基于微震監(jiān)測的淺埋礦山地壓活動(dòng)規(guī)律研究*

李 江 江文武 湛可慶

(1.新疆煤炭設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司；2.江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院；3.上海鵬旭信息科技有限公司)

基于微震監(jiān)測的淺埋礦山地壓活動(dòng)規(guī)律研究*

李 江1江文武2湛可慶3

(1.新疆煤炭設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司；2.江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院；3.上海鵬旭信息科技有限公司)

我國民采礦山的礦體埋藏淺、空區(qū)分布復(fù)雜，地壓災(zāi)害事故時(shí)有發(fā)生。針對(duì)傳統(tǒng)地壓監(jiān)測手段存在的缺陷，將微震監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用于淺埋礦山，并對(duì)地壓活動(dòng)規(guī)律及災(zāi)害預(yù)測進(jìn)行研究。結(jié)果表明，微震監(jiān)測系統(tǒng)能夠三維實(shí)時(shí)反應(yīng)井下地壓活動(dòng)狀況，據(jù)此可有效識(shí)別和圈定地壓活動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，對(duì)于礦山安全生產(chǎn)具有一定的參考價(jià)值。

微震監(jiān)測 淺埋礦山 地壓活動(dòng)規(guī)律

傳統(tǒng)地壓監(jiān)測手段的監(jiān)測范圍較小，地壓活動(dòng)反應(yīng)的敏感度低，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警[1-4]。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、地球物理學(xué)和量化地震學(xué)的快速發(fā)展，微震監(jiān)測技術(shù)在國外特別是南非、加拿大等國的深井礦山中得到了廣泛應(yīng)用，在我國也越來越受到企業(yè)和政府部門的重視。對(duì)于微震監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用，大都側(cè)重于高應(yīng)力的深井硬巖礦山，而對(duì)于巖體完整性較差的淺埋礦山，應(yīng)用成果較少。為此，以我國某民采礦山為工程背景，以微震監(jiān)測技術(shù)為手段，開展淺埋礦山的地壓活動(dòng)規(guī)律研究。

1 礦山概況

某礦山淺部距地表僅約50 m，早期存在嚴(yán)重的民采現(xiàn)象，已有80多a的開采歷史，目前礦區(qū)已開拓676，616，556，496，448，388，328，268，208 m共9個(gè)中段，中段高60 m。388 m中段以上為平窿開拓， 328，268 m中段為盲豎井開拓，采礦方法主要有留礦法和階段空?qǐng)龇?。采空區(qū)規(guī)模達(dá)380萬m3(大部分地表崩塌充填，現(xiàn)余空區(qū)60萬m3)，受礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育及開采欠平衡等因素的影響，近年來采區(qū)地壓活動(dòng)較為明顯，地壓活動(dòng)主要集中于西部礦區(qū)、中部礦區(qū)，地壓活動(dòng)以巷道等工程變形、局部地段出現(xiàn)裂縫和底板下沉等形式為主，構(gòu)造帶有明顯的錯(cuò)動(dòng)，已對(duì)礦區(qū)的安全生產(chǎn)構(gòu)成了威協(xié)。

2 微震監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)及風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測理論

2.1 微震監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

整個(gè)IMS微震監(jiān)測系統(tǒng)共有18臺(tái)檢波器，其中三通道檢波器3臺(tái)，268，388，496 m中段各1臺(tái)，單通道微震檢波器15臺(tái)，每個(gè)中段各5臺(tái)，共計(jì)24通道。5個(gè)微震采集站，其中496 m中段有2個(gè)微震采集站，388 m中段有2個(gè)微震采集站，268 m 中段有1個(gè)微震采集站，5個(gè)微震采集站的所有微震數(shù)據(jù)將傳輸至388 m中段變電硐室的同步數(shù)據(jù)輸出中心，通過多端口的專用數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器，由光纖收發(fā)器通過光纖傳輸至監(jiān)控中心的微震服務(wù)器，如圖1所示。

圖1 礦山微震監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)架

2.2 風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測理論

在地震學(xué)的相關(guān)理論中[5-6]，視體積和能量指數(shù)是描述地震孕育過程的2個(gè)重要參數(shù)，經(jīng)常用來描述地震發(fā)生前巖體的變化規(guī)律。由巖石力學(xué)理論可知，巖石在接近破壞時(shí)，變形增長加快而應(yīng)力增長減少；在峰值后區(qū)，應(yīng)力隨變形的增長而下降。根據(jù)巖石的失穩(wěn)理論，巖石進(jìn)入非穩(wěn)定階段后，應(yīng)力下降越快，巖石失穩(wěn)破壞越嚴(yán)重，同理也可通過累積視體積與能量指數(shù)隨時(shí)間的變化獲取地壓災(zāi)害發(fā)生前的信息與規(guī)律。由于能量指數(shù)與微震事件發(fā)生時(shí)震源的驅(qū)動(dòng)應(yīng)力成比例關(guān)系，在此，能量指數(shù)可以表征巖體所受的應(yīng)力狀態(tài)，而視體積可以表征巖體移動(dòng)變形特征。累積視體積與能量指數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律圖可以看作由微震事件計(jì)算所得的巖體應(yīng)力應(yīng)變曲線，當(dāng)某時(shí)刻視體積突然增加，同時(shí)伴隨能量指數(shù)的快速下降，則預(yù)示著該區(qū)域巖體存在失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。此外，一般礦巖失穩(wěn)前，該區(qū)域?qū)?yīng)的地壓活動(dòng)頻繁，微震事件數(shù)呈急劇增加的趨勢，且同時(shí)伴隨能量的釋放也出現(xiàn)突增的現(xiàn)象。

3 監(jiān)測結(jié)果分析

圖2為388 m中段累計(jì)事件云圖，圖中388 m中段地壓活動(dòng)(即微震活動(dòng))區(qū)域主要集中于礦體西部，微震活動(dòng)與采礦活動(dòng)關(guān)聯(lián)性較高，微震監(jiān)測期間，在388 m中段安排生產(chǎn)的采場有8#～12#線的3102S，3810S，1812采場以及2#～4#線的124，102采場，臨近388 m中段的328 m中段安排生產(chǎn)的采場有8#～12#線的3812S，1812采場，2#～4#線的124采場，以及0#～3#線的301S，313S采場。由于該類采場的采礦活動(dòng)破壞了相鄰圍巖的平衡狀態(tài)，促使采礦作業(yè)點(diǎn)相鄰圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移，誘發(fā)新的巖體裂隙并擴(kuò)展，直至圍巖達(dá)到新的平衡狀態(tài)。由此可知，形成微震活動(dòng)的聚集區(qū)即為地壓活動(dòng)的活躍區(qū)域，其中以2#～4#線的124采場相鄰區(qū)域微震活動(dòng)最為活躍，8#～12#線的3102S，3810S采場的相鄰圍巖區(qū)域次之，這也說明，采礦活動(dòng)引起2#～4#線的124采場相鄰區(qū)域應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯。

圖2 388 m中段累計(jì)的事件密度云圖

由圖2(b)可知，388 m中段微震事件累計(jì)10個(gè)月時(shí)，328～388 m中段對(duì)應(yīng)的124采場呈現(xiàn)明顯的微震事件聚集區(qū)，該區(qū)域巖體穩(wěn)定性的發(fā)展趨勢將影響后續(xù)該相鄰區(qū)域的安全生產(chǎn)，有必要對(duì)其進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析預(yù)測。

2012年12月和2013年1月對(duì)應(yīng)的328～388 m 中段124采場相鄰區(qū)域的事件統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖3。圖3(a)顯示，在2012年12月，124采場產(chǎn)生的單日事件數(shù)總體較少，為3～4個(gè)，但由2013年1月5日開始，該區(qū)域產(chǎn)生的單日事件數(shù)明顯增加，且連續(xù)數(shù)日均保持10個(gè)事件數(shù)，這表明在這段時(shí)間內(nèi)，該區(qū)域的地壓活動(dòng)頻繁，見圖3(b)。

圖3 微震事件柱狀圖

另外，累積視體積與能量指數(shù)、施密特?cái)?shù)關(guān)系曲線圖也顯示：在2013年1月8日前后，累計(jì)視體積存在明顯的徒增現(xiàn)象，同時(shí)能量指數(shù)、視體積快速下降，這預(yù)示著124采場附近區(qū)域巖體破壞明顯，巖體進(jìn)入非穩(wěn)定狀態(tài)，巖體存在失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。此外，結(jié)合能量釋放量與時(shí)間的變化情況可知，在2013年1月1日時(shí)，該區(qū)域巖體儲(chǔ)存的應(yīng)變能得到了突然釋放(圖4)，這說明該區(qū)域巖體存在一定程度的破壞，穩(wěn)定性降低。

圖4 能量釋放與時(shí)間的關(guān)系

上述微震監(jiān)測獲取的各項(xiàng)指標(biāo)，均預(yù)示著井下124采場相鄰區(qū)域存在較大的失穩(wěn)概率，2013年1月9日系統(tǒng)便在該區(qū)域發(fā)出了風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，在發(fā)出預(yù)警后的第4天，井下328，388 m 中段的124采場礦柱破壞，124采場幾百平米區(qū)域全部垮塌，頂板冒落已波及至地表，形成較大的沖擊地壓，如圖5所示。在后續(xù)幾天內(nèi)，該區(qū)域?qū)?yīng)的單日事件數(shù)仍較大，尤其是2013年1月17日—19日，累計(jì)視體積仍然呈現(xiàn)出陡增現(xiàn)象，這主要由于前期的大規(guī)模巖體冒落誘發(fā)相鄰巖體二次應(yīng)力調(diào)整，新裂隙產(chǎn)生或裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展貫通，導(dǎo)致了局部二次巖體冒落。

圖5 388 m中段124采場地壓活動(dòng)引起的巖體破壞情況

4 結(jié) 論

(1)微震監(jiān)測系統(tǒng)能夠全面有效地監(jiān)控礦區(qū)井地壓活動(dòng)狀況，從三維空間角度實(shí)時(shí)記錄和跟蹤井下礦巖在采礦活動(dòng)擾動(dòng)下巖石微破裂的萌生、發(fā)育和擴(kuò)展的趨勢，從而有效識(shí)別和圈定逐漸形成的巖石微破裂聚集帶和地壓活動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，為深入揭下示井下地壓顯現(xiàn)規(guī)律，礦巖失穩(wěn)漸進(jìn)破壞過程和發(fā)生的條件提供依據(jù)。

(2)淺埋礦山在巖體失穩(wěn)前，微震事件的活動(dòng)日趨頻繁，如微震監(jiān)測指標(biāo)呈現(xiàn)出如下特征時(shí)，巖體失穩(wěn)的概率較大：①對(duì)應(yīng)區(qū)域產(chǎn)生的單日微震事件數(shù)明顯增加，連續(xù)數(shù)日達(dá)到7～10個(gè)；②在該時(shí)間段內(nèi)，巖體累計(jì)的應(yīng)變能釋放量呈陡增趨勢；③累計(jì)視體積呈快速增大趨勢，同時(shí)能量指數(shù)呈快速下降趨勢。

[1] 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(dòng)規(guī)律研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26(4)：818-524.

[2] 趙興東，石長巖，劉建坡，等.紅透山銅礦微震監(jiān)測系統(tǒng)及應(yīng)用研究[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，29(3)：399-402.

[3] 袁節(jié)平，胡靜云，周愛民，等.柿竹園多通道微震監(jiān)測系統(tǒng)的建立及應(yīng)用研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2010，30(6)：12-14.

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

[5] 唐禮忠.深井礦山地震活動(dòng)與巖爆監(jiān)測及預(yù)測研究[D].長沙：中南大學(xué)，2008.

[6] 楊承徉.深井金屬礦床高效開采及地壓監(jiān)測控制技術(shù)研究[D].長沙：中南大學(xué)，2007.

Research on the Earth Pressure Activity of the Shallow Buried Mine Based on Microseismic Monitoring

Li Jiang1Jiang Wenwu2Zhan Keqing3

(1. Xinjiang Coal Design and Research Institute Co., Ltd.; 2.College of Applied Science,Jiangxi University of Science and Technology; 3. Jiangxi Pengxu information and technology Co., Ltd.)

There private mine in our country with the characteristics of shallow ore mines, empty area distribution complex, the ground pressure disasters happen occasionally. Aiming at the shortcomings of the traditional press-monitoring tools,the microseismic monitoring system mining is applied to the shallow buried mines, the law of earth pressure activities and disaster prediction are researched. The research results show that, the overall situation of ground pressure can be showed in real-time with three-dimensional form, on the basis of the situation, the ground pressure risk areas are identified and delineated effectively. The research results in this paper can provide reference to ensure mine safety production.

Microseismic monitoring, Shallow buried mine, Law of earth pressure activity

*國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：51004007);江西省教改課題項(xiàng)目(編號(hào)：JXJG-12-81-1)。

2015-01-15)

李 江(1978—)，男，高級(jí)工程師，博士，830091 新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市。