金山店铁矿微震实时监测系统的实现

金山店铁矿微震实时监测系统的实现
陶慧畅;吴建星;曾建雄;鲍巍
【摘要】为保障金山店铁矿生产安全,防止安全事故的发生,基于虚拟仪器软件,研究并实现了一套微震实时监测系统.介绍了系统的构成和功能,并通过对数据分析,表明该系统能很好地实现实时监测,以及准确微震定位.
【期刊名称】《矿业工程》
【年(卷),期】2013(011)005
【总页数】4页(P48-51)
【关键词】微震;实时监测;动力灾害
【作者】陶慧畅;吴建星;曾建雄;鲍巍
【作者单位】武汉科技大学资源与环境工程学院,冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室,湖北武汉430081;武汉科技大学资源与环境工程学院,冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室,湖北武汉430081;武汉科技大学资源与环境工程学院,冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室,湖北武汉430081;武汉科技大学资源与环境工程学院,冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室,湖北武汉430081
【正文语种】中文
【中图分类】TD326
0 引言
近年来，大冶金山店铁矿矿区微震活动频繁，且随着开采规模和深度的加深呈上升趋势，如2009年前地震年频次为1～2次，最近则上升到21次／a。

金山店铁矿矿区地形上属于长江中游南岸的低山丘陵，矿体赋存条件复杂，矿岩受构造作用与蚀变影响，岩性差异较大，而且矿区内有许多岩种具有强烈的水理特性，如矽卡岩、角页岩、泥质角岩及粉岩，受到水的作用后，会发生崩解、膨胀、软化等变化，使稳定性大幅降低。

因此，近年矿区频繁的发生地震活动引起了社会极大关注，同时也对矿区正常开采及进一步发展产生了一定的负面影响。

鉴于上述情况，建立对金山店铁矿矿山动力灾害的监测与预警系统十分必要。

微震监测技术作为90年代国际上发展起来的一项新的物探技术［1］，通过监测
岩体破裂产生的振动，对监测对象的破坏情况、安全状况等做出评价，从而圈定灾害危险区，在很大程度上实现灾害的监测和预警。

微震监测技术被广泛应用于矿山岩体破裂的定位监测、大坝和边坡稳定性监测、隧道稳定性监测等多个领域［2～4］。

基于此，根据金山店铁矿现场实际情况，设计研发了一套安全有效的微震实时监测系统。

1 微震实时监测系统的构成
微震实时监测系统设计及仪器技术工艺复杂，对制造水平要求较高，生产难以突破，而采用虚拟仪器技术，可以只通过采购必备的硬件来设计自己需要的高性价比的仪器系统［5］。

基于虚拟仪器技术建立的微震实时监测系统主要由通用仪器硬件平台和应用软件两大部分构成。

1.1 系统硬件
金山店铁矿微震实时监测系统通用仪器硬件主要由PC工控机、光纤收发器、数据采集器、电源、传感器和光缆等组成，见图1。

硬件主要参数：数据采集器是由NI cDAQ－9181机箱配备NI 9205多通道模拟
输入模块，总采样速率最高可达250kS／s，同时支持热插拔操作，本次采用差分
输入来增强抗干扰能力以及提高定位精度；研究小组决定采用10／100M自适应
以太网光纤收发器，可以将电信号和光信号进行相互转换，利用10Mbps／
100Mbps自适应及自动转换功能，可以连接任意的用户端设备，无需准备多种光纤收发器，在与交换机连接时，交换机也不需要连接其他设备，简单易行；电源选用HT 20－D1双输出模式，分别给NI机箱以及光纤收发器提供各自相应的电源。

传感器选用型号为PS－60A速度检波器，把采集到的微震信号先进行前置放大并转化为电信号，通过电缆传至数据采集器，进行信号调整并转化为数字信号，再通过光缆把转化的数字信号传输到PC工控机内，通过LabVIEW软件平台进行数据
的显示、处理和分析。

图1 系统构成实体图
1.2 软件实现
金山店铁矿微震实时监测系统软件是采用一个标准的数据采集和仪器控制的图形化语言—LabVIEW编写而成［6］。

基于虚拟仪器LabVIEW软件建立的监测系统具有功能强大、性能稳定、操作简单、界面友好直观和维护方便等优点。

该软件也具有很好的扩展性，可以联合Matlab软件以及C语言使用，系统功能的完善和进
一步扩展非常容易。

根据系统的目标及功能需要，该系统是采用模块化和层次化思想编写，模块分工明确，分别完成各自预定功能，并根据系统程序运行的顺序不同，相应的调整模块运行次序，形成不同的运行层次。

编制的微震实时监测系统软件的程序见图2。

图2 软件系统程序框图
2 微震实时监测系统功能
2.1 微震信号实时监测功能
岩体在载荷或人为因素持续作用下，其内部会发生局部弹性能集中现象，当能量聚积到一定程度后，会引起岩体内部裂纹的产生、扩大以及断裂现象，造成应力松弛，
储存的能量以应力波或弹性波的形式释放出来，产生微震信号，其反映了岩体内部破坏状况，实时对微震信号采集，并通过采集器以及光纤传递给远距离的工控机，再通过自行编写的LabVIEW软件程序直观、动态的显示出来，可以对采集到的波形进行分析，反演出岩体的破坏机制［7］，很大程度上实现灾害的实时监测。

2.2 地质灾害定位功能
在微震监测技术中，微震资料解决的第一任务就是震源定位，其目的在于计算出微震事件发生的位置和时刻［8］，从而为矿山安全生产提供理论依据。

同时震源定位也是检测和评价微震监测系统性能的一项重要指标［9］。

在微震发生区域的空间周围，按一定方式布置多组传感器，当井下岩体在由于外界载荷或其他原因而发生破裂时，会产生震动，这些震动信号通过岩层传递，被布置在周围的传感器捕捉，通过实时采集多点同步数据，测定各传感器接收到该信号的到时时刻，连同各传感器坐标及传播波速建立方程组，应用LabVIEW软件编写程序求解，即可确定震源的发生时间和空间位置，达到矿井灾害定位的目的。

3 金山店微震监测
3.1 微震监测系统的布置情况
通过对金山店铁矿地质资料和掘进资料分析，研究小组决定将传感器布设在张福山矿区西区－340m601～603川脉之间，工控机放置在同一水平面机调室内，可以24小时连续不断实时采集数据，并将数据分时储存，每隔4小时储存一次，这样
方便数据的储存、查阅与传递见图3。

3.2 微震事件的时间分析
微震实时监测系统在金山店铁矿井下安装完成后，把相关软硬件调试好，运行系统所有传感器通道收到质量很好的信号（如图4，每种颜色代表一组传感器信号），表明传感器安装正常，光缆数据传输正常，而且整个监测系统工作状态良好，说明硬件安装正确，软件运行正常。

图3 传感器、工控机布置平面图
金山店铁矿井下放炮工作时间规定集中在15∶00～15∶30和24∶00～24∶30时间段，该微震实时监测系统可以监测到该时间段的震动波形。

从图4可以看出，微震监测系统所监测到的震动发生在下午2012.11.27日的15∶06∶12，而在其前后时间段，微震活动很小，几乎为条直线，表明本微震实时监测系统可以对震动进行很好的监测，以及很好的波形显示。

通过微震实时监测系统分析获得的震动时间与实际爆破作业时间对比分析，两者在微震监测所允许的误差范围内，属于刚好吻合范围，从而证明该微震监测系统实时监测的能力和很高的准确性。

图4 采集数据分析
3.3 微震事件的定位原理
岩体破裂会产生微震事件，由于岩体中P波的传播速度较S波快，且初至时间易于识别［10］，所以采用P波定位。

由于P波的传播速度很快，而且金山店铁矿岩石主要为花岗岩，因此，可假定P波以常数ν传播，通过速度距离关系可知微震震源与m个传感器的走时关系［11］为：
式（1）中 xi、yi、zi、ti分别为微震监测点（传感器）的空间坐标（m）和微震信号的P波到达时间（ms）；x、y、z、t则为微震震源的空间坐标和微震发生的时间。

可以看出，4个未知数，只需要取其中的4个方程组成一个方程组即可求解出微震事件的空间位置以及发生时间。

关于这个方程组的解法，专家们提出了不同的求解方法。

本研究选用牛顿迭代法进行求解。

取震源与m个传感器的走时关系中的4个组成方程组，并变形为牛顿迭代求解的形式：
从式（2）可以看出，只需要输入各个传感器的空间坐标以及微震信号的到时时间，就可以求解出微震震源的空间坐标和发生震动的时间。

其中传感器坐标值可以预先测量得到，微震信号的到时时间则可以由上述微震事件的时间分析得到。

3.4 数据的组合与处理
监测点的个数因工程的需要和设备仪器的具体情况而定，通常不应少于8个。

从
监测点所读取的数据中有干扰数据，首先应去掉干扰数据，剩下的才可以用于定位计算。

从式（2）中可以看出至少需要4组数据，而对于数据少于4组的不能进
行定位计算，视为不可用数据；数据刚好为4组的一次就可以得出定位结果；数
据为5组的进行排列组合计算，有5种组合方式分别计算；对于数据为6组以上
的情况，有多种组合方式，其组合原则为根据监测点到时先后，先选取到时小的进行四四组合计算，这些数据从空间上看是离震源比较近的组合，因此定位精度要较高些，然后选取到时大的点进行组合，再进行几组远近相结合的组合计算，来校正“近近”和“远远”组合的误差。

计算的次数与有效数据的组数有关，根据工程
的需要与计算量的要求，定为5组数据计算5次，6组数据计算6次，7组数据计算7次，8组以上则计算8次。

从图5可以看出，本次数据中16个传感器所测得的信号均为有效记录，可以用来定位计算，按到时优先取前8组数据计算。

从传感器捕捉到的信号中可以得出震
动波到达各传感器的时间，可以用矩阵表示为d＝［A1 （t1）；A2 （t2）；A3 （t3）；B1（t4）；B2 （t5）；B3 （t6）；C1 （t7）；C2 （t8）］。

其中A1为传感器序号，同时也是表示空间坐标，单位为m，A1括号内为震动波到达传感器的时间，单位为ms。

矩阵的具体形式为：
3.5 定位的结果分析
定位的结果为：
上式中r的前3项为求解出的震源空间坐标；第4项为震动发生时间。

上面是经
程序运算后的结果，根据信号质量和传感器的分布情况，进行8次定位。

r1～r8
为经计算得出的震源空间坐标和发生震动的时间，r则为8组定位结果的平均值，即震源位于（7 651.37m、5 072.84m、－338.15m）的位置，与实际放炮位置（7 663m、5 048m、－340m）相比，计算结果误差为（12m、－24m、－
2m），实际过程中，由于金山店铁矿井下复杂多变的环境，定位精度将会有一定
的误差，平均能够约达20m的精度，在允许的误差范围内，相比其他监测系统，该系统具有很高的定位精度。

4 结语
实践证明，金山店铁矿微震实时监测系统能在井下复杂的环境中正常、稳定的运行，也能够实时采集微震数据，震源定位的速度和精度都可以满足实际工程的需要。

另外，系统的软件部分具有很好的扩展性，为系统的进一步完善提供了一个良好的平台。

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