黃山銅鎳礦采空區(qū)頂板冒落規(guī)律研究

何德強(qiáng) 石 峰 王 平 蔡永順 崔 冰 郝 帥

(1.新疆亞克斯資源開(kāi)發(fā)股份有限公司，新疆 哈密 839000；2.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160；3.國(guó)家金屬礦綠色開(kāi)采國(guó)際聯(lián)合研究中心，北京 102628；4.承德銅興礦業(yè)有限責(zé)任公司，河北 承德 067200)

在礦山開(kāi)采過(guò)程中，對(duì)復(fù)雜采空區(qū)巖體穩(wěn)定性的監(jiān)測(cè)一直以來(lái)都是采礦與巖石力學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)與難點(diǎn)[1]。近年來(lái)，微震/聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)作為一種高精度巖體破裂監(jiān)測(cè)手段，可通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行地震學(xué)參數(shù)反演計(jì)算，圈定巖體潛在危險(xiǎn)區(qū)域，被廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外工程安全監(jiān)測(cè)[2-4]。何滿潮等[5]模擬深部巖爆發(fā)生條件，進(jìn)行了深部巖爆模擬試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著加載時(shí)間的增加，聲發(fā)射/微震信號(hào)頻率由低頻過(guò)渡發(fā)展為高頻。馬天輝等[6]以錦屏二級(jí)水電站巖爆高發(fā)洞段作為研究對(duì)象，基于微震監(jiān)測(cè)技術(shù)揭示了微震時(shí)空演化與巖爆之間的關(guān)系。張楚璇等[7]基于微震活動(dòng)性參數(shù)，研究了頂板冒落前后參數(shù)變化特征，提出了巖體穩(wěn)定性預(yù)測(cè)參數(shù)。

黃山銅鎳礦隸屬于新疆亞克斯資源開(kāi)發(fā)有限公司，采礦方法為無(wú)底柱分段崩落采礦法，生產(chǎn)能力為4 000 t/d，目前主要開(kāi)采的礦體為30#礦體，32#礦體已經(jīng)開(kāi)采完畢。隨著開(kāi)采的不斷推進(jìn)，30#礦體采空區(qū)的空頂距不斷增大，且不斷靠近32#礦體采空區(qū)，致使兩采空區(qū)間柱不斷減少，甚至有貫通的可能。此外，底部巷道巖體破壞明顯，局部應(yīng)力集中，已經(jīng)出現(xiàn)片幫等動(dòng)力災(zāi)害。為保障礦山生產(chǎn)安全，掌握30#礦體開(kāi)采過(guò)程中采空區(qū)頂板冒落規(guī)律，對(duì)采空區(qū)頂板大范圍冒落和底部巷道地壓活動(dòng)進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)及預(yù)警尤為重要。

本文基于微震監(jiān)測(cè)技術(shù)，在采空區(qū)頂板冒落至地表之前進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，形成一套符合該礦山特點(diǎn)的可靠、高效、穩(wěn)定的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)監(jiān)測(cè)微震事件空間分布，對(duì)30#采空區(qū)頂板崩落范圍進(jìn)行圈定，進(jìn)一步分析頂板冒落規(guī)律，監(jiān)測(cè)采空區(qū)頂板冒落范圍及地表沉降速度，指導(dǎo)礦山安全生產(chǎn)。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 微震監(jiān)測(cè)技術(shù)

由于采礦活動(dòng)破壞了巖體原始應(yīng)力平衡，造成應(yīng)力集中，內(nèi)部能量也不斷積聚，當(dāng)內(nèi)部能量達(dá)到臨界值時(shí)，巖體會(huì)發(fā)生破裂失穩(wěn)。而巖體發(fā)生完全破裂失穩(wěn)前，會(huì)向外釋放彈性波，如圖1所示，微震監(jiān)測(cè)技術(shù)可以有效捕捉彈性波，進(jìn)而反演分析出巖體受力狀態(tài)。根據(jù)微震事件集聚程度、能量變化等，反演開(kāi)采過(guò)程中巖體變化發(fā)展趨勢(shì)。

圖1 微震原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of microseismic monitoring

1.2 微震臺(tái)網(wǎng)布置

對(duì)目前主要開(kāi)采的530 m、450 m、350 m中段巖體穩(wěn)定性、頂板崩落、地表沉降等情況進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，具體微震監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。在地表布設(shè)8個(gè)單分量微震傳感器，在530 m中段布設(shè)5個(gè)單分量微震傳感器、1個(gè)三分量傳感器，在450 m中段布設(shè)8個(gè)單分量微震傳感器，共計(jì)24通道，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)采如圖3所示。該監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)采空區(qū)頂板冒落有效、大范圍、高精度立體監(jiān)測(cè)，同時(shí)還可以兼顧底部巷道巖體穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)。

圖2 微震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)Fig.2 Microseismic monitoring network

圖3 微震數(shù)采Fig.3 Microseismic data acquisition

1.3 波速校正

由于巖體的不均勻性特征，按照系統(tǒng)推薦波速進(jìn)行定位可能有較大誤差。因此，需要采用定點(diǎn)爆破的方式進(jìn)行波速校正，對(duì)比實(shí)際爆破坐標(biāo)和監(jiān)測(cè)坐標(biāo)，并通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)波速返校功能，最終確定VP=5 300 m/s，VS=3 100 m/s。

2 采空區(qū)頂板冒落規(guī)律研究

圖4為采空區(qū)上覆巖體微震事件數(shù)量統(tǒng)計(jì)，2018年9月份之前，微震事件變化平緩，為20個(gè)左右上下浮動(dòng)，表明巖體處于穩(wěn)定階段，巖體內(nèi)部沒(méi)有較大裂紋。但隨著30#礦體開(kāi)采活動(dòng)的不斷進(jìn)行，采空區(qū)范圍越來(lái)越大，2018年9月份之后，微震事件出現(xiàn)一個(gè)小幅度上升，即上覆巖體局部已經(jīng)出現(xiàn)應(yīng)力集中，內(nèi)部裂紋匯合形成小范圍巖體破裂。2019年1月～2019年3月份，微震事件出現(xiàn)異常變化，數(shù)量急劇上升和下降，巖體內(nèi)部能量出現(xiàn)釋放，上覆巖體出現(xiàn)大范圍破壞，地表出現(xiàn)新增裂縫。

圖4 微震數(shù)量演化特征Fig.4 Characteristics of microseismic quantity evolution

上覆采空區(qū)頂板微震事件空間演化規(guī)律如圖5所示，圈定微震事件空間分布范圍確定頂板崩落范圍。2018年2月，30#礦體與32#礦體采空區(qū)并未相互貫通。2018年3月，采空區(qū)頂板不斷向上崩落，30#與32#采空區(qū)已經(jīng)逐漸貫通，采空區(qū)間柱范圍減少，并在地表附近出現(xiàn)標(biāo)高為908 m的一個(gè)微震事件，地表此時(shí)出現(xiàn)較小裂隙(如圖6所示)，表明頂板崩落已經(jīng)影響到地表。2019年1月，地表附近微震事件出現(xiàn)空間集聚，最高標(biāo)高975 m，地表附近新增微震事件55個(gè)，地表開(kāi)裂明顯。2019年3月，地表附近微震集聚范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，地表新增裂縫及原有裂縫進(jìn)一步擴(kuò)大，而30#礦體與32#礦體采空區(qū)已經(jīng)貫通，頂板繼續(xù)向上破裂，最高標(biāo)高已達(dá)到800 m。通過(guò)分析微震事件空間演化規(guī)律可知，如圖7所示，微震事件有向32#塌陷區(qū)不斷發(fā)展的趨勢(shì)。

圖5 微震空間演化特征Fig.5 Characteristics of microseismic spatial evolution

圖6 地表新增及變化明顯裂縫Fig.6 New and changed cracks on the surface

圖7 微震事件發(fā)展趨勢(shì)Fig.7 Development trend of microseismic events

3 結(jié)論

針對(duì)黃山銅鎳礦30#礦體采空區(qū)的空頂距不斷擴(kuò)大，且不斷靠近32#礦體采空區(qū)，對(duì)井下安全生產(chǎn)造成極大安全隱患的問(wèn)題，建立微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，優(yōu)化微震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)，校對(duì)波速，基于微震事件空間分布規(guī)律，對(duì)采空區(qū)頂板冒落規(guī)律進(jìn)行分析。得出結(jié)論如下：

采空區(qū)微震事件時(shí)空演化規(guī)律可以較好地反映頂板冒落規(guī)律。2019年1月—2019年3月微震數(shù)據(jù)出現(xiàn)突增突降異?，F(xiàn)象，地表出現(xiàn)較大破壞。微震事件空間分布圈定頂板崩落范圍，頂板不斷向上崩落且與32#礦體采空區(qū)逐步貫通，微震事件有向32#塌陷區(qū)不斷發(fā)展的趨勢(shì)，現(xiàn)象顯現(xiàn)與監(jiān)測(cè)結(jié)果基本吻合。