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基于微震技术的矿山地压活动监测及预警研究

发布日期:2020-09-14  来源:金属矿山  作者:张尔辉  浏览次数:195
         针对传统微震监测系统安装复杂、监测范围有限、定位精度低、处理速度慢等问题,利用一种新型的微震监测系统(KJ549 微震监测系统)进行了矿山动力灾害(岩爆等)监测预警研究。以山东某矿 19 中段(-59m)和 20 中段(-630 m)为例,结合深部地压活动现状与现场施工状况,在两个中段各布置了 6 个检波器,实现了对整个待采区的全范围、实时、连续监测。基于高精度微震定位,实现了对微震数据的多维度展示和统计分析。同时,结合试验现场地质与采掘活动情况,对潜在危险区域进行了圈定和危险等级划分,并提出了应对措施。研究表明:该矿受采掘、爆破、行车等采矿活动的影响,10 号线西穿脉到 34 号线西穿脉范围内有 4 个高危险潜在区域,这些区域应作为重点关注区域,针对高危险潜在区域,应加强监测和现场巡查,及时发现问题、解决问题。研究成果为该矿解决了地压监测困难等实际生产问题,为矿山人和设备提供了安全保障,并且验证了 KJ549 微震监测系统在矿山地压监测中的适用性,对于实现矿山动力灾害监测预警具有一定的参考价值。矿山动力灾害作为矿井中最严重的自然灾害之一,是一种岩体中聚积的弹性变形势能在一定条件下突然猛烈释放,导致岩石爆裂并弹射出来的现象[1]。

目前,随着我国金属矿山开采深度不断增加,动力灾害呈现越来越严重的发展态势,给矿井安全生产和职工的生命安全造成了极大威胁。矿山动力灾害的微观解释为微震活动规律异常导致应力分布不均,进而诱发的片帮、岩爆、塌方等灾害。因此,掌握矿山微震活动规律对于控制动力灾害,进而达到防灾减灾的目的具有重要意义。我国学术界对矿山微震活动问题一直非常重视,不少学者针对微震的实时监测进行了多方面研究。2004 年,我国金属矿山首套微震监测系统建成并投入使用[2];随后,杨志国等[3]、唐礼忠等[4]先后将微震监测系统应用于冬瓜山矿。2014 年,曹玲玲等[5]在已有的监测技术及监测系统的基础上提出了基于 ARM 和 FPGA 的高精度矿山微震监测系统,并成功应用于实际工程中。随着微震监测技术不断完善,监测精度不断提高,数据越来越复杂化,对微震信号处理方法要求也越来越高。朱权洁等[6]在前人研究成果的基础之上,基于小波理论,探讨、验证了矿山微震信号的分形特征,并确立了相关的无标度区间及分形盒维数算法;该课题组[7]通过对处理后的微震事件进行二次优化,提高了微震定位精度;程浩等[8]在已有微震定位成果的基础上,在分层阈值上增加分层自适应因子,提出了一种新的分层自适应阈值方法,进一步提高了微震定位精度。微震信号的处理、分析和反馈结果对工程实践具有重要意义,对此,郑超等[9]基于已有的微震监测资料,分析了矿山深部开挖条件下的围岩裂隙损伤演化机制;杨天鸿等[10]利用微震监测数据结合应力场分析实现了矿山岩体强度参数动态标定;唐礼忠等[11]、黄维新等[12]将微震监测技术应用于冬瓜山矿区井下震动监测,分析了定位精度和系统灵敏度,实现了矿山安全管理。为了将微震监测和数据分析结果更好地服务于矿山动力灾害的预测预警,张海明等[13]基于微震监测技术实现了岩爆危险区域预报、采场安全等级划分、断层突水预测;冯晓东等[14]根据微震监测的前兆信息,对矿柱张性裂纹产生进行了成功预警;Luo等[15]利用微震监测技术建立了损伤岩体的多场耦合模型,并利用该模型对采场岩体失稳进行了预测。随着科技的进步,微震监测系统逐渐得到革新。早在 20 世纪 50 年代,第一代地震仪(模拟光点记录地震仪器)被应用于工程地质勘探工作中;20世纪 60年代初,模拟光点记录地震仪器被模拟磁带记录地震仪取代;20世纪 70年代初,科技发展进入数字化时代,集中控制式数字磁带地震仪器也随之产生;20世纪 70年代中期,遥测地震仪开始问世,并广泛应用于实际工程中[16]。传统的微震监测技术和微震监测系统能在一定程度上实现矿山微震活动监测,并得到有效的微震信号。然而,传统的微震监测系统一方面监测范围有限,不能针对大范围的区域进行有效监测,且无法适用于复杂的地质构造区域;另一方面,传统的微震监测系统不能实现全自动的信号处理和解释,需要人工操作完成,导致分析结果受人为因素影响而产生误差,且人工处理效率低,质量差。KJ549 微震监测系统在传统监测系统技术特征的基础上进行了大量改进,克服了传统监测系统的技术弊端,实现了大范围、高精度、全自动的技术革新。本研究基于 KJ549 微震监测系统对山东某金矿19中段(-590 m)和 20中段(-630 m)进行了矿山微震实时连续监测,实现了矿山动力灾害的有效预测预警。

KJ549 微震监测系统具有良好的定位功能,精度高、功耗低、调试简单;具有快速传输和计算功能,各路信号具备实时、同步、连续、动态滚动显示完全波形的功能;能够完整保存采集和分析数据,具有数据、图像的显示和输出功能;此外,该系统安装、维护简单。以山东某金矿为研究对象,进行了系统现场安装、优化设计、应用研究,认为 KJ549微震监测系统能有效应用于金属矿山地压活动监测,其各组件技术特征可达到预定的监测精度要求,为该矿井建立了有效的地压监测系统。确定了该矿 10号线西穿脉到 34 号线西穿脉范围内有 4 个高危险潜在区域,这些区域应作为重点关注区域。根据本研究地压监测分析结果,矿山技术人员应加强对-590 m和-630 m中段之间采场的现场巡查;重点注意爆破之后应力重新分布过程中爆破区域内岩体的稳定性,及时清理采场顶板浮石,保障作业安全;加强现场施工管理,严格遵守安全作业规程,提高安全意识,若发现岩体变形、片帮等异常现象,应及时采取加强支护等措施。随着矿山开采深度日愈增加,地压活动规律愈加复杂化,对监测技术和监测设备的要求也越来越高。对 KJ549微震监测系统升级优化,可进一步推广应用于复杂地质构造、不同开采区域,对于确保矿井安全生产将会发挥更大的作用。

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