某深井礦山微地震活動研究

劉曉輝，武力聰，容宇

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083;2.云南馳宏鋅鍺股份有限公司會澤采選廠，云南曲靖 654211)

某深井礦山微地震活動研究

劉曉輝1，武力聰1，容宇2

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083;2.云南馳宏鋅鍺股份有限公司會澤采選廠，云南曲靖 654211)

云南馳宏鋅鍺股份有限公司會澤鉛鋅礦是我國一個千米深井礦山，其下屬8號礦體采深已達(dá)1200余米，礦體賦存條件復(fù)雜，地應(yīng)力高，導(dǎo)致微地震活動頻發(fā)。本文根據(jù)微震監(jiān)測數(shù)據(jù)及井下開采活動，對微震活動的時空分布、誘發(fā)模式以及預(yù)測預(yù)報進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:微震活動的時空分布主要與開采活動及地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)，根據(jù)發(fā)生位置、震級大小、破壞特征可將微地震的誘發(fā)模式分為應(yīng)變破裂、礦柱沖擊以及斷層滑移破裂三類，闡述了各自的發(fā)生機(jī)制。提出以地震學(xué)參數(shù)－活動率∑N/△t、視體積VA、能量指數(shù)EI的時間序列曲線來預(yù)測礦震災(zāi)害，并對其物理意義及破壞過程中可能出現(xiàn)的特征進(jìn)行了理論分析，現(xiàn)場應(yīng)用后證明:地壓災(zāi)害發(fā)生前，活動率∑N/△t及視體積VA急劇增加，能量指數(shù)EI突然降低。

深井開采;微震活動;時空分布;預(yù)測預(yù)報

1 引言

隨著礦山淺部資源的逐漸枯竭，深部開采將成為企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一種必然趨勢。在深部開采過程中，必將面臨著許多安全問題，而從目前國內(nèi)外一些深部開采礦山的現(xiàn)狀來看，礦山微地震是深部開采所面臨的一個最為嚴(yán)峻的安全問題［1］。礦山微震是采掘活動引起的一種誘發(fā)地震，在區(qū)域應(yīng)力場和采掘活動共同作用下，采區(qū)及周圍應(yīng)力處于失調(diào)不穩(wěn)的異常狀態(tài)，在局部地區(qū)積累了一定能量后以沖擊或重力等作用方式釋放出來而產(chǎn)生的巖層震動［2］。巖爆、垮塌等井下動力災(zāi)害均伴有不同頻率不同強(qiáng)度的微震活動。

云南馳宏鋅鍺股份有限公司會澤鉛鋅礦是我國一個千米深井礦山，其下屬8號礦體采深已達(dá)1200余米，礦體賦存條件復(fù)雜，地應(yīng)力高，導(dǎo)致微地震活動頻發(fā)。為保證井下安全高效回采，云南馳宏鋅鍺股份有限公司會澤鉛鋅礦于07年8月引進(jìn)了南非ISSI公司的24通道全數(shù)字型ISS地震監(jiān)測系統(tǒng)，應(yīng)用于8號礦體開采的微震監(jiān)測，實現(xiàn)了對深部高地應(yīng)力復(fù)雜條件下的巖爆、礦震等動力災(zāi)害安全監(jiān)測的基本條件［3］。

2 微震時空分布研究

會澤鉛鋅礦微震監(jiān)測系統(tǒng)自2007年8月運行以來，共監(jiān)測到微震事件3300余起，監(jiān)測震級范圍為ML=－2.0～4.0，其中最大震級為ML=2.1，最小震級為ML=－1.6，震級與事件數(shù)分布如表1所示。根據(jù)微震監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)合8號礦體的主要開采活動，對微震活動的時空分布特征進(jìn)行了研究，為礦山安全生產(chǎn)及地質(zhì)災(zāi)害的控制提供參考依據(jù)。

表1 微震事件震級分布

2.1 時間分布特征

微震時間分布特征研究的方法是對一定空間一定時間內(nèi)發(fā)生的微震事件∑N進(jìn)行統(tǒng)計，觀察微震活動頻率∑N/在時間上的變化規(guī)律，同時結(jié)合實際采掘情況，對其與開采活動之間的關(guān)系進(jìn)行研究［4－5］。

ISS微震監(jiān)測系統(tǒng)的后處理程序可直接繪制出微震活動在每日(周)內(nèi)的分布直方圖。如圖1所示，為8號礦體開采過程中某日微震活動的分布情況，橫坐標(biāo)為時間，間隔長度為1小時，縱坐標(biāo)為微震事件次數(shù)，左上角的顏色條表示一定的震級范圍。觀察發(fā)現(xiàn)，絕大部分事件的震級處于ML＜1.0范圍內(nèi)，且這些事件的微震活動在一日內(nèi)存在三個峰值時期，即每日03∶00～05∶00，12∶00～14∶00，19∶00～21∶00三個時段的微地震活動較為頻繁，最大可達(dá)90次/h。結(jié)合井下開采資料分析后發(fā)現(xiàn)，這些時段正好與采場爆破時間對應(yīng)，爆破擾動誘導(dǎo)圍巖內(nèi)的預(yù)存裂隙發(fā)展、貫通，而由此伴生的微震事件也相應(yīng)增多，當(dāng)巖體內(nèi)應(yīng)力重新平衡后，地壓活動趨于平靜，微震活動減少，直至下一次爆破活動。觀察表明:微震活動在采場爆破2h后趨于平靜，因此，為保證出礦工作的安全，可將其安排在采場爆破2h以后進(jìn)行。對于ML＞1.0的事件，因其發(fā)生頻率很小，對其年分布情況進(jìn)行研究。如圖2所示，為08年內(nèi)震級ML＞1.0事件的分布情況，間隔長度為1月。由圖可知，此類事件的分布較隨機(jī)，分布與開采活動無明顯關(guān)系。

研究結(jié)果表明:震級ML＜1.0的事件在時間上的分布具有較強(qiáng)的規(guī)律性，且與開采過程具有較強(qiáng)的一致性，而ML＞1.0的事件數(shù)量很少，分布隨機(jī)，與開采活動無明顯關(guān)系。造成這種情況的原因可能是前一類事件與開采面的破裂變形相聯(lián)系，事件發(fā)生數(shù)目是開采活動的函數(shù)，而后一類事件主要是由于地質(zhì)間斷面運動形成的，分布較隨機(jī)。

2.2 空間分布特征

8號礦體賦存于下石炭統(tǒng)擺佐組上部粗晶白云巖(C1b)中，主要礦石類型為塊狀硫化礦石。礦體范圍內(nèi)共揭露斷裂7條，規(guī)模較小，水平錯距1～4m。圖3所示為07年12月微震活動空間分布情況，圖中紅色錐體為傳感器位置，灰色線條為地層模型，斷層由紅色線條標(biāo)示［6－7］。觀察發(fā)現(xiàn)，微震活動主要分布在礦體上盤，這是由于上盤C1b巖層中存在一層泥質(zhì)夾層，造成了其下盤巖體形成局部應(yīng)力增高現(xiàn)象，當(dāng)開挖至巖性硬軟變化部位時，硬脆性夾層內(nèi)微震活動頻發(fā)。同時，斷層周圍聚集部分事件，這是由于開采擾動激活斷層產(chǎn)生滑移剪切形成的，這類事件往往震級較大，現(xiàn)場破壞也相應(yīng)嚴(yán)重。圖中圈定的兩個區(qū)域為微震事件聚集區(qū)，對比井下采掘資料，此區(qū)域與正在回采的1331中段1盤區(qū)及1451中段3盤區(qū)對應(yīng)，井下回采導(dǎo)致地壓活動加劇，由此引發(fā)的微震事件增多，則形成了兩個微震活動頻發(fā)區(qū)。研究表明:微地震活動的空間分布與地質(zhì)構(gòu)造，原巖應(yīng)力以及開采活動有關(guān)。

3 微震誘發(fā)模式

根據(jù)微震活動的時空分布規(guī)律及其與開采活動之間的關(guān)系，按照發(fā)生位置、震級大小、現(xiàn)場破壞特征等特點對其發(fā)生模式進(jìn)行了分類研究。

3.1 應(yīng)變破裂

應(yīng)變破裂是該礦最常見的微震活動，開采擾動引起巖體局部應(yīng)力集中，當(dāng)巷道、硐室等開挖面周邊巖體承受的應(yīng)力超過其強(qiáng)度時，巖體內(nèi)的預(yù)存裂隙將發(fā)展、貫通，直至產(chǎn)生塑性破壞。應(yīng)變型巖爆的危險性與巖體承受的應(yīng)力、巖體強(qiáng)度、開挖面形狀和尺寸以及巖體剛度等有關(guān)［8］，其主破裂的震級(ML＜1.0)及釋放的應(yīng)變能一般較小，因此破壞程度有限。如圖4(a)，(b)所示，為典型的應(yīng)變破裂事件，聚集區(qū)為出礦道附近，開挖活動造成巷道圍巖應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力超過巖體強(qiáng)度時，巖體內(nèi)預(yù)存微裂隙開始擴(kuò)展，同時伴隨有一定量的小微震事件，裂隙貫通到某一程度導(dǎo)致巖體塑性破壞，同時對應(yīng)一個主破裂事件(ML=0.3紅色球體)。

3.2 礦柱沖擊

礦柱沖擊也是局部應(yīng)力集中的結(jié)果，但其震級(1.0＜ML＜2.0)及釋放能量較大，破壞程度相對要強(qiáng)烈些，且與礦柱的結(jié)構(gòu)參數(shù)及圍巖情況有關(guān)。如圖4(c)，(d)所示，圖示中微震事件聚集區(qū)域為某一礦柱，其左側(cè)礦房已回采結(jié)束，但還未來得及充填，右側(cè)礦房正在進(jìn)行回采，礦柱處于“半孤島”狀態(tài)，這樣勢必造成礦柱嚴(yán)重應(yīng)力集中。在爆破等開采活動的影響下，礦柱內(nèi)部不斷損傷，同時伴隨大量微地震事件，最終衍生為宏觀失穩(wěn)。

3.3 斷層滑移破裂

開挖擾動引起巖體內(nèi)的應(yīng)力重新分布，將會激活深部斷層等結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面的滑移產(chǎn)生較大的微震事件(2.0＜ML)，釋放的應(yīng)變能以地震波的形式傳播到開挖表面，導(dǎo)致原來地質(zhì)構(gòu)造分割出來的離散巖塊的猛烈彈射。巖塊彈射的速度和可能造成破壞的嚴(yán)重程度與微震事件的強(qiáng)度和震源距開挖自由面的距離有關(guān)，節(jié)理發(fā)育的巷道周邊巖塊很容易發(fā)生彈射，此類破壞的能源來自遠(yuǎn)離破壞處的微震震源，破壞形式以巖體高速位移為特征［9］。如圖4 (e)，(f)所示，斷層F在開挖活動的影響下被激活發(fā)生滑移。同時產(chǎn)生大量震級較大的微震事件，這些震源輻射出的地震波與自由面上的破碎巖塊疊加，使其獲得一定的動能，導(dǎo)致巖爆的發(fā)生。

圖4 微地震誘發(fā)模式

4 微地震預(yù)測研究

微地震研究的最終目的即是對井下動力災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測，為安全生產(chǎn)提供保障。目前微震預(yù)測的主要方法是通過對各種定量地震學(xué)參數(shù)的時間序列分析，研究參數(shù)時空變化特征，進(jìn)而掌握巖體破壞的演化規(guī)律，實現(xiàn)預(yù)測預(yù)報的目的。會澤鉛鋅礦ISS微震監(jiān)測系統(tǒng)可以實現(xiàn)對多種定量地震參數(shù)的快速計算，例如微震能量E，地震視體積VA，能量指數(shù)EI等。由于在微地震預(yù)測方面存在許多偶然性和不確定性，且目前關(guān)于這些參數(shù)時間序列成功應(yīng)用于預(yù)測預(yù)報的報道主要體現(xiàn)在個別事例上。因此，需要通過井下實際地壓災(zāi)害與微地震監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比研究來確定適合會澤鉛鋅礦的地震學(xué)預(yù)測指標(biāo)。

4.1 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)

07年2月，井下開采至1331m中段的7分層1盤區(qū)，如圖5所示，正在回采4號礦房，3號礦柱右側(cè)的3號礦房已回采結(jié)束，但還未來得及充填，造成3號礦柱應(yīng)力集中，片剝現(xiàn)象嚴(yán)重。圖6為此區(qū)域微震監(jiān)測的實際情況，自4號礦房開采以來，共收集到微震事件90余個，利用系統(tǒng)地震學(xué)統(tǒng)計軟件繪制出微震活動率，累計視體積VA以及能量指數(shù)EI的時間序列曲線，如圖7，圖8所示。

4.2 微震活動率時間序列曲線

圖7為微震活動率時間序列曲線，橫坐標(biāo)為日期(7－Nov～19－Dec)，間隔時間長度為1天。觀察發(fā)現(xiàn)，11月內(nèi)微震活動較均勻，雖出現(xiàn)過幾次峰值，但總體來說事件量較少，且震級較低。而12月內(nèi)的微震活動相對較為頻繁，且活動率呈逐漸增高的趨勢，添加趨勢線且根據(jù)其增長率將其劃分為3個階段，其分別對應(yīng)不同的巖體破裂階段。A－B，預(yù)存裂隙閉合階段;B－C，純彈性變形階段;C－D，裂隙貫通擴(kuò)展階段。微震活動率在12月15日附近出現(xiàn)急劇增加的趨勢，將此突增點作為預(yù)測點，制定防范措施。井下于12月16日12:33發(fā)生垮冒，同時對應(yīng)一個主破裂事件(如圖6所示)震級ML=0.8，釋放應(yīng)變能量39300J。

圖7 微震活動率時間序列曲線

4.3 累計視體積∑VA及能量指數(shù)EI時間序列曲線

圖8為累計視體積∑VA及能量指數(shù)EI與時間的關(guān)系曲線，其中藍(lán)線為∑VA，紅線為EI。觀察發(fā)現(xiàn)，曲線∑VA在07年11、12月之間共有三次突增，曲線EI有三次突減，均對應(yīng)圖中的A、B、C三處所示。尤其是在C處，累計視體積∑VA由3.15E－3激增到4.19E－3，而能量指數(shù)EI由0.5突減至0.25，可將其看作為礦柱破壞過程中的應(yīng)變軟化階段，隨著應(yīng)力的減小，應(yīng)變反而持續(xù)增大。12月16日，現(xiàn)場垮塌，冒落量達(dá)100T，由于提前預(yù)報，疏散了工作人員，未有人員損傷及設(shè)備損失。結(jié)果表明:破壞性災(zāi)害發(fā)生前，微震活動率及視體積VA突增，能量指數(shù)EI突減。

圖8 累計視體積∑VA及能量指數(shù)EI時間序列曲線

5 結(jié)論

(1)微震活動的時空分布特征表明:震級ML＜1.0的微震事件與開采活動密切相關(guān)，此類事件主要與開采面的破裂變形相聯(lián)系，事件發(fā)生數(shù)目是開采活動的函數(shù);ML＞1.0的事件分布較零亂，與開采活動無明顯關(guān)系，此類事件由地質(zhì)間斷面運動形成，數(shù)量少且分布隨機(jī)。微震活動主要分布于礦體上盤及礦區(qū)斷層附近，且采動范圍與事件聚集區(qū)對應(yīng)，開采活動是影響微震活動空間分布的重要因素。

(2)通過現(xiàn)場地壓記錄及大量監(jiān)測數(shù)據(jù)，按照發(fā)生位置，震級大小，現(xiàn)場破壞特征等方面將會澤鉛鋅礦的微震誘發(fā)模式分為三類:應(yīng)變破裂，震級較小(ML＜1.0)，主要發(fā)生在開挖面周圍，通常以片剝，掉塊的形式出現(xiàn)，破壞程度有限;礦柱沖擊破裂，震級(1.0＜ML＜2.0)及釋放能量較大，破壞相對嚴(yán)重;斷層滑移型破裂，震級較大(2.0＜ML)，震源遠(yuǎn)離破壞處，破壞形式為松散巖體的突然冒落。

(3)根據(jù)地震學(xué)定量分析理論，提出以微震活動率，視體積VA以及能量指數(shù)EI的時間序列曲線來對微震破壞進(jìn)行預(yù)測，并解釋了其物理意義及巖體破裂前可能出現(xiàn)的特征，現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明:破壞性地壓災(zāi)害發(fā)生前，微震活動率急劇增加，視體積VA增大，能量指數(shù)急劇減小。

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Study on Microseismic Activities in a Deep Mine

LIU Xiao－h(huán)ui1，WU Li－cong1，RONG Yu2

(1.School of Civil＆Environment Engineering，University of Science＆Technology Beijing，Beijing 100083，China;
2.Mine and Mineral Dressing Plant，Yunnan Chihong Zn＆Ge Co.，LTD.，Qujing 654211，Yunnan，China)

Huize Lead＆Zinc mine is a deep kilometer well in Yunnan chihong Zn＆Ge Co.，LTD.in China，in which 8#orebody＇s mining depth has reached more than 1200m.The deep ore body has complicated condition and high ground stress，which causes microseismic occuring frequently.Based on micro－seismic monitoring date and mining activities underground，the temporal and spatial distribution，induced model，prediction and forecast of microseismic activities are studied.The results show:temporal and spatial of the microseismic activities associates with mining activities and geological structure.According to occurrence location，the size of magnitude and failure characteristics，the induced model of microseismic activity is divided into three types:strain burst，pillar－foundation failure and fault slip，occurrence mechanism and degree of damage are expatiated respectively.Predicting mine quake disaster by the time series curves of miroseismic active rate(∑N/△t)，apparent volume(VA)and energy index(EI)is proposed.The physical meaning and possible characteristics in rock failure process are theoretical analyzed respectively.Field application shows:before the occurrence of ground pressure disaster occurring，microseismic activity rate(∑N/△t)and apparent volume(VA)will sharply increase，energy index(EI)quickly decrease.

deep underground mining;microseismic activities;temporal and spatial distribution;prediction and forecast

TD324+.2

A

1009－3842(2011)06－0001－06

2011－08－23

教育部長江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊發(fā)展計劃資助(IRT0950)國家自然科學(xué)基金重點資助項目(50934002)

劉曉輝(1984－)，男，四川德陽人，北京科技大學(xué)采礦工程在讀博士，主要從事微震監(jiān)測技術(shù)及膏體充填方面的研究。E－mail:xiaohuiliu28@yahoo.cn