銅鎳礦礦體開采過程中地表開裂及上覆采空區(qū)頂板冒落規(guī)律研究

王金天

哈密和鑫礦業(yè)有限公司 新疆哈密 839000

1 銅鎳礦礦體開采過程中主要存在的問題

以某銅鎳礦為例。該礦530m 水平以上礦體均已采完，采礦方法為自然崩落法。目前主要對530m 水平以下礦體采用無底柱分段崩落法進行開采。根據礦體賦存條件，目前開采過程中主要存在以下安全問題：

（1）礦體圍巖巖體節(jié)理發(fā)育，較為破碎，圍巖易出現高應力集中區(qū)域而產生冒頂或片幫現象；

（2）礦體530m 水平上覆采空區(qū)大范圍失穩(wěn)對該水平脈外巷道巖體穩(wěn)定性及530m 以下分層開采應力擾動帶來的影響；

（3）礦體530m 水平以上30#礦體與32#礦體存在一定厚度的安全間柱，當采空區(qū)范圍不斷擴大，30#礦體與32#礦體采空區(qū)極有可能大面積貫通失穩(wěn)；

由于530m 水平以上礦體開采為自然崩落法，30#礦體上覆存在較大采空區(qū)，上覆頂板巖層初次冒落容易與地表貫通，嚴重影響井下安全作業(yè)。

目前，常用的監(jiān)測手段主要有應力位移監(jiān)測、聲發(fā)射監(jiān)測、微震監(jiān)測等。通過微震監(jiān)測技術，宏觀上可掌握地表開裂及沉降規(guī)律、基于微震事件圈定采空區(qū)范圍邊界，微觀上可揭示采空區(qū)頂板巖體裂紋損傷演化規(guī)律，實時監(jiān)測采空區(qū)貫通及地表沉降，并對潛在的危險源進行監(jiān)測、預警與控制，指導礦山安全生產。

2 微震監(jiān)測方案設計與優(yōu)化

2.1 微震監(jiān)測方案

針對該礦32#、30#礦體的賦存條件、地質條件及開采狀況，進行臺網優(yōu)化，最終設計微震監(jiān)測系統(tǒng)傳感器布設如下：地表布置1 套微震監(jiān)測系統(tǒng)，即從地表垂直向下打8 個直徑110mm、孔深為10m 的鉆孔，每個鉆孔內各布置1 個單分量微震傳感器，共計8 通道；在530m、450m 水平同樣各布設1 套8 通道微震監(jiān)測系統(tǒng)。3 套微震監(jiān)測系統(tǒng)共同形成對復雜空區(qū)的空間包絡，微震傳感器布置如圖1 所示?；诟鱾€重點監(jiān)測對象，分別建立了長、寬、高的塊體模型作為微震監(jiān)測數據分析區(qū)域，如圖2 所示。其中，地表980-530m 塊體模型主要研究地表開裂、沉降及530m 水平上部采空區(qū)頂板冒落規(guī)律[1]。

2.2 波速矯正

波速（P 波和S 波）對微震事件的定位及分析巖體破裂規(guī)律尤為重要。因此，通過定點爆破的方式對波速進行有效校對。具體方法為模擬巖石破壞過程，得出符合現場地質條件的波速，最終使微震監(jiān)測系統(tǒng)能更為精確地監(jiān)測和定位微震事件和爆破事件。通過對比實測定點爆破坐標和監(jiān)測爆破事件定位結果分析計算，采用Trace 軟件波速反演校正功能，最終得到校正后的波速為：P 波為波速4300m/s，S 波為波速2900m/s。

圖1 微震傳感器布置圖

圖2 微震監(jiān)測區(qū)域

圖3 地表微震事件

3 地表開裂及沉降規(guī)律研究

圖3 為地表980-700m 水平之間微震事件變化規(guī)律。地表附近微震事分別于2019 年5 月8 日、5 月30 日、6 月10 日出現3次突增現象，且微震事件突增時間間隔分別為22 天和11 天，逐漸縮短，即頂板斷裂步距逐漸縮短。

通過分析微震事件演化規(guī)律并結合現場實際情況可知，5 月8日-30 日發(fā)生一定范圍的頂板破裂，5 月31 日-6 月10 日也發(fā)生一定范圍的頂板破裂及地表開裂，但破裂范圍比上次小，頂板崩落 尚未貫通地表，有即將貫通的趨勢。具體現場表現為：地表開裂愈發(fā)明顯，且在地表聽到井下爆破作業(yè)響聲愈發(fā)清晰。

圖4 微震事件空間演化

圖4 為地表開裂及700m 上覆采空區(qū)頂板冒落空間演化過程。圖4（a）為2019 年4 月微震事件空間分布，微震事件主要分布在30#礦體中部上方980-800m 的頂板附近，距離地表較近。分析原因可知，微震事件主要是受30#礦體開采作業(yè)影響，巖體逐漸向上破裂引起地表出現裂縫并進一步擴大。

圖4（b）為2019 年4 月至6 月期間地微震事件空間分布，通過每次微震事件范圍圈定，得出微震事件發(fā)展趨勢。微震事件有向32#塌陷區(qū)及其東部發(fā)展趨勢，表明地表與頂板之間有逐漸貫通趨勢。

現場地表開裂過程如圖5 所示，2019 年4 月地表新增裂紋較多，2019 年5 月至6 月地表附件微震事件聚集明顯，地表裂紋進一步擴大，并向32#塌陷區(qū)傾斜。用無人機對塌陷區(qū)進行實際測量，如圖6 所示，32#塌陷區(qū)東南部6 月、6 月出現較大范圍塌陷（圖中黑色區(qū)域），與微震監(jiān)測結果相一致。

圖5 地表開裂過程

4 基于微震事件的地表應力分布特征

微震能量指數的定義為該事件產生的實際輻射能量與該區(qū)域所監(jiān)測到所有微震事件平均能量之比，能量指數越大意味著巖石破壞的驅動力越大，即能量指數在一定程度上可以表征巖石的應力集中狀態(tài)。因此，可用微震事件能量指數分析巖體穩(wěn)定性。微震能量指數分布情況如圖7 所示，從圖7 中可以看出，塌陷區(qū)東南部應力較大，表明塌陷區(qū)東南部地表沉降較為嚴重，與實測結果相一致。根據監(jiān)測結果，加強對塌陷區(qū)的封閉管理，禁止任何人員及設備進入地表塌陷區(qū)，同時加大對30#礦體上部地表區(qū)域變化的無人機巡查頻率[2]。

圖7 應力分布特征

5 結語

2019 年5 月以來，地表附近微震事件出現3 次突增現象，且微震事件突增時間間隔和頂板斷裂步距逐漸縮短，頂板巖體破壞范圍越來越小，頂板與地表有即將貫通趨勢。

分析700m 上覆采空區(qū)及地表微震事件空間演化規(guī)律，得知微震事件主要分布在30#礦體中部上方980-800m 的頂板附近，且不斷向32#塌陷區(qū)及其東部發(fā)展，與地表裂縫不斷增多，向32#塌陷區(qū)傾斜現象相一致。

基于微震事件對地表應力分布進行分析，塌陷區(qū)東南部應力較為集中，現場地表沉降嚴重，與微震監(jiān)測結果相一致。通過微震監(jiān)測，指導了礦山安全生產。