典型礦柱片幫(破壞)的微震監(jiān)測(cè)預(yù)警及分析

楊 順，蘭曉平，冷修寧

(1.長(zhǎng)沙礦山研究院采礦工程中心， 湖南長(zhǎng)沙 410012;2.江西修水香爐山鎢業(yè)有限責(zé)任公司， 江西九江市 332438)

0 引言

江西省修水縣香爐山鎢礦礦區(qū)位于江西省修水縣城北西35 km，屬港口鎮(zhèn)管轄，為我國(guó)大型白鎢礦床，為采選聯(lián)合生產(chǎn)企業(yè)，隸屬于中國(guó)五礦有色金屬股份有限公司。由于歷史開(kāi)采原因，開(kāi)采過(guò)程中缺乏合理規(guī)劃與設(shè)計(jì)、開(kāi)采秩序混亂，香爐山鎢礦井下累積開(kāi)采出礦石量達(dá)到約670萬(wàn)t，已經(jīng)形成了約210萬(wàn)m3的采空區(qū)，空區(qū)之間相互貫通與重疊且形狀復(fù)雜，局部區(qū)域已經(jīng)發(fā)生過(guò)較大面積的冒頂?shù)鹊貕簽?zāi)害。因此香爐山鎢礦委托長(zhǎng)沙礦山研究院建立了一套60通道全數(shù)字型微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要監(jiān)測(cè)東部殘采區(qū)域的地壓活動(dòng)。

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)建立以來(lái)至今的所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力集中區(qū)域主要在采場(chǎng)的東西兩翼，如圖1所示，而東部地壓活動(dòng)尤為顯著，微震事件發(fā)生率明顯偏多，成功預(yù)警了多次冒頂片幫事件。該區(qū)域?yàn)?0#傳感器所在位置，為礦山將要進(jìn)行殘采的主要采區(qū)，該區(qū)域臨近(東側(cè))已探知一儲(chǔ)量約為60萬(wàn)t的礦體，具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。因此，對(duì)40#傳感器所在礦柱及其周圍礦柱的變化情況的調(diào)查尤為必要，對(duì)該區(qū)域的地壓顯現(xiàn)情況的掌握對(duì)礦山具有重要意義。

1 礦柱位置與狀況

1.1 礦柱所在位置

40#傳感器所在礦柱為人工鋼筋混凝土加固的礦柱，其與發(fā)生片幫礦柱的位置關(guān)系如圖2所示。

圖1 應(yīng)力分布圖

1.2 礦柱狀況描述

礦柱體積較大，高約10 m，礦柱巖體主要由花崗巖組成，有一條較大的、數(shù)十米長(zhǎng)、近70°傾角的不連續(xù)面切割該礦柱，同時(shí)有一條近80°傾角的相對(duì)較小的不連續(xù)面切割礦柱，在該礦上形成一個(gè)X型的不連續(xù)面切割，如圖3所示。自微震監(jiān)測(cè)傳感器安裝在該區(qū)域以來(lái)，該通道事件觸發(fā)數(shù)持續(xù)保持較高水平，為地壓重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域。

2 微震監(jiān)測(cè)與預(yù)警分析

2.1 微震傳感器監(jiān)測(cè)與預(yù)警分析

自2012年11月以來(lái)，40#傳感器微震事件發(fā)生率持續(xù)處于較高狀態(tài)，平均觸發(fā)數(shù)為15～20個(gè)之間，未達(dá)到設(shè)定的預(yù)警值，但說(shuō)明該區(qū)域處于高應(yīng)力狀態(tài)。5月24日，該通道觸發(fā)數(shù)突然激增至32個(gè)，25日接近50個(gè)，超過(guò)了預(yù)警值，數(shù)據(jù)如圖4所示。出現(xiàn)這一情況后，監(jiān)測(cè)技術(shù)人員向礦方安全員發(fā)出了預(yù)警信息，26日經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)安全員確認(rèn)，該礦柱發(fā)生片幫，通過(guò)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，24、25號(hào)兩天，微震事件數(shù)明顯激增，超過(guò)了預(yù)設(shè)的警戒值，而發(fā)生片幫的26號(hào)當(dāng)天，事件數(shù)明顯減少，低于月觸發(fā)平均值，并在之后的幾天觸發(fā)數(shù)增加至原有水平，仍保持較高水平，未達(dá)到警戒值。結(jié)合室內(nèi)巖石單軸受壓實(shí)驗(yàn)研究，進(jìn)一步說(shuō)明，巖石在破壞前，其微震事件數(shù)會(huì)出現(xiàn)急劇增加再明顯下降的過(guò)程。

圖2 片幫礦柱位置

圖3 礦柱上的典型不連續(xù)面

圖4 5月40#傳感器觸發(fā)數(shù)和累計(jì)變化值數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

2.2 礦柱破壞特點(diǎn)

礦柱片幫部位位于其中部，破壞面呈三角形，片幫巖體體積約為3 m3，如圖5所示。通過(guò)對(duì)40#傳感器所采集到的波形分析發(fā)現(xiàn)，大部分波形為上凸起跳型，可以判斷巖石內(nèi)部主要破壞形式為壓剪型，故該礦柱上的X形不連續(xù)面主要為受壓剪應(yīng)力作用所產(chǎn)生。其中部受壓剪應(yīng)力作用時(shí)有剝落，故呈現(xiàn)中部細(xì)長(zhǎng)，上下兩端較粗的現(xiàn)象。室內(nèi)單軸實(shí)驗(yàn)研究表明，巖石破壞是一個(gè)逐漸發(fā)展的過(guò)程，分為3個(gè)階段，即壓密階段、微裂紋萌生和擴(kuò)展階段及斷裂破壞階段，前2個(gè)階段為漸變性，第3階段為突變性。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)片幫礦柱的觀察發(fā)現(xiàn)，礦柱破裂面為微裂紋延伸直至重合所形成的，直至裂紋明顯曲折部位，呈三角塊狀破裂掉落，這表明宏觀的破壞是微裂紋變形破壞的累積反映。故掌握巖體內(nèi)部微觀變化對(duì)預(yù)知巖體宏觀失穩(wěn)垮塌具有重要意義。

圖5 礦柱片幫現(xiàn)場(chǎng)照片

3 結(jié)論

結(jié)合本次成功預(yù)警實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知，微震監(jiān)測(cè)單通道數(shù)據(jù)對(duì)掌握被監(jiān)測(cè)巖體內(nèi)部微破裂狀況及能量的釋放情況具有重要作用。巖體在穩(wěn)定期和相對(duì)穩(wěn)定期，微震事件相對(duì)較少，事件頻度維持在低水平。巖石在超過(guò)其極限強(qiáng)度的應(yīng)力作用下，產(chǎn)生微破裂，并以高頻聲發(fā)射形式釋放能量，微震事件數(shù)會(huì)明顯增多。隨著壓力的增大，巖石內(nèi)部的微破裂會(huì)繼續(xù)萌發(fā)，微震事件數(shù)保持較高水平，此時(shí)，微震監(jiān)測(cè)人員需對(duì)該區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。隨著巖體內(nèi)部微破裂進(jìn)一步擴(kuò)張而形成較大的斷裂面，直至巖體失穩(wěn)垮落，失穩(wěn)巖體在垮落之前，出現(xiàn)間歇性破壞，微震活動(dòng)頻繁，監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)量激增，監(jiān)測(cè)技術(shù)人員需立即進(jìn)行預(yù)警，及時(shí)撤離現(xiàn)場(chǎng)施工人員及設(shè)備，而在臨近垮落時(shí)，微震事件頻數(shù)反而減少，即為發(fā)生沖擊地壓的前兆。伴隨著巖體垮落，巖體內(nèi)部的能量得到釋放，其壓力也會(huì)相對(duì)減小，微震事件頻度降低。

40#傳感器數(shù)據(jù)持續(xù)處于較高水平，說(shuō)明該區(qū)域應(yīng)力活動(dòng)較為活躍，可推斷該礦柱上X形不連續(xù)切割面存在斷裂滑移失穩(wěn)的隱患，因此加強(qiáng)該區(qū)域監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理及地壓管理工作具有重要意義，必要的情況下，可以對(duì)該礦柱進(jìn)行人工加固。

目前微震監(jiān)測(cè)單通道數(shù)據(jù)的識(shí)別及處理主要是通過(guò)能量大小和波形持續(xù)時(shí)間，再結(jié)合經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行人為識(shí)別，對(duì)有用信號(hào)的拾取存在較大誤差，沒(méi)有形成規(guī)范的識(shí)別機(jī)制，因此，在人為拾取的有用波形中，對(duì)其進(jìn)行頻譜分析，掌握其不同于其它信號(hào)的特點(diǎn)，從而加強(qiáng)微震信號(hào)拾取的濾噪能力，形成較好的自動(dòng)識(shí)別功能，并最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)預(yù)警，仍需進(jìn)行大量的研究及探索。

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