某深井礦山地壓災害綜合監(jiān)測技術(shù)研究*

胡文達 ,劉曉輝 ,王貽明

(1.北京科技大學 土木與環(huán)境工程學院， 北京 100083； 2.中色非洲礦業(yè)有限公司， 北京 100083)

0 引 言

由于淺部金屬礦產(chǎn)資源即將消耗殆盡，目前我國大部分金屬礦山已經(jīng)或即將進入深部開采[1]。隨著開采深度的延伸，礦山回采將遇到高應力、大變形等一系列地壓問題，這些問題是造成深部開采動力災害的主要原因[2]。因此，對深井開采地壓活動規(guī)律的監(jiān)測與研究顯得尤為必要，目前礦山動力災害的監(jiān)測手段主要包括常規(guī)的壓力-位移監(jiān)測，聲發(fā)射監(jiān)測以及微震監(jiān)測技術(shù)。應用情況表明[3,4]：微震監(jiān)測技術(shù)對大范圍開采巖體地壓活動規(guī)律的實時監(jiān)測具有顯著的優(yōu)勢，但對局部小范圍關(guān)鍵工程的控制精度仍難以滿足生產(chǎn)的要求。而巖體壓力-位移數(shù)據(jù)的監(jiān)測盡管是間斷和靜態(tài)的，但仍具有重要的工程實用價值，是對微震監(jiān)測系統(tǒng)的有益補充。

某深井礦山采深超過1300 m，為了控制和防止深部資源開采過程中采動災害的發(fā)生，礦山在建立常規(guī)壓力-位移監(jiān)測網(wǎng)絡的同時，引進了微震監(jiān)測系統(tǒng)[5]。本文利用ISS微震監(jiān)測系統(tǒng)獲取開采區(qū)域的巖體活動信息，同時配合靜態(tài)壓力-位移監(jiān)測，通過對多種手段獲得的監(jiān)測結(jié)果進行多元耦合分析，及時掌握開采區(qū)域圍巖穩(wěn)定性變化，指導礦山安全生產(chǎn)。

1 工程背景

礦體賦存于下石炭統(tǒng)擺佐組上部粗晶白云巖中，礦體頂、底板與圍巖界限清楚，沿層產(chǎn)出。礦體產(chǎn)狀與地層一致，走向北20°～40°東；傾向南東，傾角61°～63°。礦體水平厚度2.5～18.8 m，平均水平厚度9.93 m。平面上為中部厚大，沿走向端部變薄或分枝尖滅；剖面上為上部薄或分支尖滅；向深部逐漸變厚。礦體工業(yè)儲量位于1571 m以下，儲量計算底界標高1167 m。工程地質(zhì)調(diào)查結(jié)果顯示，開采區(qū)域巖體穩(wěn)定性較差，且具有中等-強烈的巖爆傾向性，在開采過程中應注意巖爆等采動災害的防治[6,7]。

采用上向水平進路膏體充填采礦法進行回采，階段高60 m，分層高3 m，礦體被采出后，利用高濃度尾砂膠結(jié)充填處理空區(qū)[8]。每分層沿礦體走向布置2～3個盤區(qū)，長約60～80 m，寬為礦體厚度。對于中間厚大礦體，按照先礦房后礦柱兩步驟回采，采場垂直礦體走向布置；對于兩端薄礦體，則布置沿礦體走向的進路一次性回采。

2 監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建

2.1 微震監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建

微震監(jiān)測系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分，硬件系統(tǒng)由地震傳感器、數(shù)據(jù)采集單元地震儀、井下通信控制中心、地面監(jiān)測控制中心及終端用戶計算機等組成。軟件系統(tǒng)包括實時監(jiān)測軟件RTS，地震學分析軟件JMTS及地震活動可視化解釋分析軟件JDI[9]。系統(tǒng)通過傳感器采集微震信號并進行前置放大，信號經(jīng)電纜傳輸傳至井下數(shù)據(jù)交換中心，再由光纖轉(zhuǎn)發(fā)器傳輸至地表監(jiān)控室，最后通過終端計算機內(nèi)安裝的JMTS及JDI等軟件實現(xiàn)對微震信號的量化處理及可視化分析。系統(tǒng)監(jiān)測核心范圍為1451～1331 m中段，同時兼顧1511～1451 m中段，經(jīng)過人工震源定位測試，系統(tǒng)定位精度的最大誤差為8 m，最小誤差僅為0.3 m，可保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的真實性和可靠性[10]。

2.2 常規(guī)應力位移監(jiān)測網(wǎng)絡

巖體壓力監(jiān)測采用振弦式鉆孔應力計，安裝時將傳感器設置于Φ45 mm鉆孔中2 m深位置處。應力計所監(jiān)測的不是巖體中的絕對應力，而是反映巖體中的應力隨時間的變化值。巖體位移監(jiān)測采用多點位移計，所觀測的參數(shù)是沿埋設多點位移計鉆孔的軸向位移[11]。

由于礦體底部出礦工程巷道斷面大，布置形式復雜，受回采擾動的影響大，而且承擔礦體頂板的壓力。因此，應力位移監(jiān)測工作的重點為底部出礦工程。根據(jù)此原則，地壓監(jiān)測測點布置如下：在1331,1345,1369,1391 m水平兩端出礦巷道附近分別布置兩個監(jiān)測區(qū)域，每個區(qū)域安裝3套鉆孔應力計及2套多點位移計，其中1#，2#，3#應力計分別監(jiān)測巖層走向，鉛垂方向以及垂直巖層走向上的壓力；1#，2#位移計分別監(jiān)測巖層走向及垂直走向上的位移變化。

3 基于微震監(jiān)測信息的地壓活動分析

微震活動是礦巖變形、裂紋擴展過程中的伴生現(xiàn)象，它與礦巖的力學行為密切相關(guān)。因此，微震信號中包含了大量關(guān)于圍巖受力破壞以及地質(zhì)缺陷活化過程的有用信息[12]。

3.1 地壓活動區(qū)圈定

微震監(jiān)測系統(tǒng)可對大范圍開采區(qū)域巖體的地壓活動規(guī)律進行動態(tài)的實時監(jiān)測，接收到的地震事件通過JDI軟件在地層模型中三維顯示，如圖1所示，球體表示地震事件，球的位置為地震震源位置，球的顏色由深到淺分別表示地震事件發(fā)生的先后時間。

圖1為2007年8～12月系統(tǒng)監(jiān)測情況，從圖中可觀察到地震事件主要集中在兩個區(qū)域。區(qū)域1中微震活動主要分布于1565 m水平附近，而區(qū)域2中微震事件則集中在1331～1391 m水平，同時1261 m水平也產(chǎn)生了少量微震事件。對比井下采掘計劃可知，研究期間內(nèi)井下正在回采1565 m中段以及1331中段，同時，1261 m中段有少量采準工程正在施工。由此可知，微震活動主要與井下采掘活動緊密相關(guān)，礦體開采導致局部巖體應力集中，從而引起其內(nèi)部裂隙的貫通、擴展，并以地震波的形式釋放。本文中主要針對區(qū)域2中的微震活動進行分析，利用系統(tǒng)JDI軟件對該區(qū)域進行圈定，并過濾其它數(shù)據(jù)的干擾，如圖1所示。

圖1 地震事件集中區(qū)的圈定

3.2 地壓活動規(guī)律分析

針對圈定活動區(qū)內(nèi)微震事件，利用系統(tǒng)后處理程序JMTS對事件進行地震學量化分析，從而得到一系列的微震參數(shù)，如微震事件數(shù)N，微震能量E，視在體積(Apparent volume)VA，能量指數(shù)EI等[10]。N表示一定時間域內(nèi)系統(tǒng)記錄到的微震活動次數(shù)，其值越大，表示微震活動越活躍;視體積VA用于對巖體的同震非彈性變形進行精確描述，其值越大，則區(qū)域巖體的變形越大。實際應用情況表明：上述兩參數(shù)對于不同地質(zhì)情況均具有較好的適應性，一般通過對其累計量的時間序列曲線CNE(Cumulate number of events)以及CAV(Cumulate apparent volume)的變化特征來研究井下地壓活動規(guī)律[13-14]。1331 ～1391 m水平在2007年8 -12月之間微震活動的CNE及CAV曲線(見圖2)?；诂F(xiàn)場采掘活動及聲發(fā)射理論分析可知：其變化具有以下三種特征，并分別對應不同的巖石破壞階段。

(1) 平靜期。在此期間內(nèi)，微震活動較少，CNE及CAV曲線呈恒定不變的趨勢。該過程等同于巖體的初始受載階段，即開采活動導致原巖應力變化，圍巖應力集中，但由于受載較小，僅造成其內(nèi)部裂隙閉合，而不產(chǎn)生新的裂隙，因此微震活動較為平靜。此時巖體是穩(wěn)定的。

(2) 穩(wěn)定期。某些時段微震活動表現(xiàn)平穩(wěn)增加的特點，即微震事件隨機發(fā)生且相互獨立，其具體表現(xiàn)為CNE及CAV曲線隨時間呈線性增加。如圖2中10 月13～20日，這表明隨著回采進路向前推進，空區(qū)面積變大，從而導致圍巖應力集中加劇，其內(nèi)部裂隙開始發(fā)展，貫通，同時伴隨一定量的微震活動。該過程相當于巖石的彈性變形階段，屬于巖體裂隙的穩(wěn)定擴展階段，此時巖體是穩(wěn)定的。

(3) 突發(fā)期。微震活動并不總是保持平穩(wěn)狀態(tài)，有些時候微震事件會頻繁發(fā)生，呈現(xiàn)出突然增大的特征，其反映了區(qū)域內(nèi)某一局部巖體應力的增強變化。圖2中9月6～13日及12月12～16日，微震活動表現(xiàn)較為平靜后以震群的形式密集發(fā)生，CNE及CAV曲線明顯變陡，且持續(xù)近一周的時間。這種突發(fā)特征是巖體裂紋發(fā)生貫通的前兆特征，即巖體處于裂隙的不穩(wěn)定擴展階段，巖體即將發(fā)生宏觀破壞。

以上分析表明：微震活動與巖體受載過程中的性狀變化緊密相關(guān)，通過觀察微震活動在時間上的變化趨勢，可以推斷巖體所處的破壞階段，進而對其穩(wěn)定性做出評價。但由于井下工程布置復雜，地質(zhì)條件多變，微震活動存在一定的隨機性，同時，由于系統(tǒng)固有誤差，微震技術(shù)對于大范圍巖體活動的監(jiān)測具有優(yōu)勢，而對于局部關(guān)鍵工程的控制精度仍難以滿足生產(chǎn)的要求。

圖2 2007年8～12月CNE及CAV曲線

4 壓力位移監(jiān)測結(jié)果分析

對1369 m分段在2007年8～12月間的壓力位移監(jiān)測信息進行了統(tǒng)計，并制作了相應的時間序列曲線，如圖3所示。

由圖3(a)可知，三個方向上的壓力在監(jiān)測初始階段上下波動，起伏較大，經(jīng)過一段時間后呈總體增加的趨勢。其中，沿礦體走向的應力變化最為明顯，這說明開采活動中，圍巖在走向方向受到的影響最大，究其原因，主要是由于采場垂直構(gòu)造主應力(礦體走向)布置，使得圍巖周邊應力分布極不均勻，從而產(chǎn)生了較大的水平壓力，并導致圍巖在走向方向上產(chǎn)生了較為明顯的位移，如圖3(b)所示。為改善圍巖的受力狀態(tài)，應將進路方向調(diào)整為與構(gòu)造主應力方向一致，即沿走向布置。

由圖3(a)可知，監(jiān)測過程中，壓力值出現(xiàn)了幾次先增大再減小的反復變化，這可能是由于開采后利用膏體充填處理空區(qū)，導致巷道圍巖的應力集中情況得到改善，從而表現(xiàn)出壓力值降低。但隨著上分層礦體的回采，圍巖應力集中加劇，壓力值再次增大。在如此反復加載過程中，圍巖內(nèi)部損失逐漸累積，并表現(xiàn)出一定的位移變化，如圖3(b)所示，觀察發(fā)現(xiàn)，在12月之前，應力量雖有起伏，但位移量平穩(wěn)增加，說明巖體活動是穩(wěn)定的；但此后壓力值持續(xù)減小，而位移值呈現(xiàn)出陡增的趨勢，這種變化趨勢預示著巖體已經(jīng)進入失穩(wěn)破壞階段，應立即采取加強支護等相應措施。

圖3 監(jiān)測數(shù)據(jù)的時間序列分析

研究表明：通過對“壓力-位移”監(jiān)測數(shù)據(jù)的時間序列分析，可以在一定程度上推斷巖體活動的變化規(guī)律。但由于其具有間斷、靜態(tài)監(jiān)測的缺點，往往導致巖體穩(wěn)定性評價滯后，對實際生產(chǎn)的意義不大。

5 監(jiān)測信息耦合分析

通過對微震信息及壓力-位移數(shù)據(jù)的綜合分析來判斷巖體的穩(wěn)定性是更為準確可行的方法。根據(jù)前述研究結(jié)果，結(jié)合礦山地震學理論[15-17]，提出了4個基于“微震-應力”耦合關(guān)系來評價巖體穩(wěn)定性的判別模式。

5.1 “微震-應力”耦合模式

(1) “平靜-升壓”模式。該模式中應力升高，但微震活動較為平靜。這時雖然巖體應力不斷升高，但還沒有超過歷史最大應力，因此巖體內(nèi)部并沒有新的損傷擴展，微震活動較少，CNE及CAV曲線表現(xiàn)為恒定不變，此時巖體較為穩(wěn)定。

(2) “穩(wěn)定-升壓”模式。該模式下圍巖應力不斷升高，微震活動相對活躍，CNE及CAV曲線呈線性增加。此時巖體內(nèi)部壓力增大，但還沒有達到巖石的極限承載力，其內(nèi)部裂隙呈穩(wěn)定擴展，巖體是穩(wěn)定的。

(3) “突發(fā)-卸壓”模式。巖體在該監(jiān)測期內(nèi)，應力持續(xù)下降，而微震活動卻非?；钴S，CNE及CAV曲線呈陡增趨勢。這說明此時巖體中的應力已超過了歷史最大應力，巖體本身已破壞，因而承載力不斷下降，故監(jiān)測到的巖體內(nèi)部應力值也持續(xù)下降。此時要特別巖體的位移變化，若位移出現(xiàn)突然加速趨勢，說明巖體即將進入失穩(wěn)階段。

(4) “平靜-卸壓”模式。該模式中，監(jiān)測到的壓力值不斷減小，微震活動也較為“平靜”，這相對于巖體加載后的卸載過程，在實際生產(chǎn)中則對應于采場充填后圍巖應力集中得到改善，由此可以判定巖體是穩(wěn)定的。

5.2 巖體穩(wěn)定性評價的一般模式

根據(jù)研究結(jié)果，建立了通過微震活動及應力位移監(jiān)測信息進行巖體穩(wěn)定性評價的一般模式。首先，通過監(jiān)測系統(tǒng)獲取大范圍微震活動的空間分布，并利用系統(tǒng)可視化工具圈定地壓活動集中區(qū)。然后對集中區(qū)內(nèi)微震事件進行量化處理，分析其地震學參數(shù)的時間變化過程，同時結(jié)合關(guān)鍵工程處的應力位移信息，通過對多元監(jiān)測信息的耦合分析，判斷區(qū)域巖體的穩(wěn)定性。

5.3 應用實例

2007年12月左右，研究實例的巖體內(nèi)壓力持續(xù)降低，而微震活動較為活躍，CNE及CAV曲線出現(xiàn)突增的異常，同時，圍巖位移也表現(xiàn)出明顯增大的趨勢。綜合分析后推斷：1369 m水平巷道與出礦道相交的丁字口區(qū)域在近期可能發(fā)生失穩(wěn)破壞，提出采用管縫錨桿及長錨索進行加強支護。結(jié)果在12月9日早班，該區(qū)域出現(xiàn)了局部小規(guī)模的冒落現(xiàn)象，且頂板巖體出現(xiàn)斷裂。應用實踐表明：該方法綜合考慮了巖體破壞過程中的微震及應力應變信息，避免了單種監(jiān)測手段的局限性和偶然性，有效提高了采動災害的預警精度。

6 結(jié) 論

(1) 生產(chǎn)礦山微震活動與采掘活動緊密相關(guān)，并呈平靜期、穩(wěn)定期及突發(fā)期3種特征交替變化，其分別對應圍巖裂隙壓密、彈性變形以及失穩(wěn)破壞的破壞階段。

(2) 開采活動中，圍巖在走向方向受到的影響最大，為改善圍巖的受力狀態(tài)，應將回采進路方向調(diào)整為與構(gòu)造主應力方向一致，即沿走向布置。

(3) 提出了4種基于“微震-壓力”耦合關(guān)系來評價巖體穩(wěn)定性的判別模式。其分別為：“平靜-升壓”、“穩(wěn)定-升壓”、“突發(fā)-卸壓”以及“平靜-卸壓”模式，其中“突發(fā)-卸壓” 模式說明巖體即將進入失穩(wěn)階段，可以作為采動災害的預警標志。

(4) 該聯(lián)合監(jiān)測方法綜合考慮了巖體破壞過程中的微震及應力應變信息，避免了單種監(jiān)測手段的局限性和偶然性，有效提高了采動災害的預警精度。

參考文獻：

[1]王春來，吳愛祥，劉曉輝，等．深井開采微震活動容量維Df變化特征[J]．北京科技大學學報，2010，32(11)：1379-1382.

[2]楊承祥，羅周全，唐禮忠．基于微震監(jiān)測技術(shù)的深井開采地壓活動規(guī)律研究[J]．巖石力學與工程學報，2007，26(4)：818-824.

[3]楊承祥．深井金屬礦床高效開采及地壓監(jiān)控技術(shù)研究[D]．長沙：中南大學,2007.

[4]趙興東，唐春安，李元輝，等．基于微震監(jiān)測及應力場分析的沖擊地壓預測方法[J]．巖石力學與工程學報，2005，24(1)：4746-4749.

[5]王春來，吳愛祥，徐必根，等．某深井礦山微震監(jiān)測系統(tǒng)建立與網(wǎng)絡優(yōu)化研究[C]//第十屆巖石力學與工程大會論文集．北京：中國電力出版社，2008：120-128.

[6]朱家銳，潘 懿，王春來，等．應用Kaiser效應測定會澤鉛鋅礦地應力[J]．采礦技術(shù)，2008，8(2)：26-28.

[7]唐紹輝，吳壯軍，陳向華．地下深井礦山巖爆發(fā)生規(guī)律及形成機理研究[J]．巖石力學與工程學報，2003，22(8)：1250-1254.

[8]劉曉輝，吳愛祥，王春來，等．云南會澤鉛鋅礦微震監(jiān)測系統(tǒng)應用研究[J]．金屬礦山，2010 (1)：151-154.

[9]Wang Chun-lai，Wu Ai-xiang，Liu X．H．Mechanisms of microseismic events occurred in deep heard-rock mine of china [C]//Proceedings of the 7th International Symposium on Rockburst and Seismicity in Mines．New Jersey：Rinton Press，2009：245-251.

[10]Wang Chun-lai，Wu Ai-xiang，Liu Xiao-hui, et al.．Study on fractal characteristics of b value with microseismic activity in deep mining[J]. Procedia Earth and Planetary Science,2009, 1(1): 592-597.

[11]蔡美峰，孔留安，李長洪，等．玲瓏金礦主運巷塌陷治理區(qū)穩(wěn)定性動態(tài)綜合監(jiān)測與評價[J]．巖石力學與工程學報，2007，26(5)：886-894.

[12]Ortlepp，W，D．RaSiM comes of age-a review of the contribution to the understanding and control of mine rock bursts [C]//Proceedings of the 6th International Symposium on Rockbursts and Seismicity in Mines．Perth：Australian Centre for Geomechanics press，2005：3-20.

[13]劉曉輝，吳愛祥，王春來，等．某深井礦山巖爆預測模式研究[J]．采礦與安全工程學報，2012，29(1)：78-83.

[14]楊志國，于潤滄，郭 然，等．基于微震監(jiān)測技術(shù)的礦山高應力區(qū)采動研究[J]．巖石力學與工程學報，2009，28(z2)：3632-3638.

[15]紀洪廣，蔡美峰．混凝土材料聲發(fā)射與應力-應變參量耦合關(guān)系及應用[J]．巖石力學與工程學報，2003，22(2)：227-231.

[16]紀洪廣，喬 蘭，張樹學，等．深部巖體穩(wěn)定性評價的聲發(fā)射-壓力耦合模式[J]．中國礦業(yè)，2001，10(2)：51-54.

[17]Mendecki,A,J. Seismic Monitoring in Mines[M]. London: Weinheim.1997.