浅谈采空区地压监测(微震监测)在矿山上的应用

浅谈采空区地压监测（微震监测）在矿山上的应用
【摘要】本文介绍建立适合矿山实际情况的地压监测网，进行长期有效的地压监测，这能对矿山的地压灾害予以提前预警预报，有利于矿山企业进一步采取对策措施，避免灾害性事故发生。

【关键词】采空区；微震；矿山之星
该矿山经过多年的开采，井下形成大大小小数十个采空区，虽然该矿使用的采矿方法允许围岩崩落和地表塌陷，但部分采空区对采空区顶部或附近的建筑物或道路形成一定的危险，且某些采空区对井下工作面也构成一定的威胁。

对今后的生产带来一定的安全隐患。

因此，有必要对采空区冒落以及地面沉降（或地表塌陷、地表变形）等采空区引起的地质灾害进行有效的监测和预警，保证井下工作面、地表工业场地的安全生产，以及地表建筑物和道路的行人安全。

1 概述
岩体在破坏之前，大多以弹性波的形式释放积蓄的能量（即发生微地震），这种能量释放的强度，随着结构临近失稳而变化。

所以每一个弹性波（微震波或声发射波）都包含着岩体内部状态变化的丰富信息。

若在破坏区域周围以一定的台阵形式布置一定数量的传感器，组成传感器阵列，当监测体内出现微震时，传感器即可将微震信号拾取，并将这种物理量转换为电压量或电荷量，通过多点同步数据采集测定各传感器接收到该信号的时刻，连同各传感器坐标及所测波速代入方程组求解，即可确定微震震源的时空参数，达到定位之目的。

对微震源进行精确定位是该方法的关键技术之一，参见图1。

微震监测技术能够实时、长期、靠近震源监测大范围岩体变形破坏，准确定位震源发生时间、空间位置、微震释放能量、微震体变势、微震尺寸等。

通过记录、统计、分析微震事件的诸多参数的时间和空间中的分布，并利用定量地震学、统计地震学、工程地震学的理论方法，通过矩张量分析，明确微震事件的性质（剪切、张拉、复合）以及众多微震事件在时空中的演化，黏度性、扩散性等，实现灾害发生空间、时间的概率性预警和分区分级评估。

2 对采空区实施微震监测，主要目的为
（1）利用微震监测系统在三维空间中对采空区整体稳定性实施全过程的监测预警；
（2）以月和年等为单位，实现采空区稳定性评估，利用采空区震害等级等参数对采空区进行分区分级管理；
（3）实时显示微震事件的时间、地点、震级等基本参数，可设定预警值；
（4）分析确定采空区失稳的机理分析：张拉、剪切、复合等的；
（5）计算微震事件的尺度和微震破裂面的方位等参数；
（6）基于微震监测结果，统计计算采空区微震时间空间演化的规律；
（7）根据微震事件空间分布，参考矿山地质资料，统计分析可能引起采空区不稳定性的已知或未知构造等；
（8）与以点为主的传统观测系统获取的参数结合进行综合分析；
（9）评估采空区周围的工程施工对采空区稳定性的影响；
（10）可运用微震监测的方法评估采空区治理措施的效果。

3 微震监测采空区比较成功涉及到的几项关键技术
1）采空区微震传感器带宽、台阵布置、降噪滤波信号提出了更高的要求。

因为采空区的破坏事件张拉型为主、微震活动产生的微震事件能量较低（有的可能只有几个J）、岩层经历过采动影响，信号衰减快。

2）三维射线追踪技术技术处理矿山复杂的微震波速场。

由于采空区和各种地下洞室等的存在，以及矿山施工的扰动的影响，岩层波速场比较复杂，微震直线传播定位误差较大；
3）减少靠近采空区的机会，智能化的微震系统便于运行管理。

智能传感器内置倾角传感器，便于深孔安装和自检。

智能化不间断电源，确保数据采集。

基于TCP/IP的网页式设备配置和实时工作状态显示。

4）监测可能涉及采空区地面的影响监测。

考虑地面布置微震传感器时，传感器、数采等布置受现场供电和通讯限制较多，通讯方式可能是DSL、无线WIFI 等为主，设备低能耗、便于维修、高可靠性十分关键。

数据存储备份、防雷、防潮、接地等问题必须解决；
5）数据处理分析与可视化和合理使用。

快速、自动、手动、三维射线追踪定位等方法对采空区微震事件进行深入研究，获得微震时间、地点、体变势、能量等参数；微震活动性参数：事件时间间隔、微震事件空间间隔、累积能量、累积体变势等。

预警的参数包括：累积视体积、能量指数、微震施密特数、微震黏度、微震扩散度等参数。

6）计算采空区微震应力、微震应变、微震位移等相关参数，与岩石力学建
立联系、等值线图和云图等显示微震位移、微震应力、微震应变、微震峰值速度等，便于用户理解微震成果和决策。

4 案例引入，说明原理
成功为某铁矿采空区提出了微震监测方案与定位精度分析。

该铁矿采空区平面投影图与剖面图如图2所示。

该铁矿定位精度分析图如图3所示。

地下采空区因为存在大量的地下空间，微震波传播呈现复杂特点。

振动所根据矿山和边坡等复杂波速场，研发了三维射线追踪定位技术。

三维射线追踪定位和常规直线假设定位的比较，如下：
1）和达分析（Wadati analyse）获得的地下空区及围岩的波速场，建立波场模型，比直线假定的均匀介质说更为可靠和现实，
2）事件（震源）三维射线追踪定位处理，相比直线假定说更加准确。

3）三维射线追踪定位相比直线假定位置更合理，表现在事件（震源）数量上的差别就是直线假定会多出若干事件，因为可能将一次事件当做两次或者多次来记录。

如图3所示，图中棕色点为常用的微震波直线传播假定的定位结果。

绿色点为微震波曲线路径传播下的290000个事件采用三维射线追踪技术的定位结果。

二者的平均定位偏差达70m左右，并且绿色点比棕色点少了20000多个（事件）。

5 微震监测系统软件对岩石力学等支持
系统软件对定量地震学、统计地震学和工程地震学有良好支持，支持等值线图和云图显示位移、应力、应变、峰值速度等。

便于用户从岩石力学等角度理解和使用微震监测成果。

几组微震监测软件界面截图，如图4所示。

图中蓝色网格式采空区的轮廓，在2010年7-9月期间，左列图上显示的是高视应力微震事件、右列图显示的是低视应力微震事件。

为采空区稳定分析提供了量化指标。

6 结语
微震监测方案不仅具备市面常见的被动式监测，还拥有主动式监测，实践证明，主动式监测的效果远优于被动式监测，但是主动式必须将样板震源发生器和拾振器安置在监测区的两侧，因此安装位置的选择比被动式苛刻，并且范围有限。

主动和被动结合，是微震监测能够做到的最精确程度，但是微震监测的最大缺点
也是最大优点就是监测范围广，未知事件多。

因此建议微震监测作为辅助监测手段
参考文献：
[1]矿山之星（MineUPS）采空区地压监测（微震监测）[M].威海晶合数字矿山技术有限公司，2013.。