随着地表资源的不断减少和枯竭，深部开采及拓展深部资源已成为迫在眉睫的任务，深井规模化开采成为国内外地下矿山开采的发展趋势（古德生等，2003；杨成祥，2008；李夕兵等，2017；刘焕新等，2018；蔡美峰等，2019）。与此同时，国家对生态环境发展、社会经济效益和企业竞争力提升的诉求也让规模化开采成为矿业必由之路（王牛，2014）。深井规模化开采面临岩爆灾害、复杂地压活动环境、地表大规模沉降、井下突水和支护困难等地压相关问题（钱七虎，2004；何满潮，2007；谢和平，2017；吴清明等，2020；宁彦红，2021；刘立顺等，2022）。自20世纪90年代南非和加拿大深井开采矿山引进微震监测技术用于深部地压活动监测以来，该项技术得到了长足的发展，目前全球预计有1 000座矿山应用微震监测技术进行地压活动监测（Liu et al.，2021a；Liu et al.，2021b；Zhao et al.，2022）。2005年，我国分别从南非ISS公司和加拿大ESG公司引进了微震监测技术对冬瓜山铜矿（党建东等，2019）和凡口铅锌矿（李庶林等，2005）深部地压活动进行监测，之后国内非煤矿山领域超过100座矿山应用了微震监测技术。这些矿山在使用微震监测技术的过程中发现了较多问题，例如事件定位精度不高、台网设计不合理及地压灾害预警不准确等问题（崔宇等，2019；郭晓强等，2019；党明智等，2020），这些问题主要是监测台网设计不合理造成的。为此，唐礼忠等（2006）对冬瓜山铜矿微震监测台网设计方案提出了一套布置优化方法；高永涛等（2013）提出了基于D值理论的微震监测台网优化布设方案；刘晓明等（2016）提出了基于综合评价法的矿山微震监测台网布设评价方法。上述方法可以解决部分深井开采局部区域微震监测台网设计的问题，但是对于深井分布式大规模开采矿山的微震监测台网优化设计问题尚未进行讨论研究。

针对上述问题，本文从分布式微震监测系统时间同步技术（Liu et al.，2020）和分区数据空间过滤技术2个方面展开研究，试图解决深井大规模分布式开采矿山复杂地压灾害监测难题，为矿山安全开采提供新的思路。

中色非洲矿业有限公司（Non-ferrous Corporaton Africa Mining PLC.，简称NFCA）是国务院国资委监管的中国有色矿业集团公司和赞比亚联合铜业公司联合投资的矿业公司。中色非洲矿业有限公司下属谦比希铜矿由主矿体、西矿体和东南矿体3个部分组成。其中，主矿体井下复产工程于2000年7月开工，2003年7月建成投产，年产量为200万t；西矿区于2007年11月开工，2010年底建成投产，年产量为100万t；东南矿体2013年开始基建，2018年正式投产，年产量为330万t。东南矿体NI为隐伏盲矿体，矿体埋深在500~1 040 m之间，存在较高的地应力，主要采用空场嗣后充填、分段崩落和分层充填法进行开采。该矿体相对厚大，随着采掘活动的推进采空区规模不断增加，存在地压灾害风险，特别是随着深部矿体的开采还伴随着岩爆灾害的风险。谦比希东南矿体主要分为南采区和北采区，主副井位于两大采矿区中部，南北回风井位于矿体两翼，井下通过主井箕斗提升矿石，一期生产期间南北采区同时开采，因而井下生产区域实际上是分开的。如图1所示，南采区位于680 m中段和800 m中段之间，其中680 m中段是充填水平，800 m中段是运输水平。北采区位于980~1 080 m中段之间，其中980 m中段是充填水平，1 080 m中段是运输水平。

如图2所示，南北采区直线距离超过1 300 m，北采区平均埋深超过800 m，南采区平均埋深超过500 m，2个采区共用一套主副井，同时通信设施也从副井下到各个中段，由此可见谦比希东南矿体是一个典型的深井规模化分布式开采矿山。南北采区的矿体埋深相差较大，北采区平均埋深比南采区深300 m以上。2个采区的自重应力不同，且南采区距离上覆含水层更近，大概在150 m处存在较大透水安全风险，而北采区岩爆风险更大，因而二者地压灾害问题存在差异性。

谦比希东南矿体遵从“管控一体化”理念并结合工业自动化技术、信息化技术、嵌入式技术、网络技术和通讯技术等一系列现代化手段构建地下采矿融合控制网络，如图3所示。各个开采中段通信采用千兆工业交换机，680 m、800 m、980 m和1 080 m水平这4个主中段构建独立的环网，通过本中段千兆交换机与地表核心万兆交换机连接，其特点是基于分布式布置方式并通过地表核心交换机与井下千兆交换机形成环路，而微震监测系统采集数据也通过该套融合网络上传到地表服务器。这种井下工业环网的设计方式，导致南北采区微震监测数据通信路径不同，且通信数据穿越的交换机也不同，因而会导致不同采区不同位置的微震数据采集分站的时间不同步，且随着时间的推移时间同步误差会更大，进而影响系统的定位效果。

针对时间同步误差大而影响定位精度以及南北采区相隔太远造成其地压灾害类型不同的问题，开展了相关研究工作。针对中色非洲矿业有限公司的网络通信特点，提出卫星精确授时和PTPv2网络时间协议方式完成分布式设备高精度时间同步；基于矿体、采场、巷道、微震监测台网和事件的三维空间信息，建立周界隔离区域，实现监测数据的空间过滤，解决不同类型地压灾害分别分析的问题。

时间同步技术最初应用于军事领域。随着互联网技术的快速发展，该技术开始广泛应用于民用工业领域，如在高铁行驶过程中为了实现对高铁列车高精度的控制，必须使高铁上的电气设备与控制设备之间的时间误差达到微秒级别（Chen，2020）。

在地表可以通过卫星授时方式进行各个设备的时间同步，但在井下难以通过GPS直接对井下各个采集分站进行高精度授时。除了卫星系统授时外还有一种基于网络时间同步协议的技术方式，目前网络时间同步技术有NTP（Network Time Protocol）时间协议和PTP（Precision Time Protocol）时间协议2种技术手段。

（1）NTP时间同步协议始于1985年，是目前使用比较广泛的Internet协议之一，其原理是服务器与客户端之间经过二次报文交换，确定主从时钟的时间偏差，客户端再校准本地计算机时间完成时间同步，其精度在局域网内可达到0.1 ms。

（2）PTP时间同步协议的基本原理包括时间发出和接收时间信息的记录，且对每一条信息增加一个“时间戳”，有了“时间戳”相关接收终端就可以计算出自己在网络中的时钟误差和延时。PTP协议延迟响应机制如图4所示，具体流程如下：①主时钟周期性地发出sync（同步）报文，并记录下sync报文离开主时钟的精确发送时间t1；②主时钟将精确发送时间t1封装到Follow_up（跟随）报文中，发送给从时钟，从时钟记录sync报文到达从时钟的精确到达时间t2；③从时钟发出delay_req（延迟请求）报文并记录下精确发送时间t3；④主时钟记录下delay_ req（延迟请求）报文到达主时钟的精确到达时间t4；⑤主时钟发出携带精确时间戳信息t4的delay_resp（延迟响应）报文给从时钟，进而从时钟获得了t1，t2，t3，t4这4个精确报文收发时间，最终实现了高精度时间同步，时间同步精度可达亚微秒级别。

由于地震波在岩层中的传播速度为5~6 km/s，1 ms的时间同步误差会导致5~6 m的定位误差且系统还会累积时间误差，因此亚毫秒级别的时间同步精度技术无法满足矿山微震监测系统高精度定位的要求。为此确定采用基于PTP时间同步协议的网络时间同步技术。

为了测试验证PTP时间同步协议的时钟同步精度，在室内模拟搭建了如图5所示的测试系统架构图。该系统由卫星时钟信号、时钟信号接收天线、时间服务器（主时钟）、XG7010 IEEE1588时间分析仪（从时钟）、交换机和数采工作站组成。时间服务器、时间分析仪、交换机和数采工作站通过网线进行连接通信，时间服务器和时间分析仪均采用卫星时钟信号作为基准源。时间服务器采用单播方式进行消息传输，时间分析仪通过抓取主从时钟之间的报文以检验报文是否符合PTP协议，每个设备时钟节点均有固定的IP地址进行通信，例如172.168.1.X。在室内环境下连续进行了48 h的测试，共获得189 860个样本，PTP偏差范围在20~115 ns之间，平均偏差为72.62 ns，标准方差为6.56 ns。通过48 h的连续测试，得出大部分时间偏差集中在65~82 ns之间，说明该技术具有非常好的稳定性，如图6所示。

如图2所示，微震监测系统需要进行分布式部署，为了实现监测数据的有效分析，需要进行数据空间过滤。

具体原理是基于空间几何坐标的方式进行周界隔离，首先对南北采区分别建立三维空间过滤几何体，该几何体的长宽高以及几何中心的坐标可以调节，同时其方位角和倾角还可以旋转调整。其次根据微震事件的三维空间坐标和空间过滤体坐标周界范围进行布尔运算，进而实现对微震事件的分区和隔离，该方法还可以进一步应用于采场级别的微震数据空间隔离分析，其最终展现的数据分析效果如图7所示。图7（a）表示未进行空间过滤状态，图7（b）表示南北采区分开过滤状态，图7（c）表示北采区过滤后的微震事件分布情况，图7（d）表示北采区局部矿柱内微震事件分布情况。通过空间过滤技术可实现对南北采区不同地压问题的针对性分析，即使在运行过程中南采区或北采区发生严重的系统故障或网络故障，也不会影响各自采区微震监测设备的运行，因而提高了系统在矿山运行的安全性和可持续性。

依据矿山目前生产实际和监测需求，在东南矿体680 m、800 m、980 m和1 080 m中段设计安装微震监测系统。基站与地表之间通过光纤通信，基站光纤可接入地下六大系统的光纤环网中，用于微震监测的数据通信。微震服务器放置在地表调度室或机房中，用于存储和处理数据，同时服务器可以与外网进行连接，数据可上传到云中进行网络云存储，远程操作也可以进行数据处理，具体架构如图8所示。

监测点分布情况如下：680 m中段布置6支传感器，800 m中段布置7支传感器，960 m中段布置6支传感器，980 m中段布置3支传感器，1 080 m中段布置6支传感器，共布置了28支传感器。图9所示为传感器模型、采场模型和巷道模型的空间关系。

微震监测台网分析工具是专门针对微震监测设计方案进行理论数值计算得到预期的监测定位精度分析区域，最初应用于地震台网阵列设计优化中。微震监测台网分析工具所需要的关键数据包括：传感器位置的三维坐标信息（表1）、传感器的灵敏度值10 v/g（单轴）、地震波P波波速（V_p=5 500 m/s）、P波方差（2.5 m/s）和到时误差方差（2 ms）。基于上述数据进行定位误差的数值计算，最终得到监测台网中心区域和周边区域定位误差三维云图，通过云图可以直观地了解该监测设计方案是否满足监测的要求。

通过专业的微震台网分析工具对3.1小节的监测设计方案进行数值模拟分析，结果表明大部分区域定位精度在10 m以内，可满足矿山地压活动高精度监测的需求。如图10所示，紫色的三维包络球体就是定位误差小于10 m的分布区域，有效范围为680~800 m中段和980~1 080 m中段之间的围岩、采空区、顶板、矿柱和充填体等。由图10可以看出，高精度定位区域与传感器的分布和空间形态特征息息相关，即使是相隔很远的2个采区也可以在同一个微震监测软件平台中完成定位误差计算，表明分布式微震监测系统设计方案满足中色非洲矿业有限公司微震监测设计的要求。

基于时间同步技术和空间过滤技术的突破，中色非洲矿业有限公司在东南矿体南北采区同时安装了微震监测设备并共用一套数据采集服务器和时间同步服务器。该套系统自2021年5月运行以来累计监测到各类信号58 500个，在井下采场和巷道地压灾害风险监测中取得了较好效果。图11给出了微震事件地压灾害分析成果，通过空间过滤方法可以针对性地对北采区的首采区960-1XC盘区采场顶板进行地压灾害活动分析，其中红色区域云图表示该区域的岩体视应力变化较大，表征该区域地压近期发生了调整。该矿山在南北采区也安装了钻孔应力计和顶板离层仪，图12所示为北采区960-1XC穿脉巷道YL-28#钻孔应力计监测数据变化曲线，该曲线的时间段为2021年5月1日至5月31日，YL-28#钻孔应力计监测数据在5月下旬出现上升的趋势，显示监测区域内岩体内部应力的增大现象，这与微震监测视应力变化区域吻合。

此外，根据微震监测数据分析报告的结论进行现场踏勘时发现，该区域采场顶板节理发育、地面散落有较多坠落的顶板岩石，同时巷道断面形状相对开挖时发生了肉眼可见的变形。结合现场发生的地压活动情况来看，微震监测定位的灾害区域准确可靠，说明系统性时间误差引起的定位误差问题得到了很好的解决。

通过对典型的深井大规模分布式开采矿山——中色非矿谦比希铜矿开展分布式微震监测系统设计方案的研究，对分布式微震监测系统关键技术和定位精度验证进行了相关研究，得到如下结论：

（1）深井规模化开采面临着复杂的地压灾害环境，如岩爆灾害、多工作面开采复杂地压灾害以及上覆岩层大规模沉降灾害。

（2）基于GPS卫星授时装置和网络授时同步协议可以实现分布式开采矿山微震监测设备高精度时间同步，时间同步精度可达到纳秒级别，极大地节约了建设成本，在地表布设一套数据采集服务器和软件可实现不同采区的地压活动监测。

（3）基于数据空间过滤技术对微震的事件进行分区和隔离，进而实现不同采区的微震事件活动单独分析，该方法还可以进一步应用于采场级别的微震数据空间隔离分析。

（4）采用分布式微震监测系统设计方案，可以实现微震监测事件定位精度小于10 m，从而实现对井下地压灾害区域的准确定位，该设计方案和方法可推广到类似矿山的微震监测中。