復(fù)雜多重采空區(qū)處理過程微震動態(tài)監(jiān)測分析

謝九敬, 彭府華

(1.洛陽欒川鉬業(yè)集團(tuán)股份有限公司, 河南 洛陽市 471500；2.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司湖南 長沙 410012；3.國家金屬采礦工程技術(shù)研究中心, 湖南 長沙 410012)

0 引 言

我國大多數(shù)金屬礦山都不同程度的受到采空區(qū)的影響，特別是一些經(jīng)過幾十年開采的老礦山，比如廣西大廠礦務(wù)局、欒川鉬礦、廠壩鉛鋅礦、廣東大寶山礦和貴州開陽磷礦等。大規(guī)模未處理采空區(qū)的存在嚴(yán)重影響了礦山的安全生產(chǎn)，主要表現(xiàn)為采空區(qū)失穩(wěn)導(dǎo)致地表塌陷、井下采空區(qū)大規(guī)模失穩(wěn)可能引起井下產(chǎn)生高壓氣浪，威脅作業(yè)人員和設(shè)備的安全、大量積水的老采空區(qū)失穩(wěn)還可能引起井下突水事故等。因此，國內(nèi)外專家對采空區(qū)的研究做了大量的工作，主要包括采空區(qū)的安全評價、采空區(qū)空間精確探測、采空區(qū)穩(wěn)定性監(jiān)測和采空區(qū)治理等研究[1￣3]。采空區(qū)的穩(wěn)定是開展生產(chǎn)和研究工作的前提，因此，如何監(jiān)測采空區(qū)穩(wěn)定性是礦山生產(chǎn)和研究工作的重中之重。微震監(jiān)測技術(shù)是目前巖體災(zāi)害監(jiān)測最為先進(jìn)且有效的手段，被廣泛地運(yùn)用在各個方面，比如礦山采空區(qū)穩(wěn)定性監(jiān)測、礦震和深部巖爆監(jiān)測、煤礦沖擊地壓監(jiān)測、殘礦回采穩(wěn)定性與應(yīng)力重分布監(jiān)測、邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測、大爆破及余震監(jiān)測和礦山大范圍巖移監(jiān)測等[4￣8]。

洛陽欒川鉬業(yè)三道莊露天礦是世界著名的鉬鎢生產(chǎn)基地，鉬鎢地質(zhì)儲量達(dá)20億t，三道莊礦床厚大集中，埋藏淺，具有很好的地下開采條件。三道莊礦區(qū)一直以地下采礦為主，從1990年代初開始，礦山為了合理回采資源，開始由地下轉(zhuǎn)露天開采，到目前為止，形成了30000 t/d的露天生產(chǎn)規(guī)模。三道莊礦區(qū)歷史上經(jīng)過幾十年的地下開采，在露天境界下方分布著面積達(dá)120萬m2，體積1800萬m3的地下復(fù)雜采空區(qū)。這些采空區(qū)部分是1980年代民采風(fēng)潮中由個體民采形成的，有的是由1990年代地下采礦形成的，由于受無序開采等歷史原因影響，采空區(qū)分布極為復(fù)雜，再加上受采空區(qū)分布特征資料的缺失和采空區(qū)自身破壞等因素影響，大部分采空區(qū)界限與邊界未知且發(fā)生了變化，導(dǎo)致采空區(qū)空間之間結(jié)構(gòu)力學(xué)體系極其復(fù)雜[9]。為方便對三道莊露天礦的生產(chǎn)管理，采用分區(qū)、分期的方式進(jìn)行空區(qū)處理和生產(chǎn)，將三道莊露天礦分A、B、C、D、E、F 6個采區(qū)，其中D區(qū)采空區(qū)分布量多且復(fù)雜，受采空區(qū)影響最為嚴(yán)重，在之前的生產(chǎn)過程中曾經(jīng)發(fā)生過數(shù)次事故。比如，2007年，對采空區(qū)進(jìn)行處理過程中，在D區(qū)1438水平縱13線附近發(fā)生了大范圍塌方，塌方面積達(dá)到9000 m2，塌陷深度約71 m。2007年以后，在其周邊又陸續(xù)進(jìn)行了多次采空區(qū)處理，也發(fā)生了多次垮塌，最終形成的垮塌面積達(dá)到了約2萬m2。從2006年到2010年，在縱15線到縱17線間，采空區(qū)先后發(fā)生了數(shù)次塌陷，面積約為1.5萬m2。采空區(qū)誘發(fā)的這種大范圍臺階垮塌可能性很高，由此給作業(yè)人員和設(shè)備帶來了很大的安全隱患，嚴(yán)重影響和制約了礦山的可持續(xù)發(fā)展[10]。為了消除這種潛在的安全隱患，礦山與長沙礦山研究院合作，2011年在D區(qū)建立了一套全數(shù)字型多通道微震監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對采空區(qū)穩(wěn)定性的全天候、實(shí)時和立體監(jiān)測。

本文針對復(fù)雜多重采空區(qū)處理穩(wěn)定性問題，對1350采空區(qū)爆破處理前后微震事件動態(tài)演變特征進(jìn)行分析，為采空區(qū)處理過程提供了安全保證，同時，為礦山下一步采空區(qū)處理積累了經(jīng)驗(yàn)，也給其它類似礦山提供了參考。

1 D區(qū)開采歷史與采空區(qū)特征

D區(qū)井下基本按照1180中段、1260中段和1317中段進(jìn)行開采。 1317中段采用房柱法,淺孔鑿巖爆破，1260中段和1180中段采用分段空場法,中深孔鑿巖爆破，中段之間留有20 m的水平礦柱。1317中段分為1340、1350、1360和1376四個分段，采用淺孔爆破，采高為8～10 m，空區(qū)跨度15～30 m。由于分段高度只有10～16 m，因此各分段之間頂?shù)装搴穸葍H為5～6 m，導(dǎo)致1317中段采空區(qū)相互采透貫通現(xiàn)象較多。1260中段分為1260、1280、1300三個分段，采用中深孔爆破，采高為10～15 m，各分段之間頂?shù)装搴穸燃s為5～10 m。但是由于該部分礦體品位較高，在各分段采場回采結(jié)束后，對各分段間的水平礦柱全部進(jìn)行了回收，這樣就形成了標(biāo)高從1260 m到1310 m，高度達(dá)到50 m的采空區(qū)。1180中段分為1180、1192、1205和1223四個分段，同樣對1118中段各分段之間的水平礦柱進(jìn)行了回收，導(dǎo)致形成了標(biāo)高從1180 m到1250 m，高度達(dá)60 m的采空區(qū)。在采礦后期，又對1260中段部分底柱進(jìn)行了回收，從而使得1180中段與1260中段部分上下貫通，形成了1180 m到1310 m的大采空區(qū)。

根據(jù)現(xiàn)有的采空區(qū)資料和后期鉆孔探明的采空區(qū)，D區(qū)共有13層空區(qū)，從上到下依次為： 1376,1350,1345,1340,1317,1300,1280,1260,1223,1205,1192,1180和1151空區(qū)。其中1180,1205,1223,1260,1280,1300空區(qū)之間的水平礦柱已經(jīng)回收，由此形成了從1180 m到1310 m，高度達(dá)130 m，長約540 m，寬約20～40 m，體積約為400萬m3的特大型采空區(qū)。D區(qū)采空區(qū)賦存現(xiàn)狀如圖1所示，采空區(qū)特點(diǎn)見表1所示。

2 微震動態(tài)監(jiān)測分析

2.1 微震系統(tǒng)簡介[11]

D區(qū)建立的微震監(jiān)測系統(tǒng)為井下和地表聯(lián)合監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)為48通道，由地表露天臺階18通道和井下30通道組成。井下傳感器布置在1160 m和1070 m水平，地表傳感器布置在1350 m左右，這種布置方式能夠?qū)崿F(xiàn)D區(qū)上部和深部采空區(qū)的全方位立體監(jiān)測。井下信號由光纜傳輸至地表監(jiān)控室，地表信號采用無線傳輸，這種傳輸方式可以實(shí)現(xiàn)微震信號的實(shí)時監(jiān)測，同時，該系統(tǒng)具有對微震事件的精確定位和強(qiáng)大的后處理功能。微震系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

圖1 D區(qū)采空區(qū)的分布

2.2 采空區(qū)處理與微震監(jiān)測方案

根據(jù)三道莊礦區(qū)內(nèi)各采空區(qū)的賦存特點(diǎn)及其相互關(guān)系,結(jié)合生產(chǎn)、安全的需要，對地下空區(qū)進(jìn)行分區(qū)中深孔或深孔爆破處理。本文以1350空區(qū)處理為例，針對1350空區(qū)特點(diǎn)，在保證采空區(qū)頂板至臺階頂面厚度不小于最小安全厚度的前提下，利用臺階坡面為自由面，用中深孔爆破處理采空區(qū)，見圖3。1350空區(qū)第一次處理區(qū)域?yàn)闄M13～9線，縱ⅩⅧ～ⅩⅨ線之間，穿孔臺階為1390水平與1378,1366水平。穿孔區(qū)總面積11621 m2。第二次爆破處理區(qū)域?yàn)闄M7～9線，縱ⅩⅧ～ⅩⅨ線之間，穿孔臺階為1390水平、1366水平與1354水平，爆破區(qū)總面積9275 m2。采空區(qū)處理位置與D區(qū)傳感器位置關(guān)系如圖4和5所示。由圖6和圖7可以看出，目前已有的傳感器可以實(shí)現(xiàn)對1350空區(qū)處理前后的全天候、實(shí)時和立體監(jiān)測。

表1 采空區(qū)特點(diǎn)

圖2 微震監(jiān)測系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)組成

圖3 采空區(qū)處理方法示意

2.3 采空區(qū)處理前后微震事件動態(tài)變化分析

1350空區(qū)兩次處理時間分別為2013年5月16日和2013年7月4日，圖8為微震系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測圖。從圖可以看出，爆破后，微震事件開始密集增加，這段微震事件密集時間在爆破后2 h內(nèi)，說明爆破后2 h內(nèi)是巖體破裂活躍期。

圖4 空區(qū)處理位置與傳感器位置的平面關(guān)系

圖5 空區(qū)處理位置與傳感器位置的立體關(guān)系

圖6 采空區(qū)爆破處理實(shí)時監(jiān)測結(jié)果

2.3.1 微震非定位事件動態(tài)變化分析

距離1350第一次空區(qū)處理區(qū)域相對較近的為地表d-6傳感器，圖7是爆破處理前后d-6傳感器微震事件變化趨勢圖，可以看出，爆破前微震事件水平很低且變化很小，爆破當(dāng)天微震事件突然增加，并到達(dá)峰值，之后開始下降并恢復(fù)到相對平穩(wěn)水平。距離1350第二次空區(qū)處理區(qū)域相對較近的傳感器為27#，圖8是27#傳感器7月份微震事件水平變化趨勢，可以看出，在爆破當(dāng)天微震事件達(dá)到峰值，之后迅速下降，但是從8號開始，微震事件水平開始重新升高，并在12號達(dá)到峰值，之后迅速下降并回復(fù)到正常水平。

圖7 1350空區(qū)第一次處理附近傳感器微震事件變化趨勢

圖8 1350空區(qū)第二次處理附近傳感器微震事件變化趨勢

圖9是2013年5月份到8月份所有傳感器微震事件變化趨勢，它反映的是D區(qū)整體地壓發(fā)展變化情況?？梢钥闯?，在5月份空區(qū)處理后，微震事件水平突然增加，之后恢復(fù)到相對穩(wěn)定水平，但是該平均事件水平比爆破處理前明顯要高，6月份微震事件水平維持在該變化水平。在7月4號空區(qū)處理后，7月份有兩三次地壓相對活躍期，經(jīng)過7月份的調(diào)整后，8月份地壓恢復(fù)到5月份爆破處理前微震事件水平。

2.3.2 微震定位事件動態(tài)分析

圖10和圖11分別是2013年5月份到8月份巖體破裂定位事件平面圖和立體圖，定位事件一共21個，2013年全年巖體破裂定位事件為35個，其中5月份～8月份事件占全年的60%。并且出現(xiàn)了一個明顯的定位事件聚集區(qū)域，聚集區(qū)域?yàn)?6#、27#傳感器附近。由此可見，1350空區(qū)爆破處理后，在應(yīng)力重新分布過程中，發(fā)生了較大規(guī)模的巖體破裂和垮塌，這是由于空區(qū)處理過程中的爆破震動以及爆破后的碎石堆積可能會加劇下部采空區(qū)頂板和礦柱的壓力，另一方面空區(qū)爆破處理后原有的采空區(qū)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，巖體中應(yīng)力會重新分布，應(yīng)力重分布后可能會導(dǎo)致新的采空區(qū)發(fā)生失穩(wěn)破壞。

圖9 所有傳感器微震事件變化趨勢

因此，從爆破前后微震事件變化趨勢可以看出，爆破區(qū)域附近傳感器微震事件在爆破后達(dá)到峰值，之后迅速下降，經(jīng)過應(yīng)力重分布等調(diào)整后，恢復(fù)到正常水平。這樣一個調(diào)整過程可能持續(xù)幾天到一個月不等，并且在這個調(diào)整過程中很有可能出現(xiàn)局部巖體破裂和垮塌的現(xiàn)象。因此，在日常空區(qū)處理過程中一定要密切關(guān)注傳感器微震事件水平，要對微震事件動態(tài)變化特征進(jìn)行分析，只有當(dāng)微震事件恢復(fù)并保持在相對穩(wěn)定的水平才可以解除對處理區(qū)域的警戒。

圖10 2013年5月份～8月份巖體破裂定位事件平面分布

圖11 2013年5月份～8月份巖體破裂定位事件立體分布

3 結(jié) 論

(1) 詳細(xì)闡述了欒川鉬礦D采區(qū)開采歷史和采空區(qū)特征，介紹了針對該采空區(qū)群建立的微震監(jiān)測系統(tǒng)，并描述了1350空區(qū)處理方法及空區(qū)處理區(qū)域與傳感器位置關(guān)系。

(2) 通過對1350空區(qū)處理過程的實(shí)時監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，爆破后2 h內(nèi)是巖體破裂的活躍期；采空區(qū)處理區(qū)域微震事件水平在爆破后突然增加，經(jīng)過幾天到半個月時間的調(diào)整后恢復(fù)到穩(wěn)定水平；在爆破后應(yīng)力調(diào)整和重分布的這段時期內(nèi)，局部采空區(qū)可能會出現(xiàn)較大規(guī)模的巖體破裂和垮塌。

(3) 目前已經(jīng)建立的多通道微震監(jiān)測系統(tǒng)，可以保證對D區(qū)采空區(qū)處理過程的全天候、實(shí)時和立體監(jiān)測，為礦山的安全生產(chǎn)起到保駕護(hù)航的作用。

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