 m 水平上的巷道, 但-790,-850 m 距礦體的距離太小,局部地方已穿過部分礦體,不宜布置鉆孔,而-875 m 水平的巷道距礦體較遠,因此,在該水平巷道內向下或向上鉆孔用于安裝地震傳感器,從降低噪聲干擾和施工要求考慮,其深度達10 m 。引進南非ISSI 公司的ISS 微震監測系統以建立冬瓜山深井開采微震監測系統。該系統由QS(quake seismometer接收從與其相連的地震傳感器傳輸來的地震模擬

16、信號并將其轉換成數字信號,然后將數字信號傳輸給監測記錄控制中心12,13。每個QS 具有6個通道,距與其相連的傳感器間的距離應小于300 m 。結合該礦的地下工程條件,擬定采用16個地震傳感器(其中4個三向、12個單向和20個地震傳感器(其中5個三向、15個單向兩種系統硬件配置方案,并對此在不同空間坐標上設計了15種地震傳感器空間布置方案,供計算分析。4 事件定位精度和系統靈敏度分析4.1 理論簡介設地震事件震源未知數:T 0000z y x t ,=x (1式中:0t 為地震事件發生的時間;0x ,0y ,0z 為地震事件發生的三維坐標。A. Kijko 和M. Sciocatti 6,14

17、認為傳感器測站位置的優化取決于x 的協方差矩陣x C :1T (=A A C x k (2式中:k 為常數,A 值表示為=0001010111z y x z y x n n n T T T T T T A M M M M(3 式中:i T (i = 1,L ,n 為計算得到的地震到時,n 為傳感器測站數。該協方差可用置信橢球體進行圖形解釋,協方礦體礦體縱10-670 m -730 m-790 m -850 m-875 m縱8縱6縱4縱2礦體礦體縱10 縱8縱6縱4縱2-670 m-730 m -790 m -850 m-875 m第25卷 第10期 唐禮忠等. 大規模深井開采微震監測系統站網布

18、置優化 2039 差矩陣的特征值構成橢圓主軸的長度。求解測站優化即求解使該橢球體體積最小的測站布置。由于該橢球體體積與協方差矩陣特征值的乘積成比例,因此,對監測網所記錄到的所有地震事件,優化的測站位置應使下式最小化:=e n i i t i z i y i x i h p obj 1(min 0000h h h h h (4式中:e n 為地震事件數,位于將被監測的地震活躍的區域;(i h p h 為震源為Ti i i i z y x ,=h 的事件的相對重要性,可以是一個事件出現在該位置鄰域的概率函數;(0i h x 為x C 的特征值。在實際礦山設計微震監測站網時,可根據礦山實際情況設計多

19、個測站布置方案,利用上述方法繪制每種測站布置方案對應的地震事件參數T 0000z y x t ,=x 的標準誤差圖,從中確定最優測站布置方案。S. J. Gibowicz 和A. Kijko15表示震中位置的標準差為(5 式中:ij (x C 為矩陣x C 的(i ,j 元素。由式(5繪制的期望標準差圖形是事件震級的函數,即該圖形表示了震級為L M 、震源坐標為i h 的地震事件的震源定位標準誤差。在給定的開采區域,可以將事件震級L M 與其可測距離r 相聯系,采用該距離范圍內的所有測站來計算震中和震源深度的期望誤差16。經驗表明,要獲得震級為L M 的地震事件的可靠震源定位測量值至少需要5個

20、測站記錄到該地震事件,如果只有不足5個測站記錄到該事件,則認為監測系統沒有記錄到該事件。因此,可計算從點i h 到第5個最近測站之間的距離,然后將該距離轉換成地震震級。但是,由于5個測站記錄一個事件并不能確保具有良好的定位誤差,因為5個測站的監測網可能具有非常差的幾何分布,如呈扁平的分布形式等。因此,理想的微震監測系統測站網布置必須具有良好的靈敏度和定位誤差。 4.2 計算結果本文對擬定的15個方案進行了震源定位精度和系統靈敏度計算。計算中,根據該礦礦巖聲學特性試驗結果,取P 波波速為5 500 m/s ,誤差為150m/s ,P 波到時誤差為1.5 ms ;繪制定位精度圖時,取震級L M =

21、 1;繪制靈敏度圖時,取最小有效測點數為5位,地震傳感器能分辨的最小峰值質點速度為0.02 mm/s 。以第2個傳感器空間站網布置方案為例說明計算結果及分析。該方案中,在礦體上部,在53和57勘探線穿脈巷道的頂板巖層中各布置了4個測站,共8個傳感器,其中,三維傳感器安裝孔深度10 m ,一維傳感器安裝孔深度40 m ;在礦體下部,分別在52,54,65和58勘探線穿脈巷道兩端的巖層中各布置1個測站,共8個傳感器,孔深均為10 m ,所有安裝孔均為上向孔。傳感器空間位置如圖4,5所示,圖中三棱體表示傳感器空間位置。圖4 首采區地震傳感器位置水平投影圖Fig.4 Horizontal projec

22、tion of sensors at the first mining area繪制不同深度的平面上地震事件震中坐標的期望標準誤差圖,如圖6所示。繪制可測震級的等值線圖表示監測系統的靈敏度空間分布,如圖7所示。圖6,7分別為該方案的震源定位誤差和系統2靈敏度分布圖,圖中分別示出5個不同深度水平上的定位誤差和靈敏度分布。采用不同顏色表示定位誤差和靈敏度,右下角的圖片分別是定位誤差和靈敏度的顏色標尺,定位誤差顏色標尺和靈敏度顏色標尺上的數字單位分別為m 和里氏震級;圖中的曲線背景圖是各平面上的巷道在-875 m 水平上的投影,僅作為水平位置坐標的參考。由圖6可知,隨深度增加,震源定位誤差小于或等于

23、812 m 的區域增大,其空間形態與從首采區礦體形態和賦存狀態是一致的,說明礦體及其圍巖基本上都處于震源定位精度高的區域,滿足定位精度要求;另外,也可看出,在首采區外圍不遠,震源定位精度衰減很快。因此,從震源定位精度來看,該傳感器空間布置方案既很好地滿足了定位精度的要求,也使微震監測系統經濟合算。由圖7可知,在礦體及其圍巖傳感器2040 巖石力學與工程學報 2006年圖5 首采區地震傳感器位置三維透視圖Fig.5 Three-dimensional perspective diagram of sensors at the first mining area圖6 震源定位誤差(顏色標尺上數字的

24、單位為mFig.6 Errors of locations of seismic sources(unit of numbers on color scale is in meter圖7 系統靈敏度(顏色標尺上數字的單位為里氏震級Fig.7 Sensitivity of monitoring system (unit of numbers on color scale is Richter magnitude方案2-72052線58線方案2-77052線58線方案2-850m 52線58線方案2-87052線58線方案2-67052線58線方案2 -670 m方案2-720 m 方案2 -77

25、0 m方案2 -850 m方案2 -870 m52勘探線58勘探線52勘探線58勘探線52勘探線58勘探線52勘探線58勘探線52勘探線58勘探線8.000 00012.444 445 16.888 890 21.333 334 25.777 779 30.222 223 34.666 668 39.111 115 43.555 557 48.000 000方案2-670m52線58線方案2-720m 52線58線方案2-770m 52線58線方案2-820m 52線58線方案-870m 52線58線方案2 -670 m 方案2 -720 m方案2 -770 m52勘探線 58勘探線52勘探線

26、58勘探線52勘探線 58勘探線方案2-850 m方案2 -870 m52勘探線58勘探線52勘探線58勘探線-1.900 00 -1.800 00 -1.700 00 -1.600 00 -1.500 00 -1.400 00 -1.300 00 -1.200 00-1.100 00 -1.000 00傳感器第 25 卷 第 10 期 唐禮忠等. 大規模深井開采微震監測系統站網布置優化 1.7，局部位置可 2041 中可測的事件最小震級為 M L = 達 ML = 1.9。在820 炮孔定位誤差分別約為 5，9 和 15 m。如圖 8 所示 為 2005 年 10 月 1 日在首采區內檢測到

27、的地震事件， 圖中球體表示地震事件，其中心坐標為震源位置， 大小與地震事件震級成比例，顏色表示不同時間段， 線段表示采礦坑道，該圖清晰表示出震源位置、事 件大小，說明這天首采區地震活動主要發生于礦體 內部及礦體上部圍巖，這與當天的開采活動是相符 的。上述研究表明，冬瓜山首采區地震傳感器空間 站網布置是合理的，滿足礦山微震監測的需要。 和870 m 水平上，雖然圖 形的中間位置區域的靈敏度較低，但由于這些位置 不在礦體及其圍巖范圍以內。因此，該傳感器空間 布置方案具有足夠的系統靈敏度。 對所有計算方案的計算結果按上述方法進行的 分析表明：(1 具有 20 個傳感器硬件配置方案相對 具有 16 個

28、傳感器硬件配置方案，其震源定位精度和 系統靈敏度雖有不同，但都滿足礦山微震監測對震 源定位精度和系統靈敏度的要求，而且前者相對后 者的震源定位精度和系統靈敏度沒有明顯提高。因 此，采用 16 個傳感器硬件配置方案更合理。(2 所 有計算方案的震源定位精度和系統靈敏度相差并不 很大。其主要原因是在擬定傳感器空間布置方案時， 必須考慮礦山實際工程情況和實現的可行性，從而 限制了傳感器布置的空間范圍，這使各計算方案中 的傳感器空間形態相差并不是非常大。由于傳感器 空間布置方案 2 中傳感器位置更好地利用了礦山有 工程，新增工程量相對較少，而且具有較好的施工 條件，因此，最終采用該方案作為該礦首采區微

29、震 監測系統站網布置方案。 6 討 論 冬瓜山銅礦是新建礦山，其微震監測系統設計 與采礦方法設計同步進行的。微震監測系統的首期 建設期間，礦區只形成部分巷道，同時由于該礦山 投產要求壓力大，不大可能為了微震監測系統的建 設增設較多工程，因此，要求系統監測網站布置必 須盡可能利用已有工程條件。由于該礦體為緩傾斜 的扁平礦體，其上部巷道距礦體很近，如將全部地 震傳感器直接布置在巷道圍巖中，則傳感器站網的 空間形態亦呈扁平形狀，這對事件定位是不利的， 因此，設計將礦體上部的地震傳感器布置于從巷道 內向上 40 m 深的鉆孔孔底。 為此， 選用主頻為 30 Hz 的低頻傳感器以保證傳感器能有效地監測到

30、礦區內 的地震事件。另外，如前所述，與一個 QS 連接的 傳感器必須在距該 QS 一定范圍以內，所采用的微 震監測系統技術性能也使布置范圍和方式受到限 制。可見，礦山可供微震監測系統安裝的工程條件、 礦體賦存形態和微震監測系統技術指標是微震監測 系統站網布置方案擬定首先要考慮的因素。 微震監測系統可靠性和有效性的衡量標準是事 件定位精度和系統靈敏度以及滿足震源定位精度和 系統靈敏度要求的監測范圍與監測對象是否一致， 5 檢測及應用 冬瓜山銅礦深井開采微震監測系統已于 2005 年 9 月初在該礦正式投產之前建成運行，實現了對 該礦首采區礦床開采中地震活動的連續監測。目前 每天檢測到冬瓜山礦區地

31、下各種地震事件 200 多 個，首采區礦體和圍巖內的各種地震事件幾十個， 最小地震事件的里氏震級為2.0 級。系統建成之 后，在首采區內 3 個不同位置進行了藥量為 1.5 kg 的小炮孔爆破，以檢測震源定位精度，對炮孔位置 測量值與微震監測系統計算值相比較，測定的 3 個 圖8 Fig.8 首采區地震事件位置三維透視圖 Three-dimensional perspective diagram of the location for seismic events at the first mining area 2042 巖石力學與工程學報 2006 年 因此，必須對每個方案進行該項計算和分

32、析。計算 中的關鍵參數是地震波波速。本項研究中沒有進行 礦區地震波波速的現場測量，計算用的地震波波速 是根據礦區典型礦巖室內聲學特性測試結果和巖層 賦存情況進行的平均處理，并考慮一定的誤差范 圍。但由于巖層為似層狀，分布形態較簡單，同時 各巖層總體上比較均勻完整，就實際檢測結果看， 震源定位精度雖存在一定誤差，但在許可的范圍之 內。為了使監測數據精度更好以及反映今后隨著采 空區增加及巖層活動而引起的地震波傳播速度場的 改變，應該及時利用已建立的微震監測系統進行礦 區波速場測量。 8 7 6 5 multi-channel microseismic monitoring system and i

33、ts application to Fankou Lead-zinc MineJ. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，24(12：2 0482 053.(in Chinese Mendecki A J. Seismic Monitoring in MinesM. London：Chapman and Hall Press，1997. Kijko A，Sciocatti M. Optimal spatial distribution of seismic stations in minesJ. Int. J. Rock

34、Mech. and Mining Sci. and Geomechanics Abstracts，1995，32(6：607615. 唐禮忠，潘長良，王文星. 深埋礦床井巷巖爆特性分析J. 礦冶 工程，2001，21(4：1921.(Tang Lizhong，Pan Changliang，Wang Wenxing. Analysis of the properties of rock burst of the workings in a deep ore depositJ. Mining and Metallurgical Engineering，2001， 21(4：1921.(in Chi

35、nese 唐禮忠，潘長良，謝學斌，等. 冬瓜山銅礦深井開采巖爆危險區 分析與預測J. 中南工業大學學報， 2002， 33(4： 335338. (Tang Lizhong， Changliang， Xuebin， al. Analysis and predication Pan Xie et 7 結 語 微震監測系統傳感器站網布置優化結果充分考 慮了冬瓜山礦區工程地質、現有工程條件、采用的 監測系統技術性能、震源定位精度和系統靈敏度以 及該礦微震監測目的、要求和投資大小等多種因素， 滿足該礦巖爆監測對微震監測系統的要求，為微震 監測系統監測數據的可靠性和有效性提供了保證。 所建立的微震監測系

36、統是我國礦山目前最先進的數 字化微震監測系統，不僅實現了對該礦開采過程的 巖體動態響應的連續監測，而且也必將成為我國深 井礦山開采巖石力學和礦山安全監控理論與方法研 究提供有益的研究平臺。 11 10 9 of rock burst dangerous areas in Dongguashan Copper Mine under deep well miningJ. Journal of Central South University of Technology，2002，33(4：335338.(in Chinese 唐禮忠. 硬巖礦床巖爆監測方法選擇與系統設計J. 中國礦業， 2003，

37、 12(4： 2635.(Tang Lizhong. Selection of method and design of the system of rock burst monitoring for hard depositJ. China Mining Magazine，2003，12(4：2635.(in Chinese 唐禮忠，潘長良，謝學斌. 深埋硬巖礦床巖爆控制研究J. 巖石 力學與工程學報，2003，22(7：1 0671 071.(Tang Lizhong，Pan Changliang，Xie Xuebin. Study on rockburst control in deep

38、-seated hard ore depositJ. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2003，22(7：1 0671 071.(in Chinese 唐禮忠，潘長良. 大型深埋硬巖礦床巖爆監測系統方案研究J. 金屬礦山， 2002， 317(11： 1013.(Tang Lizhong， Pan Changliang. Study on scheme of rock burst monitoring system of deep-laying hard ore depositJ. Metal Mine，2002，317(11

39、：1013.(in Chinese 參考文獻(References： 1 Ortlepp W D. RaSiM comes of agea review of the contribution to the understanding and control of mine rockburstsA. In：Potvin Y， Hudyma M ed. Controlling Seismic RiskC. Nedlands：Australian Centre for Geomechanics Press，2005. 320. 2 魯振華，張連成. 門頭溝礦微震的近場監測效能評估J. 地震， 1989，(5：3239.(Lu Zhenhua，Zhang Liancheng. Evaluation of near-field microseismic monitoring efficiency of tremers in Mentuo