配备MMS-view的微震监测系统在淮南矿务局新庄孜矿正式投入运行

      2009年4月6日由力软科技有限公司提供的微震监测系统,并配置力软公司开发的中文可视化MMS-View软件系统的实时监测分析预警瓦斯突出危险性系统正式在淮南矿业集团新庄孜矿正式投入运行。该系统的运行进一步推进了淮南矿业集团新庄孜矿煤与瓦斯突出机理与预报方法关键技术研究,同时这也是一项创新,这是国内首例将微震监测系统运用到高瓦斯煤矿。淮南矿业集团也成为我国第一个具有瓦斯突出危险性实时微震监测、分析和预警的矿山生产安全技术试验矿山。 
         淮南矿区开采历史悠久、煤层地质条件复杂,近年来在采煤方法、瓦斯综合治理、煤巷锚杆化支护、矿井高产高效等方面已取得了重大成就。尽管在瓦斯灾害防控方面开展了大量卓有成效的工作,但由于煤矿瓦斯灾害发生机理的复杂性,我国煤炭生产安全形势相当严峻。考虑到淮南不仅处在安徽煤炭工业的龙头地位,也是我国开展煤炭安全研究的领头企业,有必要对国务院和科技部的部署作出积极响应。因此,在发改委支持下,在淮南开展煤矿瓦斯突出机理与预报方法关键技术研究,对于加强我国瓦斯灾害预报和控制的研究具有重要的战略意义。 
        微震监测系统在新庄孜矿的应用,可以24小时不间断的对数据煤岩微破裂信息进行采集处理,可以克服传统监测方法劳动强度大、所需人员多、预测准确率较低、操作复杂等缺点。该系统使用加拿大ESG公司生产的矿山微震监测系统(30通道)及大连力软科技有限公司开发的矿山微震监测分析软件和远程无线数据传输系统。研究人员可以再世界各地任何地方通过网络登录该系统获得三维可视化数据和图像。针对新庄孜煤矿高应力区、煤与瓦斯突出危险区的围岩破裂进行监测、定位及实时分析;在此基础上,借助大规模科学计算,对监测信息进行分析、处理,建立一套适合于淮南矿区的既有理论依据,又易于操作的矿井煤与瓦斯突出预报分析系统,为实现矿山动力灾害中、长期预报奠定基础。 
         该项目有大连理工大学唐春安团队及大连力软科技有限公司负责实施。

图1 加拿大ESG专家和公司技术人员现场调试

图2 监控机房主机数据处理系统

表1 爆破现场记录与系统监测数据误差对比分析

图4 微破裂定位三维可视化



陕西煤业化工集团矿井开采诱发突水前兆微震监测预警

      矿井突水是煤矿生产中的重大灾害之一,在我国煤矿重特大事故中,突水事故在死亡人数上和发生次数上,仅次于瓦斯事故,给国家造成的直接经济损失一直位列首位。据统计,在过去的20多年里,有250多个矿井因突水而淹没,经济损失高达350多亿元人民币,同时,对矿区水资源与环境也造成巨大的破坏。而我国灰岩岩溶分布广泛,近几年来,随着矿井开采深度加深,来自煤层底板下方的奥陶纪灰岩高承压水威胁日趋加剧,据统计全国有60%的煤矿都不同程度地受到底板岩溶奥灰水的威胁。

      陕西煤业化工集团有限责任公司下属矿区正面临着渭北矿区奥灰水防治、彬黄矿区洛河组砂岩水防治及陕北矿区保水采煤的技术需求,开展矿井开采诱发突水前兆的微震监测预警技术研究,对矿井岩体稳定性进行实时分析和预警,有效遏制矿井突水事故发生,确保下属矿区煤矿安全生产与运营。 

       受陕西煤业化工集团有限责任公司委托,大连力软科技有限公司与大连理工大学共同研究开发煤矿突水的微破裂前兆信息微震监测预警技术,在工程环境调查及地质、水文、岩石力学基本参数标定的基础上,建立下属矿区微震监测系统,进行断层活化及底板破坏深度的测定,预测及反演断层活化及底板破坏情况,标定突水危险性区域,实现突水危险性评价,最终构建微震监测与数值计算相结合的突水预警预报平台。


煤矿突水微破裂前兆信息微震监测信息云图

锦屏一级水电站左岸高陡岩质边坡微震监测预警

      锦屏一级水电站是国家重点工程,建有世界第一高拱坝,是雅砻江干流中下游水电开发规划的“控制性”水库梯级电站,在雅砻江梯级滚动开发中具有“承上启下”重要作用。受雅砻江流域水电开发有限公司和中国水电顾问集团成都勘测设计研究院委托,大连力软科技有限公司以锦屏一级水电站左岸岩体边坡为监测对象,建立了边坡稳定性微震监测预警系统。

由于锦屏一级水电站坝区山高坡陡,两岸山体地应力高,左岸存在深部裂缝、低波速松弛岩体、煌斑岩脉及f2、f5断层等复杂地质条件。在边坡及地下洞室开挖施工过程中,岩体将发生卸荷松弛,存在卸荷导致诱发破裂等危害边坡稳定性的潜在忧患,灌浆和蓄水也会引起整个边坡应力的重新分布,对边坡稳定性同样存在潜在的影响。微震监测系统通过微破裂信息数据连续采集、无线传输和远程登陆、中文可视化数据处理和分析,实现对左岸岩体边坡稳定性的24小时连续监测和分析,并在微震监测数据的基础上进行岩体参数反演、修正模型,并通过大规模科学计算迭代分析和评价边坡的稳定性,形成以微破裂监测为主、应力场分析为辅,融现代监测技术、信息技术、网络技术和高性能数值分析技术于一体的岩体边坡稳定性分析预测系统。

在实施项目时,首先解决了在水电工程条件下微震传感器的选用、安装及系统构建等问题。根据应用区域的岩性特征及其对地震波的衰减频率特性选择相应地震传感器。传感器尽量采用了三维空间安装以获得可靠的事件定位。

其次,通过RFPA3D建立边坡三维地质模型,结合微震监测获取大量的微震活动性时空分布数字化记录,将微震监测的结果(输出)作为修正模型的原始数据(输入),进行考虑微震损伤效应的三维边坡稳定性反馈计算,实现锦屏一级左岸边坡稳定性动态分析和评估。

该项目开展了微震监测信息与围岩变形监测信息的对比分析,建立了微震活动性与岩体松弛变形活动性之间的关系,探讨了原岩及其扰动条件下背景应力场积累、释放、转移的基本规律,建立了背景应力场演化与微震活动性的关系,预测了岩体变形发展趋势。初步提出了通过微震监测分析以及大规模科学计算进行锦屏一级水电站坝区左岸边坡岩体稳定性分析监测预警的建议方法。


图1 微震监测系统


图2 微破裂定位三维可视化

图3 系统安装过程:传感器钻孔、布线、测量孔底坐标、敲击试验

图4 加拿大ESG专家和Mechsoft技术人员现场调试

锦屏二级水电站深埋隧道岩爆灾害监测预警

     锦屏二级水电站是国家重点工程。工程引水系统由平行的2条辅助洞和4条引水隧洞组成,平均长度17km,埋深超2000m,地应力高,岩爆灾害频发,损失重大。受雅砻江流域水电开发有限公司锦屏建设管理局委托,大连力软科技有限公司在锦屏二级水电站以采用TBM方式掘进的施工排水洞为监测对象,力软公司在中国首次将微震监测技术用于大型水电站隧道(最大深埋2500米)工程,第一次构建随着TBM推进而调整传感器位置实现实时监测的移动式微震监测系统,实现对施工排水洞微震活动进行24小时连续监测、分析、预报,形成微震数据现场全天候连续采集集中分析模式,监测及分析结果得到了管理局和施工单位的广泛认可。力软科技承担的“雅砻江锦屏二级水电站引水隧洞、排水洞岩爆段微震监测技术服务”(A标段)项目在2012年3月14日顺利通过专家验收。与会专家认为,力软科技通过成效显著的监测预警实践,改变了岩石力学学术界和工程界的部分专家认为岩爆不可监测预警的传统观点,为水电乃至其它岩土工程行业今后开展类似工程的岩爆监测、分析和预警提供了未曾见过的范例。

      岩爆向来被认为是不可预测的,这在世界工程领域都是难题,力软公司充分利用先进科学技术,一年间成功预警大小岩爆240次,准确率86%,成为中国第一个成功预警工程岩爆灾害的案例。

工程现场实景图


TBM顶部被压坏的钢拱架及钢结构       岩爆形成的爆坑及截断的钢拱架

微震监测的隧洞岩爆及其引起的隧洞破坏情况

       项目建立了锦屏二级水电站隧洞开挖工作面移动式微震数据采集系统,并通过网络技术将现场数据向数据处理中心进行实时远距离传送,实现数据远程传输,实现对微震活动进行24小时连续监测。 

      重点解决微震信号与工程噪声的区别,提高岩石微破裂事件的高精度定位,实现微震事件空间定位的四维显示。 
      根据岩爆发生前后的微震变化,寻找岩爆前兆信息,对岩爆风险区域进行尽可能准确地监测、分析和预警。


大岗山大坝右岸边坡微震监测预警

      大岗山水电站是国家重点工程,坝址位于四川省大渡河中游上段雅安市石棉县挖角乡境内,坝址区两岸山体陡峭,基岩裸露,地应力较高,岩体卸荷及风化强烈。其右岸边坡存在重力卸荷和应力调整等综合因素而形成的卸荷裂隙密集带,在距坡面约100 m范围的岩体中发育多条张裂缝,中倾坡外,对整个右岸边坡的稳定性造成非常不利的影响。右岸边坡在开挖过程中,坡表陆续产生多处裂缝,而传统位移监测手段并没有捕捉到明显的相关变化信息,亟需一种非常规监测手段来实时监测边坡深部岩体微破裂萌生和演化状规律,对边坡岩体稳定性进行及时分析和预警,确保边坡及水电站的安全施工与运营。

      受国电大渡河流域水电开发有限公司委托,大连力软科技有限公司以大岗山水电站右岸边坡为监测对象,建立了边坡稳定性微震监测预警系统。通过微破裂信息数据连续采集、无线传输和远程登陆、三维中文可视化数据处理和分析,实现了对右岸岩体边坡24小时连续监测和分析,并在微震监测数据的基础上进行岩体参数反演、修正模型并通过大规模科学计算迭代分析与评价边坡的稳定性,形成了以微破裂监测为主、应力场分析为辅,融现代监测技术、信息技术、网络技术和高性能数值分析技术于一体的岩体边坡稳定性监测分析预警系统。

      由于边坡岩土体的力学参数和稳定状态难以确定,传统的常规监测手段只能给出边坡已经出现大变形或者宏观失稳的监测结果,对其内部微破裂及其演化过程的监测即失稳前已经发生的而人类眼睛无法感知的破裂前兆信息却无能为力,微震监测系统能够捕捉到岩体的未破裂信息,很好的揭示了施工过程坡表陆续出现多处裂缝的根本原因。借助微震监测技术可以获取右岸边坡微破裂密度分布情况;可以获取边坡岩体微震损伤与变形区域,与现有常规监测结果进行比较;可以获取边坡岩体内部微震损伤能量密度分布,圈定控制边坡稳定性的主要控制因素;可以定期评估边坡岩体的深层稳定性,进行右岸边坡稳定性评价。


配置MMS-View的ESG微震监测系统在济钢张马屯铁矿进入试运行

     济钢张马屯铁矿通过力软科技引进的“ESG微震监测系统”,目前在张马屯铁矿已进入试运行阶段。

      这套投资近100万元的微震监测设备主要用于监测帷幕在开采扰动高应力作用下的微破裂前兆,旨在为矿山突水预测提供一种新的实时监测手段。

      张马屯铁矿位于济南市东郊,该矿于1966年11月1日兴起,1967年5月14日开始基建,于1977年11月1日部分投产,形成年产量20万吨矿石的生产规模。该矿床的水文地质条件极其复杂,为国内少见的大水矿床,矿山的防治水工作经历了三十多年的艰难历程,先后进行过五次专门水文地质勘探,三次大规模帷幕注浆堵水,三个水平的“地下同水平疏干”和二期矿坑水的综合利用,经历了一次淹井事故。防治水工程量之大,耗资费用之高,在国内实属罕见。

      随着开采深度的增加,在大帷幕区域内外产生较大的水力梯度,而帷幕区域内部正在矿石开采,水压及开采活动势必对大帷幕区域的稳定性造成危害。而大帷幕区域若失稳破坏,必然是由于开采活动及水力差异引起应力场扰动所诱发的大帷幕区域内部微破裂萌生、发展、贯通等岩石破裂过程失稳的结果。然而,在大帷幕区域发生失稳破坏之前,大帷幕区域内部必然都有微破裂前兆。而诱发微破裂活动的直接原因则是开采活动及水力差异而引起大帷幕岩体内部应力或应变增加的结果。

      为了对济钢张马屯铁矿床大帷幕稳定性进行微震监测,该矿区通过力软科技引进加拿大ESG公司的“ESG微震监测系统”。通过网络技术将现场数据向数据处理中心进行实时远距离传送,对大帷幕区域微震活动进行24小时连续监测,实现矿山微震监测信息与三维矿山地质模型的相叠动态显示,为突水预报提供依据。

      在此次的应用中,将首次在ESG微震检测仪中使用Mechsoft公司开发的“微震监测系统中文可视化分析软件MMS-View”。MMS-View是Mechsoft针对ESG先进的微震监测仪器,专门为适合我国用户使用开发的,它与ESG微震监测仪器构成一个更加完整的监测与分析系统。MMS-View通过与三维地质模型结合,更加有利于微震时空分布规律的分析与预测。MMS-View还可与三维应力场分析系统RFPA-3D实现无缝连接,使用户可以基于工程结构的RFPA应力场分析对微震的演化规律作出更加合理的预测,为将微震监测与分析系统真正作为地下工程、边坡、隧道稳定性监测以及采矿安全生产的日常管理手段提供了新的选择。


济钢张马屯铁矿堵水帷幕危险性评价微震监测与计算分析

济钢张马屯铁矿大帷幕平均高400多米,堵水效果显著,但帷幕内外存在的高水压差,对矿山安全生产造成了一定的潜在威胁。受济钢集团有限公司委托,大连力软科技有限公司基于微破裂是导致大帷幕失稳诱发突水灾害前兆的基本认识,突破以水位等表象信息监测为依据进行突水灾害预报的传统思路,从开采应力扰动诱发微破裂导致突水灾害发生的本质出发,以微震监测和大规模科学计算技术为手段,以微破裂过程中的多场耦合理论分析为基础,以探索张马屯铁矿大帷幕失稳破坏诱发突水灾害孕育的内在动因和前兆规律为核心,以张马屯铁矿突水灾害的实时预报为目标,揭示张马屯铁矿突水灾害孕育的内在动因和前兆规律,构建张马屯铁矿突水灾害预测预报的理论体系,建立了具有可操作性的突水灾害分析预报新方法。

利用大规模并行计算技术进行三维数值模拟分析,揭示大帷幕区域背景应力场分布;

根据背景应力场分析,针对高应力场可能诱发突水的区域,重点布设探头,建立整体矿山微震监测系统,对大帷幕区域的微破裂时空信息进行24小时连续监测;

对微震数据及三维模型计算分析结果进行深入分析处理并进行数据整合,分析背景应力场扰动与微震活动时空演化规律,对大帷幕进行突水分析与预报,分析结果反馈给矿山现场指导生产和设计。


河北唐山石人沟铁矿围岩稳定性微震监测与数值计算分析

 结合国家十一五计划支撑项目,由力软科技参与的河北唐山石人沟铁矿露天转地下采场围岩稳定性微震监测及大规模数值计算分析项目,于2008年8月正式启动。石人沟铁矿2001年开始井下建设,2004年正式开始生产,2008年年生产铁矿石98.9万吨、铁精矿32.6万吨。然而上部遗留下来的露天边坡严重威胁着地下采场的安全。该区存在多条规模较大的断层带,其中F8断层为导水的正断层,断层附近的岩体节理发育,井下开采诱发裂隙进一步开裂,岩体渗透性逐步提高,一旦有上覆滑坡诱发大规模采场事故发生,将给矿山安全生产造成毁灭性的灾害。通过以“微震现场监测”为主、“应力场三维数值模拟”为辅的采场围岩稳定性分析方案,为生产提供了安全保障。该项目已于2011年12月在唐山顺利通过验收。


大规模计算三维模型

 三维计算结果

微震监测的采场围岩损伤区演化