深部金屬礦采場頂板滑移冒落微震時空演化規(guī)律

劉 建 坡 魏 登 鋮 師 宏 旭 王 永 昕

（東北大學(xué)深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室，遼寧 沈陽 110819）

微震（Microseism，MS）監(jiān)測技術(shù)是利用巖體受力變形和破壞過程中釋放出的彈性波來監(jiān)測工程巖體穩(wěn)定性的技術(shù)方法。由于微震信號的產(chǎn)生與巖體內(nèi)部微破裂的萌生和擴(kuò)展密切相關(guān)，因此每一個微震信號都包含著巖體內(nèi)部狀態(tài)變化的豐富信息。相對于傳統(tǒng)的應(yīng)力、變形等局部“點、線、面”觀測范圍來說，微震監(jiān)測技術(shù)可以為巖體力學(xué)工作者提供更為全面的三維實“體”數(shù)據(jù)。南非、加拿大、澳大利亞等國家的金屬礦山進(jìn)入深部開采階段的時間較早，自20世紀(jì)80年代，國外開始開展微震監(jiān)測技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用研究，并將其應(yīng)用到礦山安全生產(chǎn)輔助管理方面。進(jìn)入21世紀(jì)，微震監(jiān)測技術(shù)逐步應(yīng)用于我國深部礦山開采圍巖穩(wěn)定性評估與地壓災(zāi)害防控［1-6］，同時在深埋隧洞、水電站、高陡邊坡等巖石工程地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測與預(yù)警中發(fā)揮了越來越重要的作用［7-9］。

深部金屬礦山由于提升、運輸、充填等開采過程成本高，為保證開采經(jīng)濟(jì)性，往往以規(guī)模換效益，開采規(guī)模顯著增大，例如思山嶺鐵礦、馬城鐵礦等深部礦山設(shè)計年開采規(guī)模均超過1 000萬t，甚至達(dá)到1 500萬t。對于大規(guī)模開采的礦山，深孔或中深孔回采一次炸藥用量可以達(dá)到數(shù)百千克甚至數(shù)噸。大規(guī)模的爆破回采作業(yè)，對于附近圍巖造成強烈的擾動影響，極易誘發(fā)圍巖發(fā)生失穩(wěn)破壞。李夕兵等［10］認(rèn)為開采過程中造成礦巖體不穩(wěn)定的因素主要來自礦體被采出時的瞬態(tài)卸荷作用及臨近采場爆破、鑿巖、出礦等動載荷擾動。紅透山銅礦（我國最深的有色金屬礦山之一）在進(jìn)入1 000 m開采深度時，由爆破振動引發(fā)長達(dá)20多米巷道發(fā)生破壞；谷家臺鐵礦爆破擾動誘發(fā)采場大體積塌方，停產(chǎn)6 a，經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重；錦屏二級水電站深埋隧洞受爆破擾動發(fā)生時滯性巖爆，巖爆破壞范圍高2～4 m，長30 m，最大坑深達(dá)0.9 m。

采場頂板冒落破壞規(guī)模大，會造成嚴(yán)重的礦石貧化并影響開采進(jìn)度，是深部開采中需要重點防控的巖體災(zāi)害之一。本研究以阿舍勒銅礦深部采場頂板冒落為例，系統(tǒng)分析爆破擾動誘發(fā)采場頂板滑移性破裂過程的微震時空演化特征，揭示災(zāi)害孕育誘發(fā)因素與發(fā)生機(jī)制，為同類地壓災(zāi)害防控提供借鑒。

1 阿舍勒銅礦開采現(xiàn)狀及深部采場冒落過程

阿舍勒銅礦位于新疆維吾爾自治區(qū)，銅工業(yè)儲量近92萬t，為我國第2大銅礦，目前開拓深度1 200 m，開采深度為900 m，日產(chǎn)礦石量6 000 t。地應(yīng)力測試結(jié)果表明：該礦一定深度范圍內(nèi)以構(gòu)造應(yīng)力控制為主，且隨著埋深增加而增加。埋深800 m處的最大主應(yīng)力超過30 MPa，水平構(gòu)造應(yīng)力接近垂直應(yīng)力的1.5倍。采礦方法主要為大直徑深孔空場嗣后充填采礦法（VCR法），單次爆破炸藥從數(shù)百千克到數(shù)噸不等。在初始高地應(yīng)力和強開采擾動條件下，采場圍巖多次發(fā)生片幫、冒落等地壓災(zāi)害，對工作人員的安全構(gòu)成了極大威脅，嚴(yán)重干擾了礦山正常生產(chǎn)。因此，該礦于2017年構(gòu)建了高精度微震監(jiān)測系統(tǒng)，實時捕捉深部開采誘發(fā)圍巖破裂的時空分布及演化信息，為深部開采地壓災(zāi)害防控提供數(shù)據(jù)支撐。微震設(shè)備采用中科微震監(jiān)測系統(tǒng)，采樣頻率為0.25～4 kHz，傳感器靈敏度為（80±5%）V/m/s，可實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)自動收集、自動分析和自動定位。監(jiān)測過程共采用28個傳感器（其中24個單向傳感器，4個三向傳感器），根據(jù)現(xiàn)場巷道實際情況布置在0 m、50 m、150 m、200 m和350 m 5個中段（圖1）。

0 m中段No.2采場位于阿舍勒銅礦深部開采區(qū)域（采深約900 m），采場長27 m，寬12 m，高50 m，采用垂直礦體走向的采場布置方式。該采場于2016年末完成回采工作，但是由于現(xiàn)場回采銜接出現(xiàn)一些問題，采場完成礦體開采和礦石運搬工作后，未進(jìn)行及時充填，長時間處于空場狀態(tài)（4個多月）。在采場頂板長時間空場暴露過程中，附近采場（No.4采場距離No.2采場約50 m）回采過程中的爆破作業(yè)對該采場造成強烈的擾動，加之No.2采場處于礦巖交界帶邊緣等原因，該采場于2017年4月17日頂板發(fā)生大規(guī)模的冒落，冒落體積約2 600 m3，質(zhì)量超過1萬t（圖1）。No.2采場冒落前，No.4采場共進(jìn)行了6次回采爆破作業(yè)，爆破時間和炸藥使用量見表1。

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2 冒落過程微震時空演化規(guī)律

2.1 微震時序特征和空間分布

No.2采場圍巖產(chǎn)生的微震事件與No.4采場的回采爆破活動密切相關(guān)（圖2）。在No.4采場回采工作開始前，No.2采場每天產(chǎn)生的微震事件數(shù)較少（5個左右）。當(dāng)No.4采場于2017年4月5日開始回采后，在大多數(shù)爆破當(dāng)日No.2采場產(chǎn)生的微震事件數(shù)均出現(xiàn)顯著增長現(xiàn)象，并在4月11日達(dá)到了最高值（當(dāng)日產(chǎn)生25個微震事件）。其中15日的微震事件數(shù)較少，可能與當(dāng)日炸藥使用量較小有關(guān)。在采場冒落前（4月16日和17日），微震事件數(shù)并沒有出現(xiàn)明顯的增加，但是所釋放的能量顯著增大，這說明巖體內(nèi)產(chǎn)生了較大尺度的破裂。在采場發(fā)生頂板冒落當(dāng)天，No.2采場圍巖所釋放的能量達(dá)到最大值。從微震事件的空間分布圖（圖3）可以看出，微震事件主要集中在采場頂板區(qū)域。從頂板冒落的發(fā)展過程來看，前期微震事件的能級較小。隨著爆破擾動次數(shù)增加，巖體內(nèi)部破裂逐漸擴(kuò)展和貫通，采場冒落前大能級的微震事件增加較為明顯。

采場冒落前，巖體內(nèi)的微震活動出現(xiàn)明顯減弱現(xiàn)象，與室內(nèi)試驗得出的巖石破壞前的聲發(fā)射“平靜期”類似。文獻(xiàn)［11］在研究巖石破裂聲發(fā)射活動特征時，認(rèn)為在巖石破壞前小尺度裂紋合并貫通形成大尺度裂紋，雖然聲發(fā)射率下降，但能量釋放率增強，出現(xiàn)聲發(fā)射率“平靜”而聲發(fā)射能量“不平靜”的現(xiàn)象。另外，按照地震臨界點理論［12］，巖體在破壞前其內(nèi)部儲存的能量會出現(xiàn)冪率加速釋放現(xiàn)象。因此，采用微震能量的快速釋放作為判據(jù)，對于巖體的失穩(wěn)破壞預(yù)測更具意義。

2.2 冒落前圍巖變形規(guī)律

對于一個給定的地震事件，常用視體積測量具有同震非彈性變形的巖體體積。視體積依賴于地震矩和發(fā)射的能量，而且由于其為標(biāo)量的性質(zhì)，可以容易以累積或等值線圖的形式處理，從而深入研究同震變形率的分布。根據(jù)雙力偶剪切位錯震源模型，由標(biāo)量地震矩定義式可得沿斷層的平均滑動位移。該定義式為［13］

式中：M0為地震矩；μ為震源區(qū)介質(zhì)剪切模量；A為破裂滑移面積且為震源半徑）。地震矩M0和震源半徑r0均可由波形信號獲得。

在獲得單個微震事件的滑動位移后，采用球面差分方法對巖體變形進(jìn)行網(wǎng)格化，以云圖方式顯示。云圖采用每5 d的微震數(shù)據(jù)繪制，并采用2 d間隔滑動，如圖4所示。從圖中可以看出，No.2采場處于空場狀態(tài)時，由于內(nèi)部缺少礦體支撐，在No.4采場回采爆破擾動下其圍巖變形逐漸增大。在4月17日采場冒落前，礦巖體內(nèi)累積的應(yīng)變能大量釋放，大尺度的破裂導(dǎo)致圍巖變形顯著增加，充分展現(xiàn)了No.2采場頂板圍巖的松脫式漸進(jìn)破壞過程。另外，No.2采場處于阿舍勒銅礦深部采區(qū)的礦巖交界區(qū)域，礦體和圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)存在明顯的差異性（表2）。在回采爆破擾動下，巖體和礦體變形不協(xié)調(diào)，礦巖接觸帶逐步弱化，并最終導(dǎo)致No.2采場頂板礦體沿著礦巖界面滑落。

3 采場滑移冒落發(fā)生機(jī)制

在斷層滑移或者剪切破壞過程中，微震事件輻射的S波能量要遠(yuǎn)大于P波能量。通過分析不同的ESEP值分布范圍，可以獲得巖體破壞類型，如張拉型破壞、剪切型破壞和混合型破壞。P波和S波的輻射能量可由下式求得：

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式中：EP,S為P波和S波能量；ρ為巖體密度，t/m3；vP,S為P波和S波波速，m/s；R為距震源的距離，m；t為震源持續(xù)時間，s為經(jīng)遠(yuǎn)場輻射形態(tài)修正的P波或S波速度脈沖的平方。

文獻(xiàn)［14］研究表明，斷層滑移或剪切類型誘發(fā)的地震事件通常ES/EP≥10；而對于非剪切形式的破壞，如拉伸破壞、體積應(yīng)力變化等誘發(fā)的事件，ES/EP接近或小于3。文獻(xiàn)［15］基于現(xiàn)場微震監(jiān)測和數(shù)值模擬驗證了剪切事件滿足ES/EP>10。因此，本研究基于ES/EP能量比判定震源破裂機(jī)制的準(zhǔn)則為：ES/EP>10，剪切破裂；3≤ES/EP≤10，混合破裂；ES/EP<3，張拉破裂。

圖5為No.2采場冒落前不同類型破裂機(jī)制的微震事件空間分布圖。從圖中可以看出，張拉破裂事件多分布在采場頂板位置，形成了以張拉型破裂為主的非剪切破壞區(qū)，主要是由于采場頂板冒落造成礦體斷裂所致；剪切破裂事件主要分布在礦巖交界帶附近區(qū)域，誘因來自于采場頂板冒落所造成的礦巖體間剪切滑移。

在冒落發(fā)生前，共捕捉到196個微震事件，其中張拉型破裂事件36個、剪切型破裂133個、混合型破裂27個，占比分別為18%、68%、14%。文獻(xiàn)［16］在研究深部礦山兩個典型破壞機(jī)制區(qū)域內(nèi)的微震數(shù)據(jù)時，發(fā)現(xiàn)與斷層有關(guān)的剪切破壞區(qū)域內(nèi)約70%的微震事件ES/EP>10，而以卸荷裂隙導(dǎo)致的拉伸破壞超過85%的微震事件ES/EP<10。本研究所得結(jié)論與文獻(xiàn)［16］中關(guān)于剪切破壞區(qū)發(fā)生機(jī)制的研究結(jié)果相一致（圖6）。若按文獻(xiàn)［17］研究的剪切破裂事件滿足ES/EP>20作為震源破裂機(jī)制準(zhǔn)則，阿舍勒銅礦No.2采場約有45%的微震事件ES/EP>20，剪切事件并不占據(jù)主導(dǎo)位置，與現(xiàn)場實際圍巖破裂形式不一致。因此，在工程巖體破壞機(jī)制反演中，還需要補充更多的巖體破壞案例，以建立適用于不同開采技術(shù)條件下的巖體破裂機(jī)制ES和EP比值統(tǒng)一判定準(zhǔn)則。

基于前述關(guān)于微震時空演化規(guī)律和圍巖破裂機(jī)制的研究，No.2采場頂板礦體滑移冒落發(fā)生的誘發(fā)因素主要包括兩個方面。其一為冒落區(qū)處于深部采區(qū)礦巖接觸帶兩側(cè)的礦體和巖體物理力學(xué)性質(zhì)存在明顯差異性特征。由于礦體的容重、強度、彈性模量和黏聚力均明顯高于凝灰?guī)r，在破壞時礦體和巖體變形出現(xiàn)明顯的不協(xié)調(diào)?；诳諈^(qū)掃描結(jié)果分析可以發(fā)現(xiàn)，冒落區(qū)的左右兩側(cè)邊界與No.3采場礦體的形態(tài)基本一致，表明礦體沿礦巖No.3采場左右兩側(cè)礦巖交界面發(fā)生滑落（圖7中A、B兩個區(qū)域）。其二是附近采場強烈的回采擾動。由于阿舍勒銅礦采用的是大直徑深孔空場嗣后充填采礦法，爆破炸藥用量和回采規(guī)模大。強烈的回采卸荷效應(yīng)和爆破動力擾動會引發(fā)回采區(qū)域附近圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。在這種擾動條件下，No.2采場頂板的礦巖交界帶逐漸松動弱化，當(dāng)頂板礦體的質(zhì)量超過自身抗拉強度和礦巖交界帶的共同承載能力時，頂板礦體沿礦巖交界面發(fā)生滑移破壞。因此，深部金屬礦山礦體邊界區(qū)域進(jìn)行回采過程中的安全問題應(yīng)引起足夠重視，在采場回采完畢后應(yīng)盡快充填，避免采場長時間處于空場狀態(tài)。附近采場回采過程中應(yīng)降低炸藥用量，減小爆破擾動效應(yīng)。同時，應(yīng)加強安全監(jiān)測工作，對于采場冒落等地壓災(zāi)害的孕育發(fā)生過程進(jìn)行實時監(jiān)測，為制定和實施相關(guān)防控措施提供依據(jù)。

4 結(jié) 論

本研究分析了阿舍勒銅礦深部開采爆破擾動誘發(fā)采場頂板滑移性破裂過程的微震時空演化特征和災(zāi)害孕育發(fā)生機(jī)制，所得結(jié)論如下：

（1）微震時空演化規(guī)律直觀反映了采場頂板冒落過程中巖體內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生和演化過程。在采場冒落前，微震活動性出現(xiàn)明顯減弱現(xiàn)象，但微震能量呈現(xiàn)冪率加速釋放態(tài)勢。采用微震能量的快速釋放作為判據(jù)，對于巖體的失穩(wěn)破壞預(yù)警更具意義。

（2）冒落發(fā)生前的196個微震事件中，剪切型破裂事件133個，占比達(dá)68%。剪切破裂事件主要分布于礦巖交界帶附近區(qū)域，頂板則為以張拉型破裂為主的非剪切破壞區(qū)，表明此次冒落災(zāi)害是采場頂板礦體沿礦巖接觸帶滑移引發(fā)的頂板張拉斷裂所致。

（3）采場頂板滑移性冒落主要是由于礦巖物理力學(xué)性質(zhì)差異性和臨近采場強烈回采爆破擾動共同作用造成的。在進(jìn)行深部金屬礦體邊界區(qū)域回采時，應(yīng)加強地壓災(zāi)害孕育發(fā)生過程的實時監(jiān)測，并采用及時充填和減小爆破擾動等措施，降低采場頂板冒落發(fā)生風(fēng)險。