微震技術(shù)在江西某鎢礦地壓活動監(jiān)測中的應(yīng)用

藍(lán)恩桂 李凌飛

(1.江鎢集團(tuán)江西漂塘鎢業(yè)有限公司；2.上海鵬旭信息科技有限公司)

江西某鎢礦始發(fā)現(xiàn)于20世紀(jì)初，屬于多金屬-石英細(xì)脈型高溫?zé)嵋旱V床。建礦后經(jīng)60多年開采，形成了大量采空區(qū)，暴露面大，加之礦區(qū)斷層發(fā)育，特別是F2、F3兩大斷層斜切整個礦體，以及F5、F6等大斷層的存在，導(dǎo)致礦區(qū)井下地壓活動頻繁，嚴(yán)重威脅了礦井安全生產(chǎn)[1]。該礦地壓活動的顯現(xiàn)形式主要為平窿有明顯開裂、破碎帶附近澆灌水泥墻面出現(xiàn)裂縫、頂板金屬支護(hù)設(shè)施下沉被壓彎、水溝的水出現(xiàn)下滲、裝礦機道底板塌陷、采空區(qū)間柱嚴(yán)重扭曲變形、巖塊崩落產(chǎn)生大量裂縫、采場片幫冒頂增加等[2]。

為分析和控制地壓活動，預(yù)防地壓災(zāi)害發(fā)生，礦區(qū)通過設(shè)置測量標(biāo)志、安裝地壓木滑尺，采用全站儀點對點滑動位移測量以及較先進(jìn)的便攜式巖體聲發(fā)射監(jiān)測儀等對地壓活動進(jìn)行監(jiān)測，在一定時間段內(nèi)，為礦區(qū)安全生產(chǎn)提供了大量有價值的監(jiān)測數(shù)據(jù)，在一定程度上發(fā)揮了地壓活動的監(jiān)測預(yù)警作用。但該類方法的不足在于：監(jiān)測受環(huán)境干擾大，讀數(shù)不精確；人工監(jiān)測為間斷性的定期或不定期監(jiān)測，時效性差，難以及時獲得地壓活動監(jiān)測數(shù)據(jù)；監(jiān)測人員必須到地壓活動現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)測，給監(jiān)測人員的安全帶來了隱患。為此，本研究采用IMS微震監(jiān)測技術(shù)對該礦地壓活動進(jìn)行監(jiān)測分析。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

江西某鎢礦于2011年10月引進(jìn)了南非IMS微震監(jiān)測技術(shù)，分2期工程建立了41通道IMS微震地壓監(jiān)測系統(tǒng)(圖1)，以實現(xiàn)全天候在線監(jiān)測地壓活動，及時、準(zhǔn)確獲取地壓活動信息，掌握地壓活動規(guī)律[3]。系統(tǒng)總通道數(shù)達(dá)到41個，傳感器29個，合理分布于496，448，388，328，268 m中段。系統(tǒng)重點監(jiān)控268～496 m中段的中、西部III#帶采空區(qū)和西部I#帶采空區(qū)，同時適當(dāng)兼顧監(jiān)控礦區(qū)北組區(qū)域的地壓活動。

準(zhǔn)確和靈敏地獲取微震事件的震源數(shù)據(jù)是利用微震技術(shù)分析地壓活動規(guī)律的基礎(chǔ)[4]，通過Vantage可視化分析軟件進(jìn)行數(shù)值建模分析，可知系統(tǒng)對礦區(qū)內(nèi)目標(biāo)監(jiān)測區(qū)域所發(fā)生的微震事件的空間定位誤差基本可以達(dá)到10 m以內(nèi)，里氏震級-2.5級以上的事件可以被準(zhǔn)確地觸發(fā)和定位。為了盡可能減少應(yīng)力波在經(jīng)過空區(qū)、大斷裂帶以及解理裂隙發(fā)育區(qū)域發(fā)生能量衰減，降低應(yīng)力波繞行引起的定位誤差[5]，本研究在268，388，496 m中段共選取了3個圍巖完整性較好，且在50 m范圍內(nèi)無較大空區(qū)和斷裂帶分布的區(qū)域進(jìn)行了巷道孔壁內(nèi)小藥量爆破試驗，結(jié)果表明，實際定位誤差分別為8.3，9.1，6.8 m，均小于10 m。可見該系統(tǒng)對于礦區(qū)微震事件的定位精度較優(yōu)[6]。

2 礦區(qū)地壓活動規(guī)律分析

2.1 礦區(qū)整體地壓活動規(guī)律

圖1 微震系統(tǒng)架構(gòu)

2017年全年(2017年1月1日00:00:00—2017年12月31日23:59:59)，微震系統(tǒng)共監(jiān)測到 14 223 個不同微震事件，平均每天發(fā)生約40～50個事件。微震事件主要聚集于268，328，388 m中段，其次為448，496，208，556，616 m中段。微震事件數(shù)量反映了相關(guān)區(qū)域的地壓活動劇烈程度[7]，由此可見該礦區(qū)328 m中段地壓活動最為強烈，其次依次為388，268，448，496，208，556，616 m中段(表1)。

表1 各中段微震事件數(shù)量統(tǒng)計

388 m中段為礦區(qū)東西走向最長、南北跨度最大的一個中段，因此可以該中段平面為基點，將全礦區(qū)劃分為西部、中部、東部和北部。其中，西部西起礦區(qū)西部邊界，東以0#線為界，北至F2斷層北部已探明邊界，南至礦區(qū)南界；中部為0#～15#線，南北界以西部北界順延；東部西起15#線，東至礦區(qū)東界，南北與中部對應(yīng)界順延(圖2)。各區(qū)微震事件統(tǒng)計數(shù)據(jù)件表2。

表2 礦區(qū)各區(qū)域微震事件統(tǒng)計

圖2 礦區(qū)分區(qū)示意

分析表2可知：礦區(qū)中部與西部是微震事件相對聚集的區(qū)域，表明兩者地壓活動相對劇烈，與礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造和開采強度息息相關(guān)[8]，F(xiàn)2斷層自北向南橫切西部Ⅰ#帶和Ⅲ#帶礦脈，F(xiàn)5斷層自西向東貫穿整個Ⅲ#帶礦體，2條斷層在Ⅲ#帶西部相交，導(dǎo)致相關(guān)區(qū)域巖性破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，并且Ⅰ#帶和Ⅲ#帶的中西部采場是礦區(qū)全年主要開采區(qū)域，開采擾動也加劇了該類區(qū)域的地壓活動。

2.2 礦區(qū)局部地壓活動規(guī)律

總體上，礦區(qū)268，328，388 m中段為地壓活躍區(qū)域，中部、西部為地壓活躍區(qū)域。本研究以328 m中段為例，分析該中段各區(qū)域的地壓活動規(guī)律。在Vantage可視化分析軟件中設(shè)置時間段為2017年1月1日00:00:00—2017年12月31日11:59:59，而后選取空間過濾器，將空間邊界范圍選取為328 m中段，在3D視圖上可以直接將該時間段內(nèi)發(fā)生于該中段的微震事件進(jìn)行直觀地顯示(圖3)。分析圖3可知：①328 m中段2017年全年有7個事件相對較為聚集的區(qū)域，7個明顯事件聚集的區(qū)域中，2#、3#、4#、5#、7#區(qū)域有明顯的事件聚集現(xiàn)象；②位于西部的1#、2#、3#、4#區(qū)域被F3、F5、F6斷層包裹，表明相關(guān)區(qū)域同時受3條斷層共同影響，解理裂隙急劇發(fā)育，地壓活動劇烈；③累積的微震事件以大致垂直角度簇狀聚集于F3、F5斷層，此外，東部的F2斷層也存在幾乎垂直于走向的事件聚集形態(tài)，表明沿斷層走向的垂直方向存在著明顯的構(gòu)造應(yīng)力影響區(qū)域，并且具備了明顯的方向性和區(qū)域性，與礦區(qū)構(gòu)造應(yīng)力對圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律較一致[9-10]。

圖3 2017年328 m中段全年累積事件分布

3 實例分析

2017年9月下旬，388 m中段的304采場附近出現(xiàn)了異常事件聚集現(xiàn)象(圖4)，并于9月20日發(fā)生了1個大震級事件，如圖5所示。

圖4 388 m中段事件聚集

分析圖4可知：388 m中段304采場出現(xiàn)了異常事件聚集現(xiàn)象，5 d內(nèi)便發(fā)生了22個微震事件，區(qū)域微震事件聚集程度明顯，與此同時，各項地壓災(zāi)害風(fēng)險評估指標(biāo)變化平緩，表明絕大部分事件均屬于小震級事件，能量釋放平緩[11-12]，主要由于304采場采礦活動誘發(fā)了二次應(yīng)力調(diào)整，導(dǎo)致相鄰巖體形成新的微裂隙或原有裂隙進(jìn)一步擴展。直至2017年9月19日15:18:59發(fā)生了1個-0.9級的大震級事件，大震級事件的產(chǎn)生往往伴隨著瞬間較大能量的釋放，預(yù)測極有可能引發(fā)較明顯的地壓顯現(xiàn)甚至災(zāi)害發(fā)生。在次日安全排查中，發(fā)現(xiàn)在388 m中段0#～4#線304采場附近巷道發(fā)生了一般規(guī)模的冒頂現(xiàn)象，但并未有人員傷亡和設(shè)備損傷(圖5)。

圖5 388 m中段事件聚集現(xiàn)象

4 結(jié) 語

通過構(gòu)建江西某鎢礦微震監(jiān)測系統(tǒng)，基于微震技術(shù)理論對該礦區(qū)的地壓活動規(guī)律進(jìn)行了監(jiān)測分析。結(jié)果表明：268，328，388 m中段為地壓活躍區(qū)域，礦區(qū)中部和西部為地壓活躍區(qū)域。結(jié)合地質(zhì)資料對微震監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了定性解譯，認(rèn)為礦區(qū)F3、F5、F6斷層共同影響的區(qū)域為地壓活躍區(qū)域，斷層走向的垂直方向為構(gòu)造應(yīng)力的影響方向，大斷層對圍巖的影響具有明顯的方向性和區(qū)域性。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 楊作林.微震信號識別與地壓災(zāi)害微震前兆規(guī)律研究[D].贛州：江西理工大學(xué)，2014.

[2] 李凌飛，江文武，楊 揚，等.某鎢礦微震事件定位精度分析[J].中國鎢業(yè)，2015(5)：29-33.

[3] 李 瑞，吳愛祥，王春來，等.微震監(jiān)測參數(shù)主要特性及關(guān)系的研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2010，30(6)：9-11.

[4] 張 平.紅透山銅礦地壓監(jiān)測系統(tǒng)建立與應(yīng)用[J].有色礦冶, 2013，29(1)：11-13.

[5] 朱仕林，江文武，廖永斌，等.基于FLAC3D對贛南某鎢礦采空區(qū)的研究及治理方案[J]中國鎢業(yè)，2017(6)：40-45.

[6] 梁正召，唐春安，朱萬成，等.巖石非均勻性對震級-頻度關(guān)系的影響的數(shù)值模擬[J].地震研究，2003，26(2)：151-155.

[7] 陳炳瑞，馮 夏，曾雄輝，等.深埋隧洞TBM掘進(jìn)微震實時監(jiān)測與特征分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2011，30(2)：275-283.

[8] 錢七虎.巖爆、沖擊地壓的定義、機制、分類及其定量預(yù)測模型[J].巖土力學(xué)，2014(1)：1-6.

[9] 趙毅鑫，姜耀東，王 濤，等.“兩硬”條件下沖擊地壓微震信號特征及前兆識別[J].煤炭學(xué)報，2012，37(12)：1960-1966.

[10] 徐林生，王蘭生.二郎山公路隧道巖爆發(fā)生規(guī)律與巖爆預(yù)測研究[J].巖土工程學(xué)報，1999，21(5)：569-572.

[11] 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(xué)與工程學(xué)報，2007，26(4)：818-24.

[12] 王春來，吳愛祥，劉曉輝，等.深井開采微震活動容量維度Df變化特征[J].工程科學(xué)學(xué)報，2010，32(11)：1379-1382.