花垣縣鉛鋅礦復(fù)雜采空區(qū)微震監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用

張建國，張 君

(1.長沙迪邁數(shù)碼科技股份有限公司，湖南 長沙 410083； 2.中南大學(xué)數(shù)字礦山研究中心，湖南 長沙 410083)

1 前言

花垣縣位于湖南省湘西自治州，境內(nèi)鉛鋅礦資源非常豐富，經(jīng)過多年開采形成了體量巨大的采空區(qū)群，由于一直未對采空區(qū)進行處理，導(dǎo)致地壓事故頻發(fā)，地表多處出現(xiàn)了塌陷坑。2016年開始引入微震監(jiān)測技術(shù)對地壓災(zāi)害進行監(jiān)測，實現(xiàn)地壓災(zāi)害提前預(yù)警，并指導(dǎo)礦山企業(yè)采取合理的采空區(qū)治理措施，進而減少礦山安全事故。本文基于花垣縣鉛鋅礦采空區(qū)的特點，利用微震監(jiān)測技術(shù)[1～3]，研究復(fù)雜采空區(qū)群中微震監(jiān)測應(yīng)用技術(shù)，通過空間聚類與過濾等方法，進行分區(qū)監(jiān)測和地壓災(zāi)害預(yù)警。

2 礦區(qū)概況

花垣縣鉛鋅礦礦體、頂板、底板、圍巖屬于堅硬厚層狀灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、云質(zhì)灰?guī)r巖性綜合體。但區(qū)域上巖溶較發(fā)育，在開采中和開采后巖溶發(fā)育地段可能會發(fā)生塌陷等不良工程地質(zhì)問題。鉛鋅礦內(nèi)節(jié)理及風(fēng)化裂隙發(fā)育不均勻，一般在斷層兩旁及含礦帶構(gòu)造裂隙發(fā)育，在近地表巖石發(fā)育風(fēng)化裂隙交互切割破碎，易產(chǎn)生坑道垮塌、破碎塊石崩落等不良工程地質(zhì)現(xiàn)象。由于鉛鋅礦體為雞窩狀，比較分散，采用的是比較簡單的進路法開采或全面法開采，經(jīng)過多年開采之后形成了許多大大小小的采空區(qū)，2015年國家安監(jiān)總局展開了金屬非金屬地下礦山采空區(qū)專項普查工作，調(diào)查結(jié)果顯示花垣鉛鋅礦5個礦區(qū)30家鉛鋅礦共形成2 303萬m3采空區(qū)，暴露面積約218萬m2。

復(fù)雜的采空區(qū)群易形成冒頂片幫、突泥突水、局部整體垮塌等地壓災(zāi)害，并伴隨著空氣沖擊波、地表塌陷和山體滑坡等次生災(zāi)害。

3 微震監(jiān)測工程與地壓預(yù)警技術(shù)

礦山地壓活動往往以頂板垮塌、礦柱失穩(wěn)、地表沉陷、圍巖片幫、甚至是巖爆等形式出現(xiàn)，地壓活動本質(zhì)是由于巖石原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，使得巖石出現(xiàn)破裂或節(jié)理斷層出現(xiàn)滑動進行能量釋放，而能量釋放往往以巖石振動的形式向四周傳播。微震監(jiān)測的原理就是通過在巖石破裂區(qū)周圍布置振動信號檢波器，檢測巖石彈性波初至?xí)r和能量等相關(guān)地震學(xué)參數(shù)，通過震源定位算法計算出巖石破裂源的發(fā)生位置、發(fā)生時刻、震級等參數(shù)[4～6]。礦山地壓災(zāi)害的發(fā)生往往是一個巖石不斷破裂累積的過程，當(dāng)巖石或節(jié)理斷層受到外界的應(yīng)力擾動作用出現(xiàn)了微破裂，微破裂事件慢慢積累并貫通，進而出現(xiàn)更大的破裂，最終巖石出現(xiàn)宏觀破壞，以巖石冒頂片幫、頂板垮塌、礦柱失穩(wěn)、地表沉陷等形式出現(xiàn)。通過微震監(jiān)測可實時掌握巖石微破裂的發(fā)育和活動情況，依據(jù)相關(guān)的微震分析方法可判斷出監(jiān)測區(qū)域內(nèi)巖體災(zāi)害風(fēng)險等級，進而可以指導(dǎo)礦山進行災(zāi)害預(yù)防措施，避免災(zāi)害的發(fā)生。依據(jù)《花垣太豐礦山有限責(zé)任公司長登坡礦區(qū)豬圈坪鉛鋅礦采空區(qū)治理工程安全設(shè)施設(shè)計》要求，在封堵、充填采空區(qū)的同時布置微震監(jiān)測系統(tǒng)對相關(guān)的采空區(qū)頂板、主要巷道及其圍巖進行地壓實時在線監(jiān)測，針對采空區(qū)、巷道垮塌等地壓災(zāi)害進行預(yù)警，為礦山生產(chǎn)安全部門提供安全措施建議，保障人員和設(shè)備的安全。豬圈坪鉛鋅礦微震監(jiān)測項目設(shè)計為16通道的微震采集系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 微震監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)布置圖

微震監(jiān)測系統(tǒng)由微震檢波器、數(shù)據(jù)采集基站、地表服務(wù)器和時間同步等設(shè)備組成[7～8]，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 微震監(jiān)測系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

微震監(jiān)測統(tǒng)計分析將從微震事件的“時空強”3個方面分析微震事件的主要活動區(qū)域、事件的活動強弱、爆破與微震事件的相關(guān)性等內(nèi)容。圖3給出了某一監(jiān)測周期內(nèi)微震事件空間分布圖，其中圓形球體為微震事件，不同顏色代表事件先后發(fā)生的時刻，球體大小代表微震事件震級的強弱，背景為礦區(qū)工程三維模型。

對微震事件聚集區(qū)域進行分區(qū)見圖4[9～10]，根據(jù)實際的微震事件分布相關(guān)性，依據(jù)聚集區(qū)域分布特點設(shè)置4個事件觀察區(qū)域。

對各觀察區(qū)域進行分時段數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計，同時將各觀察區(qū)域各時段內(nèi)的微震事件數(shù)量與當(dāng)天爆破事件作對比，進行分析解釋。2017年7月28日～2017年8月1日爆破事件數(shù)量與各監(jiān)測區(qū)域微震事件數(shù)量對比如圖5所示。

圖3 微震事件空間分布圖

圖4 微震事件空間過濾與分區(qū)圖

圖5 爆破數(shù)量與觀察區(qū)域微震數(shù)量對比(2017年7月28日～8月1日)

2017年8月5日～2017年8月8日爆破事件數(shù)量與各觀察區(qū)域微震事件數(shù)量對比如圖6所示。

圖6 爆破數(shù)量與觀察區(qū)域微震數(shù)量對比(2017年8月5日～8月8日)

2017年8月16日～2017年8月23日爆破事件數(shù)量與各觀察區(qū)域微震事件數(shù)量對比如圖7所示。

圖7 爆破數(shù)量與觀察區(qū)域微震數(shù)量對比(2017年8月16日～8月23日)

通過爆破事件分布區(qū)域?qū)Ρ确治霭l(fā)現(xiàn)，爆破區(qū)域內(nèi)微震事件發(fā)生數(shù)量和震級能量相對較少，微震事件的聚集區(qū)域主要集中分布在副井兩側(cè)采空區(qū)以及副井正下方的礦柱中，而這些區(qū)域為采空區(qū)治理工程內(nèi)的封堵區(qū)域，目前人員和設(shè)備嚴(yán)禁進入。事件的聚集區(qū)域與現(xiàn)場觀察到的地壓顯現(xiàn)區(qū)域是一致的，通過微震事件的發(fā)生規(guī)律來看，目前該區(qū)域內(nèi)地壓活動比較活躍，存在地壓災(zāi)害風(fēng)險。

圖8～圖10為微震事件震級云圖，震級云圖表征了微震事件能量的釋放水平。

圖8 +320m分段近震震級云圖

圖9 +360m分段近震震級云圖

圖10 +380m分段近震震級云圖

目前生產(chǎn)爆破區(qū)域內(nèi)微震事件相對較少，表明作業(yè)區(qū)域圍巖比較穩(wěn)定，地壓災(zāi)害風(fēng)險性小。通過爆破事件與微震事件的相關(guān)性分析以及震級云圖分析表明，該區(qū)域內(nèi)采空區(qū)頂板穩(wěn)定性較弱，事件發(fā)生的外部原因為爆破擾動，內(nèi)部原因則是巖體節(jié)理裂隙發(fā)育同時富含裂隙水，封堵區(qū)域內(nèi)采空區(qū)上下重疊整體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差。

4 結(jié)語

通過對花垣縣境內(nèi)的鉛鋅礦復(fù)雜采空區(qū)進行地壓災(zāi)害分析，依托現(xiàn)場的微震監(jiān)測工程項目，結(jié)合礦區(qū)地質(zhì)條件和生產(chǎn)活動特點，提出了采用分區(qū)觀察和分區(qū)監(jiān)測分析的方法解決復(fù)雜采空區(qū)群地壓災(zāi)害精確預(yù)警的難題。通過微震監(jiān)測空間三維顯示技術(shù)、空間過濾技術(shù)、時間序列特征分析以及震級云圖分析等方法對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的采空區(qū)進行時空強多角度分析，實踐表明該分析方法可以很好地解決復(fù)雜采空區(qū)地壓災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警的問題。