基于微震監(jiān)測的金屬礦山地壓演化規(guī)律分析

王 虎， 師 海， 付搏濤， 魏 杰

(1.中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院礦山安全技術(shù)研究所， 北京 100012； 2.清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點實驗室， 北京 100084； 3.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)工程技術(shù)學(xué)院， 北京 100083)

在金屬礦山采礦活動中，高地壓誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害，如巖爆、采空區(qū)塌陷、露天邊坡崩塌等[1-2]，是礦山尤其是非煤礦山開采引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的主要原因之一，是造成礦山重大人員傷亡和財產(chǎn)經(jīng)濟(jì)損失的重要原因。因此，有關(guān)地壓的監(jiān)測預(yù)警、預(yù)報防治及其危害評估分析一直是礦山安全技術(shù)領(lǐng)域的研究重點[3]，尤其針對深井礦床開采的地壓監(jiān)測，微震是目前最為有效的監(jiān)測手段之一。

微震監(jiān)測作為一種有效的應(yīng)力場監(jiān)測手段，在中外金屬礦山中已應(yīng)用多年，是金屬礦山應(yīng)力場監(jiān)測和研究的重要手段[4-6]。中國學(xué)者李瑞等[7]對會澤鉛鋅礦大量微震監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，分析了微震監(jiān)測參數(shù)主要特征及關(guān)系，利用監(jiān)測參數(shù)在巖體失穩(wěn)之前會呈現(xiàn)出異常變化趨勢和征兆來預(yù)測預(yù)報。褚冬攀等[8]利用獲取的微震監(jiān)測信號，分析微震事件出現(xiàn)的頻次和事件的異常特征，研究了地下隧洞圍巖發(fā)生巖爆災(zāi)害與微震事件的關(guān)系。黃志平等[9]研究發(fā)現(xiàn)，巖爆發(fā)生前巖體微破裂前兆特征，有效微震事件數(shù)目、集中程度、單個事件能量大小及其累計能量釋放速率等多個指標(biāo)是強(qiáng)、極強(qiáng)巖爆預(yù)警機(jī)制的重要依據(jù)。何學(xué)秋等[10]利用微震頻次指標(biāo)、能量指標(biāo)，來監(jiān)測采掘擾動、地質(zhì)異常具有良好效果，同時利用彈性波CT(computed tomography)驗證了探測區(qū)域應(yīng)力場的分布特征與理論分布的一致性。

目前，盡管微震監(jiān)測技術(shù)是針對巖體工程的地壓監(jiān)測，特別是預(yù)報巖爆災(zāi)害比較有效的監(jiān)測技術(shù)，且近年來微震技術(shù)在礦山中的應(yīng)用不斷增多，但由于礦山采礦技術(shù)差異性、特殊性和地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜性，礦山地壓監(jiān)測效果差異性較大，且利用微震事件對礦山巖爆的預(yù)警研究較少，尤其是對地應(yīng)力場、微動活動與地壓演化的關(guān)系和礦山地壓演化規(guī)律揭示不夠清楚[11]。

本文以此為研究契機(jī)，以內(nèi)蒙古某金礦為研究對象，基于高精度微震監(jiān)測系統(tǒng)一年完整監(jiān)測數(shù)據(jù)，對監(jiān)測結(jié)果和多參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，揭示監(jiān)測周期內(nèi)礦山地壓演化規(guī)律，預(yù)測地壓發(fā)展趨勢，并對微震系統(tǒng)在金屬礦山的應(yīng)用效果進(jìn)行了評價和分析。

1 微震監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建

1.1 工程概況

內(nèi)蒙古某金礦，位于內(nèi)蒙古烏拉山東段，屬陰山山脈，聳立于蒙古高原和河套平原之間，呈不斷上升和侵蝕剝蝕的地貌景觀。分水嶺海拔標(biāo)高1 768～2 255 m。山前坡角標(biāo)高1 100 m，高差658～1 155 m。山間溝谷較為發(fā)育，有的溝谷常年有水。礦體全部賦存在上太古界烏拉山群變質(zhì)巖中，嚴(yán)格受構(gòu)造控制，成群成帶分布。礦體多呈脈狀、似板狀，以近東西向走向分布為主，少數(shù)呈北西向走向分布。各礦脈礦石類型、礦物成分及礦化特征相近，均屬貧硫化物型礦石，氧化帶不發(fā)育，以原生礦為主。礦石中，金屬礦物比較單一，主要是黃鐵礦、其次為方鉛礦等，含量2%～5%;脈石礦物以石英、鉀長石、斜長石為主，含量95%以上。

礦體頂?shù)装鍑鷰r主要是黑云斜長片麻巖等各種片麻巖，頂?shù)装宓膰鷰r蝕變主要是鉀長石化、硅化、絹云母化和黃鐵礦化。圍巖為片麻巖，礦體為石英-鉀長石脈、結(jié)構(gòu)面為軟弱夾層，三者組成的圍巖巖體為整體塊狀結(jié)構(gòu)。礦井在開采過程中，由于輝綠巖脈和東西向構(gòu)造斷裂的存在，多處遇有軟弱夾層，存在塌落現(xiàn)象。

該礦采礦方法為淺眼留礦法。開采水平已由海拔1 118 m下降至618 m，采深在500 m 以下，走向長度1 250 m以上。礦區(qū)經(jīng)過多年的空場法開采，形成的空區(qū)面積已達(dá)6.25×105m2，由于大面積空區(qū)未進(jìn)行處理，已出現(xiàn)明顯的地壓活動, 存在嚴(yán)重的安全隱患，直接影響深部的礦體開采。因此在采礦生產(chǎn)中現(xiàn)場構(gòu)建微震監(jiān)測系統(tǒng)，揭示地壓演化規(guī)律，預(yù)測地壓發(fā)展趨勢對采礦安全生產(chǎn)十分必要。

1.2 微震系統(tǒng)層級布置

該礦在2014年布設(shè)了IMS高精度微震監(jiān)測系統(tǒng)，井上井下主要結(jié)構(gòu)分為4個層級，硬件設(shè)備主要包含1臺服務(wù)器，1臺信息總站，3臺監(jiān)測臺站和14支微震傳感器。具體層級及布置如圖1所示。

圖1 微震系統(tǒng)層級及布置Fig.1 Level and arrangement of microseismic system

1.3 波速的標(biāo)定

微震監(jiān)測系統(tǒng)在該礦山構(gòu)建后，通過爆破標(biāo)定得出符合現(xiàn)場地質(zhì)情況的P波(Vp)和S波(Vs)波速，以使監(jiān)測系統(tǒng)更為精確定位微震事件。根據(jù)爆破信號及其位置，反演該礦地震波速可知，Vp=4 835 m/s，Vs=2 633 m/s。

2 采礦過程微震活動特征

采礦過程中，巖爆、坍塌等現(xiàn)象的發(fā)生實質(zhì)上是伴隨著采礦生產(chǎn)圍巖內(nèi)微裂紋的擴(kuò)展過程，監(jiān)測獲得的微震事件正可以反映圍巖內(nèi)微裂紋的發(fā)展[12]，因此通過分析采礦活動中地應(yīng)力場、微動活動有助于揭示地壓演化規(guī)律，預(yù)測地壓發(fā)展趨勢，從而為評估礦山安全開采巖體的穩(wěn)定提供判識依據(jù)。

2.1 微震事件時空分布分析

礦山開采過程中，巖體內(nèi)應(yīng)力得以釋放，所以，微震事件的數(shù)量可以反映礦山的實際開采情況。以某一自然年的監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，來分析微震事件的時空分布規(guī)律。圖2所示為該礦山某年度所有微震事件空間和時間分布。

本文中研究監(jiān)測時間為2015年，從圖2可知，該年微震事件總計1 767個，其中震級大于0的事件為24個，年內(nèi)最大的微震事件發(fā)生在9月4日，震級為0.5，第二個大事件發(fā)生在2月18日，震級為0.4。對比微震大事件列表，微震大事件是伴隨采礦爆破而生，監(jiān)測到的微震大事件是爆破后短時間內(nèi)圍巖應(yīng)力的重分布，引起的局部位置點巖體破裂。微震大事件會導(dǎo)致圍巖體內(nèi)部裂縫的發(fā)展，同時伴隨巖體內(nèi)儲能以應(yīng)力的形式釋放。

顏色從藍(lán)到紅表示事件發(fā)生的先后順序，球的大小表示微震事件震級大小圖2 微震事件時空分布Fig.2 Temporal and spatial distribution of microseismic events

通過對微震事件的統(tǒng)計分析可知，全年的監(jiān)測到的微震事件分布相對集中，事件主要分布高度為200～900 m，和礦山主要生產(chǎn)作業(yè)區(qū)域相吻合。微震集中發(fā)生的高度為300～600 m。礦區(qū)的上部和下部由于開采強(qiáng)度較低，發(fā)生的微震事件相對較少。

2.2 地壓活動區(qū)域分析

通過布設(shè)的微震傳感器可監(jiān)測并計算出各區(qū)域微震事件造成的最大的巖體位移變形，最大變形用不同的顏色進(jìn)行標(biāo)記，如圖3所示。在圖3中，巖石位移變形一定程度上可以反映微震事件的活躍區(qū)域，其他位置活動極其微弱或無活動。

紅色標(biāo)記的位置為巖體活動較為明顯區(qū)域，藍(lán)色標(biāo)記的區(qū)域為巖石活動不明顯區(qū)域圖3 監(jiān)測自然年礦區(qū)巖體變形Fig.3 Rock deformation in mining area of one year

根據(jù)圍巖變形區(qū)域和微震事件的空間分布，可對礦區(qū)內(nèi)巖體主要活動位置進(jìn)行圈定。圖3中采用紅色虛線圈定了4處礦區(qū)巖體主要活動位置。其分布特征，與作業(yè)面的布置位置、開采強(qiáng)度、礦體傾角等因素密切相關(guān)。從圖3中可知，活動區(qū)的主要分布高度200～600 m，以礦區(qū)中部和西南部最為明顯，礦體開采對于近距離上覆巖體影響明顯，礦區(qū)600 m以上水平巖體活動受開采、爆破影響較小。整個礦區(qū)最大變形尺度影響在毫米級別，不會造成大規(guī)模的地壓失穩(wěn)，因此地壓活動相對穩(wěn)定。

2.3 微震活動時程分析

2.3.1 微震事件數(shù)累積時程分析

年度微震事件累積如圖4所示，其中，曲線的斜率表示事件發(fā)生率，短時間內(nèi)事件發(fā)生率急劇增大，一般認(rèn)為是巖體內(nèi)微裂紋迅速擴(kuò)張，巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞演化的標(biāo)志之一，通常作為實時預(yù)警的重要指標(biāo)[13]。從圖4中可知，年度初期和末期曲線較為平緩，微震事件相對較少，地壓活動相對較弱；年中微震事件相對較多，曲線上升變化穩(wěn)定，地壓活動相對明顯。全年整體數(shù)據(jù)表現(xiàn)得較為均勻，說明全年地壓變化相對較為穩(wěn)定。

圖4 微震事件累積數(shù)和微震活動歷時Fig.4 Cumulative number of microseismic events and microseismic activity duration

2.3.2 微震活動性時程分析

微震活動性代表微震活動頻繁與否。如果某個時間段曲線突然陡降，且持續(xù)一定的時間，預(yù)估可能發(fā)生較大的微震事件[12-14]?；顒有酝蝗唤档捅砻鲙r體應(yīng)力在不斷積聚，能量積聚得不到釋放，累積到一定的程度圍巖內(nèi)累積的能量集中釋放將會引起較大的微震事件發(fā)生。由圖5可知，監(jiān)測自然年中3—10月微震的活動性較為明顯，滑動曲線表現(xiàn)為較為規(guī)律的跳起和下降，說明巖體內(nèi)部聚集少量能量，開采過程勢能得到了及時、有效的釋放，不會誘發(fā)大的地壓災(zāi)害。年度初期和年度末期，微震的活動性相對較弱，不會誘發(fā)地壓災(zāi)害。

2.3.3 微震累積視體積時程分析

累積視體積指巖體發(fā)生非彈性變形時的體積，可反映巖體內(nèi)微裂紋的細(xì)微應(yīng)變變化，如果一段時間內(nèi)巖體內(nèi)存在非彈性的累積變形，但沒有發(fā)生破裂，表明能量在積聚。微震事件數(shù)和累積視體積歷時如圖5所示，由圖5可知，8—10月，累積視體積曲線變化趨勢較大，說明此階段內(nèi)圍巖活動相對顯著。12月末視體積曲線出現(xiàn)一個較為明顯的跳起，視體積突然增大，是一次能量突然釋放，但能量和震級并不大?？v觀全年數(shù)據(jù)，地震累積視體積與地震事件數(shù)累積隨時間增大，變化趨勢基本一致，說明微震發(fā)生發(fā)展較為平穩(wěn)，巖體穩(wěn)定性未見較大異常變化，不會發(fā)生較大規(guī)模的破壞。

圖5 微震事件數(shù)和累積視體積歷時Fig.5 Number of microseismic events and cumulative apparent volume duration

2.3.4 能量指數(shù)時程分析

微震事件的能量指數(shù)(EI)是事件所產(chǎn)生的實測輻射微震能E與區(qū)域內(nèi)所有事件的平均微震能E(P)之比。能量指數(shù)越大，表示微震事件發(fā)生時震源的驅(qū)動應(yīng)力越大[14-15]。因此，可通過視體積與能量指數(shù)的曲線關(guān)系獲取巖體災(zāi)害發(fā)生的前兆特征。通過對比累積視體積和能量指數(shù)曲線關(guān)系，可以預(yù)測地壓災(zāi)害發(fā)生的預(yù)兆，累積視體積出現(xiàn)上升的趨勢，且斜率增大，能量指數(shù)曲線下降，即應(yīng)力下降，預(yù)示著有較大的微震事件發(fā)生。且累積視體積和能力指數(shù)時程曲線表現(xiàn)出某種周期變化的特征，這與礦山開采活動存在周期性的特點具有一定的相關(guān)性。

微震累積視體積和能量指數(shù)歷時如圖6所示，由圖6可知，能量指數(shù)發(fā)生周期性變化，表明巖體內(nèi)部應(yīng)力存在周期性釋放，能量指數(shù)釋放周期主要受作業(yè)周期影響。對比累積視體積和能量指數(shù)曲線關(guān)系，未存在過大的反向趨勢，表明礦區(qū)內(nèi)部沒發(fā)生大規(guī)模的地壓災(zāi)害事件。

圖6 微震累積視體積和能量指數(shù)歷時Fig.6 Duration of microseismic cumulative apparent volume and energy index

圖7 微震事件數(shù)與震級分布Fig.7 The number of microseismic events and magnitude distribution

3 微震事件趨勢預(yù)測分析

3.1 微震事件數(shù)震級分布

微震事件震級與其出現(xiàn)概率成對數(shù)反比例關(guān)系，震級越小出現(xiàn)概率越高[12]。微震事件數(shù)與震級分布如圖7所示。利用上階段法擬合具體參數(shù)，圖7中直線斜率的絕對值為b，該值一定程度反映巖體脆性的變化、多裂紋發(fā)生發(fā)展的匯聚程度。設(shè)定0級事件為分界點，通過擬合可知，b=4.213，遠(yuǎn)大于參考值1，說明監(jiān)測金礦的微震事件分布主要以小事件為主，并且在一段時間內(nèi)發(fā)生特大的微震事件的概率相對較小。

3.2 微震事件矩震級的分布特征

大量的現(xiàn)場微震監(jiān)測試驗研究[13]表明，不同階段的能量和地震矩對數(shù)回歸曲線、微震能量和地震矩關(guān)系曲線表現(xiàn)為一條直線，這說明這兩個參數(shù)的關(guān)系呈現(xiàn)明顯的冪率特征，公式為

lgE=c+dlgM

(1)

式(1)中：E為微震能量；M0為地震矩；c、d為擬合常數(shù)，分別反映應(yīng)力水平和巖體視在剛度。

通過對不同時間段內(nèi)微震事件能量和地震矩對數(shù)進(jìn)行回歸擬合，可以得到微震能量和地震矩的關(guān)系特征。其中圖8所示為360 d的微震能量和地震矩分布關(guān)系。

圖8 微震能量與地震矩分布Fig.8 Microseismic energy and distribution of seismic moment

對通過對不同時間段內(nèi)應(yīng)力水平c和巖巖體視在剛度d進(jìn)行統(tǒng)計，變化情況如表1所示。兩者參數(shù)的變化規(guī)律如下：隨著巖體的視在剛度增大，應(yīng)力水平下降；巖體的視在剛度減小，應(yīng)力水平增大；即為回歸線截距減小時，微震活動性減弱。

微震能量隨著地震矩增加而增加，表1顯示：年度初期，生產(chǎn)活動較弱，應(yīng)力水平c較小，整個年度周期內(nèi)，c、d值變化較小，說明微震事件變化平緩，地壓活動演化趨于有利；如果作業(yè)強(qiáng)度保持穩(wěn)定，則在未來一定時間段內(nèi)，礦區(qū)范圍內(nèi)巖體穩(wěn)定，不會發(fā)生大規(guī)模的巖體失穩(wěn)。

表1 不同階段回歸曲線參數(shù)

3.3 累積體變勢

垮塌、巖爆等巖體動力災(zāi)害發(fā)生前，巖體中會有一個微震事件勢體積(即巖體非彈性變形)的逐漸積累過程，微震勢體積與震源能量的變化趨勢相似[14-15]。圖9為累積體變勢的變化，從圖9可知，整個監(jiān)測周期內(nèi)微震累積勢體積變化速率變化平緩，年底擬合的曲線斜率變小，說明巖體非彈性變形趨勢變小，也即在未來一段時間不會發(fā)生大規(guī)模的地壓活動事件。

圖9 巖體內(nèi)累積體變勢Fig.9 Cumulative body potential of rock mass

4 微震監(jiān)測綜合結(jié)果分析

根據(jù)微震監(jiān)測和地壓演化規(guī)律的分析，總結(jié)如下。

(1)在整個監(jiān)測周期內(nèi)，微震監(jiān)測系統(tǒng)共檢測到有效微震事件總計1 767個，其中震級大于0的事件為24個。大事件幾乎是伴隨爆破而生，監(jiān)測到的微震大事件是爆破后短時間內(nèi)圍巖應(yīng)力的重分布，引起的局部位置點巖體破裂，這些事件對整個礦山巖體穩(wěn)定性不會造成明顯的影響。

(2)從微震事件和礦區(qū)生產(chǎn)作業(yè)分布情況對比，礦區(qū)主要微震事件受開采影響較為明顯，震動場、應(yīng)力場和采場的分布位置基本一致，說明礦區(qū)上覆圍巖比較穩(wěn)定，零星的微震事件發(fā)生在采區(qū)范圍較遠(yuǎn)處，但能量不大，只是應(yīng)力重新分布引起的小事件，不足以影響礦區(qū)地壓穩(wěn)定性。

(3)根據(jù)多指標(biāo)對比分析，對地壓演化趨勢進(jìn)行預(yù)測，如果礦山生產(chǎn)強(qiáng)度沒有大幅調(diào)整，在未來一段時間內(nèi)，該礦開采活動不會造成大規(guī)模的地壓失穩(wěn)，礦區(qū)地壓比較穩(wěn)定。

5 結(jié)論

應(yīng)用了微震的活動性、微震累積視體、能量指數(shù)等參數(shù)，研究在同一時間軸下的變化特征及規(guī)律，分析了監(jiān)測礦山地壓演化規(guī)律及趨勢，得出如下結(jié)論。

(1)以具體的礦山為例，分析了高精度微震監(jiān)測系統(tǒng)在礦山的實際應(yīng)用。應(yīng)用統(tǒng)計學(xué)、地震學(xué)和巖石力學(xué)對微震多參數(shù)指標(biāo)聯(lián)合分析，多參數(shù)在同一時間軸下的變化特征及規(guī)律表現(xiàn)一致，表明該礦的微震監(jiān)測結(jié)果穩(wěn)定可靠。

(2)監(jiān)測到的礦山微震事件可以反映采礦的動態(tài)活動，隨著采礦爆破等活動的增加和時間的推移微震時間增多，且微震的活動性與現(xiàn)場采礦的實際情況吻合。

(3)對于礦山地壓的長期監(jiān)測及預(yù)警，分析微震的震級分布，微震能量與地震矩關(guān)系特，累積體變勢等地震學(xué)指標(biāo)，有助于掌握和判斷地壓發(fā)展的規(guī)律，更高效發(fā)揮微震監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用價值。