基于Sigma-Optimal方法的微震监测台网设计及优化

蔡永顺，张 龙，张 达，白登荣，王 平，袁本胜

(1．北京矿冶科技集团有限公司，北京 100160；2．金属矿山智能开采技术北京市重点实验室，北京 102628；3．新疆大明矿业集团股份有限公司，新疆 哈密 839000)

随着矿山开采深度的不断增加和开采规模的逐渐扩大，地压活动日益频繁，地压灾害也愈发严重，常规的点监测技术手段无法满足深部大范围地压监测的需求。微震监测技术作为监测岩体内部破裂的技术手段，可实现非接触、大尺度、实时在线监测，实时反映岩体动态破裂、扩展机理，通过计算微震事件发生时间、空间位置、震源强度等参数，并采用定量地震学和统计地震学的研究方法对微震事件的力学信息进行分析，从而反映监测区域内岩体应力分布及变形状况，进而达到实时监测及预警的效果[1-3]。

微震监测台网设计的是否合理，直接决定了微震监测系统的应用效果。国内外多位专家学者Sato和Skoko、Kijko和Mendecki、高永涛、巩思园、刘晓明、周勇勇等人基于数值仿真、D值和C值、综合评价、模糊数学等方法和理论提出了微震监测台网优化解决方案，并取得了一些成果[4-7]。然而，随着科学技术的不断发展，对微震监测系统的定位精度及灵敏度的要求也越来越高。IMS微震监测系统作为世界先进的微震监测系统，除了具备微震监测数据在线采集、自动处理、人机交互分析的数字化、智能化、可视化等功能外，也具有强大微震监测台网优化功能。本文基于IMS-Jdi软件中的Sigma-Optimal方法对新疆大明矿业天湖铁矿的微震监测台网进行了设计及优化。优化后微震监测台网的定位误差在9 m左右，灵敏度可以达到-2.6矩震级，满足矿山对地压安全监测的需求，与现场实际应用情况一致，应用效果良好。

1 工程概况

新疆大明矿业天湖铁矿采用无底柱分段崩落法进行采矿，现在正在回采985 m分段。该分层矿岩应力相对比较集中，部分巷道已经出现了片帮、冒顶等变形破坏，如图1所示。

图1 985 m分段巷道片帮Fig.1 Roadway spalling of the 985 m sublevel

另外，长期的采矿活动已经引起地表塌陷，顶板突然大面积崩落的风险较小。目前天湖铁矿的地压风险主要存在于井下回采过程中的岩体变形破坏。由于矿区的水平构造应力较大，岩体硬度较大，因此岩体发生岩爆的几率较高。随着开采深度的进一步延伸，岩爆风险将逐渐增大，将严重威胁矿山的安全生产。因此，需要建立一套实时在线的高精度微震监测系统对岩爆进行预测预警。

2 微震监测台网设计原则

微震监测方案设计的基本原则为：对重点监测区域的定位误差较小和对较小震级事件具有较高的灵敏度[8-10]。同时还需要考虑现场实际条件，对微震监测台网进行优化，得到最优方案，具体原则如下：

1)对重点监测区域的定位误差较小；

2)对较小震级事件具有较高的灵敏度；

3)传感器接收到微震信号的传播路径为直线，避免传播路径上存在较大空区；

4)合理选择、布置单分量、三分量传感器及传感器阵列，形成空间立体监测台网；

5)充分考虑矿山地质、岩性特征、通讯网络等实际条件；

6)利用台网分析软件优化监测点布置，得出最优监测方案。

3 台网设计及优化

3.1 台网设计

根据台网设计原则及现场工况条件，在天湖铁矿985 m、940 m分段分别布置6个、5个单分量微震传感器，形成一个微震监测台网，如图2所示。但是由于现场工况条件及采矿工艺限制，微震传感器只能布置在脉外运输巷内，不能对采场等监测区域形成空间立体包络。

将台网设计的微震传感器坐标导入到IMS-Jdi中，对监测区域进行网格划分，并设置传感器类型、P波、S波波速、到时拾取误差、定位误差、参与定位的传感器数量等参数(见图3)，然后基于Sigma-Optimal方法进行台网分析。

如图4、5所示，台网分析结果表明，微震监测台网的定位误差在22 m左右，灵敏度平均为-2.3矩震级，局部可以达到-2.5矩震级。该台网的灵敏度较高，但是定位误差较大，不能满足矿山地压安全监测的需求。

图2 微震监测台网设计Fig.2 Network design of the microseismic monitoring

图3 IMS-Jdi软件中台网分析的参数设置Fig.3 Parameter setting of the network analysis in IMS-Jdi

3.2 台网优化

由于初步台网设计的定位误差较大，需要对初步台网设计进行优化。因此，在初步台网设计的基础上，在天湖铁矿985 m分段东西两侧、940 m分段中间增加3条开拓巷道，每条巷道内布置1个三分量微震传感器，优化后的台网能够更好地对采场等监测区域形成立体空间包络，如图6所示。如图7、8所示，台网分析结果表明，微震监测台网的定位误差在9 m左右，灵敏度平均为-2.3矩震级，局部可以达到-2.6矩震级。该台网的定位误差较小且灵敏度较高，可以满足矿山地压安全监测的需求。

图4 定位误差分析Fig.4 Location error analysis

图5 灵敏度分析Fig.5 Sensitivity analysis

图6 微震监测台网设计优化Fig.6 Network design optimization of the microseismic monitoring

图7 定位误差分析Fig.7 Location error analysis

图8 灵敏度分析Fig.8 Sensitivity analysis

4 结论

优化后微震监测台网的定位误差在9 m左右，灵敏度可以达到-2.6矩震级，可以满足矿山对地压安全监测的需求。另外，台网优化结果与矿山建成后的微震监测系统现场实际应用情况非常一致，表明采用IMS-Jdi软件中的Sigma-Optimal方法可以进行快速高效的台网分析，能够很好地预测矿山微震监测系统的定位误差及灵敏度，为微震监测方案的优化完善提供了可靠的技术支撑。