基于微震監(jiān)測(cè)技術(shù)的深部采場(chǎng)采動(dòng)規(guī)律研究

楊志國(guó),趙少儒,汪令輝

(1.中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038;2.西北有色地質(zhì)勘查局,陜西西安 710054; 3.銅陵有色金屬集團(tuán)股份有限公司冬瓜山銅礦,安徽銅陵 244031)

基于微震監(jiān)測(cè)技術(shù)的深部采場(chǎng)采動(dòng)規(guī)律研究

楊志國(guó)1,趙少儒2,汪令輝3

(1.中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038;2.西北有色地質(zhì)勘查局,陜西西安 710054; 3.銅陵有色金屬集團(tuán)股份有限公司冬瓜山銅礦,安徽銅陵 244031)

冬瓜山銅礦是目前國(guó)內(nèi)開(kāi)采最深的金屬礦山之一,巖石具有典型的巖爆傾向性。為了掌握巖爆發(fā)生規(guī)律,并及時(shí)采取有效安全控制措施指導(dǎo)礦山安全生產(chǎn),礦山引進(jìn)了南非ISS公司的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對(duì)采礦引起的巖體應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。本文簡(jiǎn)單介紹了冬瓜山銅礦首采區(qū)的地質(zhì)條件、采場(chǎng)結(jié)構(gòu)及微震傳感器的空間布置。在前期處理波形和事件聚類分析研究基礎(chǔ)上,與生產(chǎn)活動(dòng)相對(duì)應(yīng),采用地震參數(shù)對(duì)采場(chǎng)開(kāi)采過(guò)程中不同階段的應(yīng)力變化規(guī)律進(jìn)行了對(duì)比分析研究,并結(jié)合礦山實(shí)際的破壞事件,進(jìn)行了針對(duì)性分析研究。研究成果為后續(xù)相鄰采場(chǎng)開(kāi)采及隔離礦柱穩(wěn)定性的控制策略等提供依據(jù)。

巖爆;微震監(jiān)測(cè);應(yīng)力;地震參數(shù);礦柱

Abstract:Dongguashan Copper Mine is one of the deepest metal mines with rockburst proneness at present in China.In order to hold regularities of rockburst occurrence and adopt effectively control measures on time,Dongguashan Copper Mine has installed an ISS microseismic monitoring system,which can make a real-time monitoring of rock mass respond to mining.In this paper firstly geological condition,mining methods and sensors layout of initial panel are described.On the base of processing events waveform and cluster analysis primarily,by uses of seismic parameters analyzing stress or strain rule of stope during different mining stages.Combined with the actual destruction of mine incidents,it is pertinence analysized. This result will provide guidance for adjacent stope mining subsequently and pillar stability control strategy.

Key words:rockburst;microseismic monitoring;stress;seismic parameters;pillar

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)礦山資源的需求,國(guó)內(nèi)外礦山開(kāi)采的深度日益加劇。[1-6]國(guó)外深井礦山的數(shù)目比較多,如南非、加拿大、澳大利亞等國(guó)家,特別是南非,其開(kāi)采最深,絕大多數(shù)礦山的開(kāi)采深度在2 000～3 000m,一些金礦的深度超過(guò)了3 000m,如Anglogold有限公司在威特沃特斯蘭德盆地(Witwatersrand basin)最深的Savuka礦深度達(dá)3 800m。加拿大的CVRD Inco的Creighto礦,Agnico Eagle的Laronde礦采深均超過(guò)了2 000m。澳大利亞目前采礦深度超千米的礦山有7座,最深的是Mount Isa地區(qū)Xstrata的Enterprise Mine,深度為1 650m。印度卡納塔克邦的科拉爾金礦區(qū),已有Nundydroog、Champion Reef和Mysore這3座金礦,采深超過(guò)2 400 m。國(guó)內(nèi)礦山如遼寧省撫順的紅透山銅礦,開(kāi)采深度1 197m;云南省會(huì)澤鉛鋅礦開(kāi)采深度為1 009m;廣東省韶關(guān)的凡口鉛鋅礦開(kāi)采深度900m?？梢灶A(yù)計(jì),未來(lái)幾年內(nèi)我國(guó)將有一大部分有色金屬礦山開(kāi)采深度將達(dá)到或超過(guò)1 000m,這些礦山的進(jìn)一步開(kāi)采,將面臨深埋高應(yīng)力的問(wèn)題。冬瓜山銅礦是目前國(guó)內(nèi)開(kāi)采最深的金屬礦山之一,主礦體賦存于-690～-1 007m,-910m原巖應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)最大主應(yīng)力值達(dá)38.1MPa,巖石具有典型的巖爆傾向性,為了掌握深部開(kāi)采中巖體的應(yīng)力變化規(guī)律及控制破壞性巖爆的發(fā)生,該礦于2005年8月安裝了南非ISS國(guó)際公司的微震監(jiān)測(cè)和控制設(shè)備,實(shí)現(xiàn)了對(duì)井下生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),自動(dòng)分析及事件的可視化。系統(tǒng)自安裝運(yùn)行以來(lái),每天記錄的事件大約有300個(gè),其中巖體活動(dòng)事件有幾十個(gè)。前期對(duì)事件波形的分析方法和分類進(jìn)行了研究,將各類事件按著爆破、主要地震事件、機(jī)械震動(dòng)與噪聲進(jìn)行了分類保存?；谇捌诘幕A(chǔ)工作,本文利用微震監(jiān)測(cè)技術(shù)[7-13],進(jìn)一步對(duì)采場(chǎng)不同開(kāi)采條件下巖體的應(yīng)力、應(yīng)變規(guī)律進(jìn)行了分析研究,為保證鄰近采場(chǎng)開(kāi)采及礦柱穩(wěn)定性控制提供了依據(jù)。

1 采場(chǎng)概況及微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器布置

(1)采場(chǎng)地質(zhì)條件及開(kāi)采概況

冬瓜山銅礦首采區(qū)為52～58線,共劃分為3個(gè)盤(pán)區(qū),52～54線、54～56線、56～58線,52～58線依次為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ盤(pán)區(qū),首采區(qū)52線10#采場(chǎng)礦體標(biāo)高從-790～-730m,走向長(zhǎng)100m,寬18m,上部為含銅磁黃鐵礦、下部為含銅蛇紋巖。[14]根據(jù)采場(chǎng)開(kāi)采及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行情況,將開(kāi)采過(guò)程分為四個(gè)階段,①采場(chǎng)拉底;②采場(chǎng)拉槽與擴(kuò)槽;③采場(chǎng)側(cè)崩開(kāi)采(大規(guī)模爆破生產(chǎn));④采場(chǎng)側(cè)崩開(kāi)采(僅2次爆破),具體見(jiàn)圖1所示,圖中箭頭表示開(kāi)采方向。

圖1 10#采場(chǎng)開(kāi)采示意圖

(2)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器的布置

微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)4個(gè)微震儀(Quake Seismometer)、1個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器(Quake Seismic Repeater)、1個(gè)井下控制室(Seismic Controller)、1個(gè)地面主控制室及光纜等,共設(shè)有16個(gè)傳感器,24通道。

2 采場(chǎng)采動(dòng)規(guī)律分析研究

2.1 確定分析范圍及階段劃分

為了分析采場(chǎng)開(kāi)采對(duì)附近采場(chǎng)及隔離礦柱的影響,研究生產(chǎn)過(guò)程與產(chǎn)生破壞性巖爆的關(guān)系,根據(jù)10#采場(chǎng)開(kāi)采情況,并考慮系統(tǒng)定位誤差,確定的分析范圍為:中心點(diǎn)坐標(biāo)(Y=84301m、X= 22525m、Z=-760m),走向長(zhǎng)度150m,傾向長(zhǎng)度100m,中心點(diǎn)以上頂板巖體的高度為150m,中心點(diǎn)以下底板巖體高度為100m,從采場(chǎng)開(kāi)采至2007年1月末,52#勘探線10#采場(chǎng)及附近采場(chǎng)地震事件的分布見(jiàn)圖2。根據(jù)采場(chǎng)不同時(shí)間段內(nèi)的生產(chǎn)活動(dòng)情況,分析過(guò)程共劃分四個(gè)時(shí)間階段,分別為:3月1日～5月31日、3月1日～7月10日、3月1日～9月30日、3月1日～2007年1月10日。

圖2 事件在采場(chǎng)及周圍的分布及時(shí)間分布柱狀圖

2.2 地震事件的發(fā)生頻率分析研究

從地震事件數(shù)據(jù)庫(kù)可以計(jì)算得出,前兩個(gè)月地震事件的數(shù)目為181次,日平均數(shù)為2次/d,如圖3所示。而到了第二階段,地震事件數(shù)目小范圍增加,達(dá)到了313次,日平均數(shù)為3.3次/d。從生產(chǎn)活動(dòng)情況來(lái)看,第一階段主要為中深孔爆破拉底,對(duì)原巖中的應(yīng)力有釋放作用,產(chǎn)生的應(yīng)力值比較大,而第二階段主要為大孔切槽爆破,在采場(chǎng)中平面的影響范圍減少,而主要為豎直分階段礦體的擴(kuò)槽、破頂爆破,從事件的平面分布圖也可以看出,這一階段事件數(shù)目要明顯的比第一階段少,主要分布在采場(chǎng)的中部,主要由于擴(kuò)槽崩落過(guò)程中引起事件的發(fā)生。

第三階段主要為-730m水平沿中心槽兩側(cè)采場(chǎng)側(cè)崩爆破出礦,地震事件數(shù)目急劇增加,為1075次,日平均數(shù)為9.5次/d,是上個(gè)階段的近3倍,表明這個(gè)階段地震活動(dòng)性最強(qiáng)烈,局部巷道易產(chǎn)生破壞。最后一個(gè)階段,采場(chǎng)爆破的次數(shù)較少,只進(jìn)行了兩次采場(chǎng)爆破,日平均數(shù)1.7次/d,達(dá)到階段最低值,對(duì)圍巖體的影響較少,最近發(fā)生的事件多數(shù)是由附近54#勘探線采場(chǎng)的作業(yè)活動(dòng)引起。由于盤(pán)區(qū)開(kāi)采從52#勘探線靠近底部的2#采場(chǎng)開(kāi)始,從地震事件的分布來(lái)看,應(yīng)力逐漸向上部采場(chǎng)轉(zhuǎn)移,臨近的11#采場(chǎng)應(yīng)力較高,而12#采場(chǎng)應(yīng)力要小一些。

圖3 10#采場(chǎng)開(kāi)采各個(gè)階段地震事件的頻率分布

2.3 爆破次數(shù)、藥量及采出礦量的對(duì)比分析研究

從爆破次數(shù)上來(lái)看,第一階段為13次,第二階段只有10次,而第三階段為7次,但是從爆破所使用的藥量上對(duì)比,7月份以后爆破所使用的藥量要明顯比第一階段和第二階段的多,從圖4采場(chǎng)各個(gè)月份的出礦量情況可以看出,7、8月份出礦量要明顯增加,并達(dá)到了最大值,集中爆破和礦石的大量采出,造成了巖體活動(dòng)的加速,對(duì)采場(chǎng)右側(cè)礦柱的影響達(dá)到了最大。最后階段爆破次數(shù)很少,主要為靠近采場(chǎng)兩側(cè)礦體的爆破,最大的地震活動(dòng)也在這個(gè)位置。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查來(lái)看,并沒(méi)有破壞情況發(fā)生,所以在當(dāng)前的開(kāi)采條件下,不會(huì)對(duì)52#勘探線礦柱造成破壞,而對(duì)右側(cè)54#勘探線穿脈隔離礦柱影響要更小。

圖4 10#采場(chǎng)各個(gè)月份采出礦量情況

2.4 位移等值線計(jì)算與分析研究

巖體活動(dòng)的平均位移采用D=M/(GA)進(jìn)行計(jì)算,圖5～圖8為位移等值線及震級(jí)ML≥-0.5事件在采場(chǎng)中的平面分布情況?？梢钥闯?各個(gè)階段開(kāi)采過(guò)程中引起巖體運(yùn)動(dòng)位移的最大值依次近似為0.005m、0.010m、0.016m、0.020m。3月到5月位移值比較小,而且在采場(chǎng)中的分布差不多,與這個(gè)階段沿著采場(chǎng)中心向兩側(cè)進(jìn)行拉底相吻合;到第二階段結(jié)束,位移量增加,影響范圍擴(kuò)大;第三階段,位移值增加較大,最大位移值分布在53#勘探線的左右兩側(cè),這與沿中心切槽向兩側(cè)側(cè)崩爆破出礦相吻合,巖體活動(dòng)范圍增加至下部的9#采場(chǎng),上部的11#及12#采場(chǎng),9#采場(chǎng)位移值較小,最大值約為0.003m,11#、12#采場(chǎng)位移值分別約為0.014m、0.011m;最后一個(gè)階段,爆破次數(shù)較少,位移變化不明顯。

2.5 與現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生破壞事件的對(duì)比分析研究

圖8 3月～2007年1月的位移等值線

上述分析可以得出,第三個(gè)時(shí)間階段反應(yīng)應(yīng)力水平值增大,位移擴(kuò)散速度增加,事件的活動(dòng)率達(dá)到最大值,表明這一階段危險(xiǎn)性最大,在地質(zhì)構(gòu)造及頂板巖性較差的地段,誘發(fā)工程發(fā)生破壞的可能性很大。而從井下生產(chǎn)情況來(lái)看, -670m水平中段53#勘探線穿脈巷道2006年5月至8月之間地壓活動(dòng)事件顯現(xiàn)頻繁,5月份部分巷道已經(jīng)出現(xiàn)了破裂,頂板巖石片落,在8月初,則發(fā)生了較大面積的塌落?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)地的調(diào)查來(lái)看,沿著53#勘探線巷道頂板為深灰黑色棲霞組大理巖,節(jié)理裂隙發(fā)育,方解石裂隙充填,據(jù)估算整個(gè)破壞的長(zhǎng)度大約有50m,而且頂板垮塌的巖石塊度較大,落下的巖石使經(jīng)過(guò)53#勘探線穿脈巷道的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳輸銅絞線的幾處折斷與破損,造成了穿脈巷道硐室內(nèi)微震儀QS1數(shù)據(jù)傳輸中斷。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)冬瓜山銅礦52#勘探線10#采場(chǎng)不同開(kāi)采條件下巖體的應(yīng)力變化規(guī)律進(jìn)行了分析研究,并與礦山實(shí)際發(fā)生的破壞事件相結(jié)合,進(jìn)行了對(duì)比分析,確定了對(duì)相鄰采場(chǎng)及礦柱的影響及應(yīng)力走向,可以得出,井下生產(chǎn)爆破頻率高、一次爆破炸藥量大、采出礦量的增加,會(huì)導(dǎo)致巖體地震活動(dòng)頻率增大和強(qiáng)度加大,位移擴(kuò)散速度加劇,應(yīng)力水平急劇增大,最終導(dǎo)致破壞事件的發(fā)生。這將對(duì)接下來(lái)鄰近及其它采場(chǎng)的開(kāi)采策略提供必要依據(jù)。

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Study on rule of mining based on microseismic monitoring in deep stope

YANG Zhi-guo1,ZHAO Shao-ru2,WANGLing-hui3
(1.China Enfi Engineering Corporation,Beijing 100038,China;2.North-west Mining and Geological Exploration Bureau for Nonferrous Metal,Xi’an 710054,China;3.Dongguashan Copper Mine,Tongling Nonferrous Metals Group Co.,Ltd.,Tongling 244031,China)

TD853

A

1004-4051(2010)02-0107-04

2009-10-26

楊志國(guó),男,博士,2003年畢業(yè)于黑龍江科技學(xué)院采礦工程專業(yè),主要從事深埋高應(yīng)力礦床開(kāi)采方面的研究工作。