某銅礦井下采空區(qū)穩(wěn)定性微震活動(dòng)規(guī)律研究

袁子清 崔冰 茍建會(huì) 楊亮亮

（①礦冶科技集團(tuán)有限公司 北京1026281 ②金屬礦山智能開采技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京102628③承德銅興礦業(yè)有限責(zé)任公司 承德0672501 ④新疆亞克斯資源開發(fā)股份有限公司 哈密 839000）

1 引言

當(dāng)前，采空區(qū)是國內(nèi)許多礦山生產(chǎn)中造成災(zāi)害最主要的源頭之一，對(duì)礦山人民財(cái)產(chǎn)與生命安全存在嚴(yán)重威脅，因此，對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測與研究對(duì)礦山的安全生產(chǎn)有著重要意義［1-2］。近年來，很多學(xué)者對(duì)采空區(qū)探測、監(jiān)測及其穩(wěn)定性分析技術(shù)開展了大量研究工作，并取得了不少研究成果[3-9]。其中，微震監(jiān)測技術(shù)以其非接觸、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)、大尺度三維立體監(jiān)測的優(yōu)點(diǎn)逐漸成為當(dāng)前及未來的主流監(jiān)測技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于礦山地壓災(zāi)害的評(píng)估和預(yù)警等方面[10]。

某銅礦經(jīng)過數(shù)十年開采，井下形成了南六號(hào)特大采空區(qū)，且采空區(qū)下盤圍巖賦存多條斷層，對(duì)采空區(qū)周邊圍巖的穩(wěn)定性產(chǎn)生嚴(yán)重影響。為了保障礦山深部資源的安全高效開采，該銅礦引進(jìn)了世界先進(jìn)的IMS 公司的微震監(jiān)測系統(tǒng)，對(duì)南六號(hào)采空區(qū)下盤空區(qū)圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測。本文對(duì)采空區(qū)近1年來的微震監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析研究，得到了采空區(qū)圍巖微震活動(dòng)的時(shí)空強(qiáng)規(guī)律，為未來井下采空區(qū)穩(wěn)定性分析及地壓災(zāi)害評(píng)估與治理提供參考。

2 工程概況

南六號(hào)采空區(qū)位于東部，最大寬度達(dá)到100m，在采區(qū)33～57 線間，走向延續(xù)數(shù)百米，整體形態(tài)呈下大上小，中間被多天巖枝隔斷。采空區(qū)南側(cè)賦存F1、F2、F3 等三條斷層（見圖1），F(xiàn)1、F2 斷層斜交向兩側(cè)延伸，平均寬度0.5m，F(xiàn)3斷層距采空區(qū)相對(duì)較遠(yuǎn)。其中在37～41線之間F2斷層對(duì)采空區(qū)圍巖穩(wěn)定性影響最大，在下三中段距離采空區(qū)最近處小于10m，下三中段主巷道頂部產(chǎn)生最大寬度達(dá)20mm的裂縫。

圖1 下三地質(zhì)平面圖

3 微震監(jiān)測系統(tǒng)簡介

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)南六號(hào)空區(qū)下盤圍巖的動(dòng)態(tài)立體監(jiān)測，銅興礦業(yè)公司在下一到下三之間布置了一套8通道的IMS 微震監(jiān)測系統(tǒng)，其中，下一中段布置了2 個(gè)傳感器（WZ-1～WZ-2），下三中段布置了4 個(gè)傳感器（WZ-3～WZ-6），監(jiān)測范圍為33#～41 線之間，具體布置位置如下圖2所示。

4 微震活動(dòng)時(shí)空強(qiáng)規(guī)律

4.1 分析模型建立

為了準(zhǔn)確分析南六號(hào)空區(qū)下盤圍巖的穩(wěn)定性，尤其涵蓋下盤圍巖的F2斷層區(qū)域，同時(shí)，結(jié)合微震監(jiān)測系統(tǒng)的有效監(jiān)測范圍及精度，建立了微震監(jiān)測數(shù)據(jù)分析模型，垂直方向在下一中段～下三中段間，水平上在35～41 線間，模型尺度長*寬*高為150m*110m*120m，三維分析模型如下圖2所示。

圖2 微震監(jiān)測分析模型圖

4.2 微震活動(dòng)時(shí)空強(qiáng)規(guī)律

為了解南六號(hào)空區(qū)下盤圍巖的穩(wěn)定性情況，對(duì)下盤重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域近1 年來的微震監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，旨在掌握其微震活動(dòng)的時(shí)空強(qiáng)規(guī)律，為未來井下采空區(qū)穩(wěn)定性分析及地壓災(zāi)害評(píng)估與治理提供參考。

（1）采空區(qū)圍巖微震活動(dòng)時(shí)間分布規(guī)律

經(jīng)監(jiān)測系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)，南六號(hào)空區(qū)下盤圍巖重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域近1 年來共產(chǎn)生微震事件568 個(gè)，從圖3 近1年來的微震監(jiān)測事件日小時(shí)分布圖來看，微震事件主要發(fā)生在每日的3:00～4:00、9:00～15:00、17:00～23:00間，呈現(xiàn)一定的時(shí)間分布規(guī)律。此外，統(tǒng)計(jì)顯示微震事件里氏震級(jí)在-5.2～-0.2之間，震級(jí)偏小，且從圖4的累積視體積與能量指數(shù)曲線也可以看出，近1年來重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)沒有出現(xiàn)能量指數(shù)快速下降且累積視體積突然顯著上升的情況，因?yàn)槟芰恐笖?shù)快速下降，累積視體積持續(xù)增長，常作為巖爆和大尺度巖體破裂發(fā)生的前兆，因此，圖4 說明下盤空區(qū)圍巖沒有發(fā)生較大垮落破壞，巖體基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 微震事件日小時(shí)分布圖

圖4 累積視體積與能量指數(shù)時(shí)間序列曲線

（2）采空區(qū)圍巖微震活動(dòng)空間分布規(guī)律

圖5 為微震事件的空間分布圖，從圖可知，微震事件主要分布在空區(qū)下盤圍巖的37#～39#線間，尤其在37#線附近聚集分布，高程上主要分布下三中段上下各20 米范圍內(nèi)，且微震事件基本聚集在空區(qū)邊界附近，說明臨空區(qū)圍巖產(chǎn)生一定的松動(dòng)破壞。

圖5 微震事件空間分布規(guī)律

（3）基于微震監(jiān)測的采空區(qū)圍巖應(yīng)力位移分布規(guī)律

圖6為基于微震事件的圍巖應(yīng)力云圖，從圖可看出，在F2斷層走向附近能量指數(shù)相對(duì)較大，說明空區(qū)下盤F2 斷層附近圍巖是應(yīng)力集中區(qū)域，是潛在的較大圍巖破壞區(qū)域，應(yīng)加強(qiáng)該區(qū)域的地壓觀測與分析。同時(shí)，從圖7 圍巖位移云圖可看出，37～39 線附近的臨空區(qū)下盤圍巖變形較大，變形約20mm。且根據(jù)現(xiàn)場反饋，井下工人偶爾聽到采空區(qū)有較小的巖石掉落聲，說明空區(qū)圍巖存在小規(guī)模的垮落破壞，與實(shí)際及理論情況基本相符。

圖6 微震應(yīng)力云圖

圖7 微震位移云圖

5 結(jié)論

通過對(duì)銅興礦業(yè)南六號(hào)采空區(qū)下盤圍巖重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域近1 年來的微震監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，得到了以下結(jié)論：

（1）南六號(hào)空區(qū)下盤圍巖重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域近1年來共產(chǎn)生微震事件568個(gè)，微震事件主要發(fā)生在每日的3:00～4:00、9:00～15:00、17:00～23:00間，呈現(xiàn)一定的時(shí)間分布規(guī)律。此外，統(tǒng)計(jì)顯示微震事件里氏震級(jí)在-5.2～-0.2 之間，震級(jí)偏小，且沒有出現(xiàn)能量指數(shù)快速下降且累積視體積突然顯著上升的情況，說明下盤空區(qū)圍巖沒有發(fā)生較大垮落破壞，巖體基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）在水平上，微震事件主要分布在空區(qū)下盤圍巖的37#～39#線間，高程上主要分布下三中段上下各20米范圍內(nèi)，且微震事件基本聚集在空區(qū)邊界附近，說明臨空區(qū)圍巖產(chǎn)生一定的松動(dòng)破壞。

（3）空區(qū)下盤的F2斷層附近圍巖能量指數(shù)較大，應(yīng)力相對(duì)集中，是未來發(fā)生較大圍巖破壞的潛在危險(xiǎn)區(qū)域，應(yīng)加強(qiáng)該區(qū)域的地壓觀測與分析；而數(shù)據(jù)分析顯示37～39線附近的臨空區(qū)下盤圍巖變形較大，最大變形約20mm，說明空區(qū)圍巖存在小規(guī)模的垮落破壞，與實(shí)際及理論情況基本相符。