微震監(jiān)測技術(shù)在玲瓏金礦災(zāi)害預(yù)警中的應(yīng)用

張雪楣 唐 正 孫道元

（1．山東黃金礦業(yè)（玲瓏）有限公司；2．中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院）

自20世紀(jì)80年代以來，資源開采深度逐年遞增，深部巖體的賦存環(huán)境變得更加復(fù)雜，使深部巖體的受力及其損傷過程與淺部工程有明顯區(qū)別，并出現(xiàn)了巖爆等深井動力災(zāi)害［1］。1738年，人類第一次在英國某錫礦發(fā)現(xiàn)了巖爆災(zāi)害，19世紀(jì)開始在南非1 600 m以下采場中頻發(fā)巖爆災(zāi)害［2］。過去一段時(shí)間，國內(nèi)外學(xué)者對于巖爆災(zāi)害的研究工作主要集中在巖爆孕育機(jī)制的理論分析、巖爆發(fā)生的現(xiàn)場監(jiān)測以及不同巖石條件和不同應(yīng)力場環(huán)境下圍巖破壞的數(shù)值分析等幾個(gè)方面，比如李元輝等［3］對巖石破壞聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)中的b值以及聲發(fā)射事件空間分布分形維值進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)巖石內(nèi)部微裂紋的擴(kuò)展和宏觀破壞過程是一致的，并且聲發(fā)射事件空間分布分形維值和b值可以作為巖石失穩(wěn)破壞的2個(gè)有效指標(biāo)。

美國礦業(yè)局在20世紀(jì)30年代研究礦井巖爆問題時(shí)，發(fā)現(xiàn)巖石承受應(yīng)力載荷的過程中會向外釋放聲波，這也是聲發(fā)射和微震研究的開端。傳統(tǒng)的采礦和支護(hù)技術(shù)（工藝）不能有效地控制高應(yīng)力誘發(fā)的巖爆與巖石冒落，當(dāng)巖體宏觀位移發(fā)生時(shí)，其內(nèi)部微裂紋可能已產(chǎn)生了較大的貫通。傳統(tǒng)的位移監(jiān)測手段難以捕捉巖體工程失穩(wěn)的前兆信息，而微震監(jiān)測技術(shù)可以實(shí)時(shí)采集巖體在變形和斷裂破壞過程中釋放出的以彈性波形式的微震事件，并對巖體工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行有效評估。姜福興等［4］利用新型的微震監(jiān)測系統(tǒng)對煤礦地壓災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測和防治，并取得了較好的效果。楊承祥等［5］將ISS微震監(jiān)測系統(tǒng)引入冬瓜山銅礦，并對開采擾動過程中的微震活動規(guī)律進(jìn)行分析，取得了較好的效果。事實(shí)證明，微震監(jiān)測作為一種高科技信息化的地下工程動力監(jiān)測技術(shù)，在礦山地壓災(zāi)害監(jiān)測及預(yù)警方面已成為一個(gè)重要技術(shù)手段。

1 工作區(qū)概況

玲瓏金礦屬于石英脈型金礦，區(qū)域內(nèi)花崗巖巖石構(gòu)造致密，極限抗壓強(qiáng)度高，屬堅(jiān)硬—高度堅(jiān)硬巖石，破碎蝕變帶巖石破碎，蝕變較強(qiáng)烈，裂隙較發(fā)育［6］。自1962年建成投產(chǎn)以來，己有50多年的開采歷史，是我國開采歷史較長的地下金屬礦山，隨著開采深度的不斷增加，礦體賦存狀況、地質(zhì)條件和圍巖穩(wěn)定性狀態(tài)顯著惡化，地壓顯現(xiàn)加劇，沖擊地壓和巖爆等動力災(zāi)害現(xiàn)象越發(fā)突顯，其中在大開頭礦區(qū)和西山礦區(qū)已發(fā)生過巖爆事故，對礦山的正常生產(chǎn)運(yùn)營和作業(yè)人員的生命安全造成了威脅。微震監(jiān)測技術(shù)作為可以采集巖體破裂所釋放彈性波的一種監(jiān)測手段，已被廣泛應(yīng)用于工程安全監(jiān)測等領(lǐng)域。在同樣的地質(zhì)背景下，具有較高地應(yīng)力的巖體，彈性模量也較高，發(fā)生巖爆的風(fēng)險(xiǎn)越大。相關(guān)資料表明，高地應(yīng)力的巖石具有比較明顯的脆碎特征［7］。大量實(shí)踐表明，隨著開采深度的不斷增加，地應(yīng)力也不斷增加，使得深井開采中巖爆的發(fā)生次數(shù)和頻率也明顯增多，災(zāi)害造成的事故損失也不斷增強(qiáng)。

不同國家的地下工程臨界深度各不相同，通過前期對玲瓏金礦實(shí)際發(fā)生巖爆地點(diǎn)的巖心取樣測試，得到該礦山花崗巖巖石的基本物理力學(xué)參數(shù)：巖石干密度為2 628 kg/m3，單軸抗壓強(qiáng)度為170.1 MPa，彈性模量為37.47 GPa，泊松比為0.24，抗拉強(qiáng)度為5.36 MPa，黏聚力為28.03 MPa，內(nèi)摩擦角為41.02°。根據(jù)巖石參數(shù)計(jì)算得出的理論巖爆發(fā)生深度應(yīng)在760 m左右。玲瓏金礦大開頭礦區(qū)現(xiàn)最深已開采至-820 m中段，開采深度已經(jīng)超過1 000 m，遠(yuǎn)大于理論巖爆發(fā)生深度，存在較大的巖爆發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。

2 微震監(jiān)測原理及系統(tǒng)構(gòu)建

2.1 微震監(jiān)測原理

微震監(jiān)測技術(shù)是通過巖體破壞釋放的彈性波來間接監(jiān)測巖體工程穩(wěn)定性的聲學(xué)方法，而這種巖石變形破壞釋放的彈性波在地質(zhì)上又被稱為微震（MS）［8-9］。一個(gè)微震事件可以被多個(gè)傳感器所監(jiān)測到，每一個(gè)微震信號都包含著豐富的巖體內(nèi)部狀態(tài)變化的信息，通過反演方法就可以推算出巖體工程微破裂發(fā)生的時(shí)刻、位置及破壞機(jī)制［10-11］。通過計(jì)算上述參數(shù)，并分析微震事件及其震源參數(shù)的時(shí)空演化規(guī)律，進(jìn)而總結(jié)預(yù)警判據(jù)，對監(jiān)測區(qū)域進(jìn)行提前預(yù)警。

2.2 微震監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建

巖石破裂產(chǎn)生的微震事件包含著豐富的信息，根據(jù)響應(yīng)頻率選取對應(yīng)的傳感器可以最大程度地捕捉微震信號，能夠得到微震事件發(fā)生的時(shí)間、位置、能量等震源參數(shù)。玲瓏金礦大開頭礦段采用的是由中南大學(xué)硬巖災(zāi)害防控團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的DLG微震監(jiān)測系統(tǒng)，具有采樣率高、動態(tài)范圍大、組網(wǎng)靈活、適應(yīng)多種通用的通信方式、方便耐用的特點(diǎn)，微震監(jiān)測系統(tǒng)傳感器空間布置如圖1所示。

3 監(jiān)測結(jié)果分析

3.1 微震活動時(shí)空分布規(guī)律

3.1.1 微震事件活動時(shí)間分布

圖2所示為玲瓏金礦大開頭礦區(qū)24 h微震事件的時(shí)間分布圖，可以看出，玲瓏金礦單日開采作業(yè)產(chǎn)生的微震事件可以簡單分為活躍期和平靜期，3∶00—7∶00及19∶00—20∶00這2個(gè)時(shí)間段，礦山采掘作業(yè)較少，產(chǎn)生的開采擾動頻次較低，微震事件的數(shù)量處于較低水平，而其余時(shí)間礦山的采掘活動較為頻繁，誘發(fā)微裂紋在巖體表面及其內(nèi)部的擴(kuò)展和發(fā)育，當(dāng)巖體內(nèi)部儲存的應(yīng)力得到釋放后，應(yīng)力分布又會達(dá)到動態(tài)平衡，在圖2中就表現(xiàn)為微震事件時(shí)間分布的平靜期。

3.1.2 微震事件活動區(qū)域分布

借助微震監(jiān)測可視化軟件對大開頭礦段監(jiān)測到的微震事件在模型上進(jìn)行投影，三維模型俯視圖、側(cè)視圖如圖3所示。

本研究所基于的微震監(jiān)測系統(tǒng)主要覆蓋大開頭礦段-570～-720 m中段，且微震監(jiān)測系統(tǒng)所收集到的微震事件主要以傳感器陣列為核心分布，幾個(gè)較為集中的微震事件群主要集中于傳感器陣列附近的采空區(qū)處，這與礦山部分采掘作業(yè)活躍區(qū)域基本吻合。通過將微震監(jiān)測系統(tǒng)采集到的微震事件與礦山開挖活動進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)兩者位置與時(shí)間演化基本吻合，說明微震事件的產(chǎn)生、演化和礦山開采活動直接相關(guān)，充分表明了微震監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用于礦山地壓分布及演化規(guī)律研究的可行性。

3.2 高應(yīng)力區(qū)域微震活動性分析

3.2.1 微震事件b值前兆特征

在地震活動研究中，完整可靠的地震序列對于獲得更準(zhǔn)確的統(tǒng)計(jì)結(jié)果非常重要。地震序列的完整性直接受最小完整性震級Mmin的影響。只有當(dāng)確定了特定區(qū)域的最小完整性震級大小時(shí)，地震活動的研究才具有實(shí)際意義。

目前，確定最小完整性震級的方法有2種：一種是地震波形法，另一種是統(tǒng)計(jì)法。前者通過分析地震波形獲得最小完整性震級，但由于需要處理大量地震數(shù)據(jù)，因此通常不采用；選擇后一種方法來計(jì)算最小完整性震級，因?yàn)樗肎utenberg-Richter幅度—頻率關(guān)系的優(yōu)點(diǎn)來獲得線性關(guān)系的最佳部分，而最小完整性震級恰好是該部分的最小完整性幅度。

采用式（1）所示的Gutenberg-Richter幅度—頻率關(guān)系來計(jì)算區(qū)域中的最小完整性震級Mmin。

式中，Mw是矩震級；N是（M±ΔM）幅度范圍中的地震事件的累積數(shù)；a和b是經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，b是衡量區(qū)域地震活動水平和描述該區(qū)域中大幅度事件和小幅度事件數(shù)量的比例關(guān)系的重要參數(shù)。

3.2.2 微震事件H指數(shù)前兆特征

對于一個(gè)具有赫斯特統(tǒng)計(jì)特性的系統(tǒng)，不需要通常概率統(tǒng)計(jì)學(xué)的獨(dú)立隨機(jī)事件假設(shè)。H指數(shù)反映的是一長串相互聯(lián)系事件的結(jié)果。

通常，對于某些物理現(xiàn)象，H指數(shù)在0.5～1。人們普遍認(rèn)為當(dāng)H＞0.5時(shí)存在一種持續(xù)性，這意味著后者事件與前者事件正相關(guān)。類似地，當(dāng)H＜0.5時(shí)，后一事件與前一事件負(fù)相關(guān)，稱為反持久性。至于地震事件，它們具有長距離相關(guān)性，后者事件將受到前者事件的影響。地震事件的發(fā)生是不規(guī)則的、隨機(jī)的，H指數(shù)偏離0.5的程度可以測量隨機(jī)因子與地震時(shí)間分布中某些因子的比例。在H＞0.5的范圍內(nèi)，H指數(shù)的減小意味著隨機(jī)因素在地震時(shí)間分布中的比例在增加。

3.2.3 微震活動性預(yù)警指標(biāo)分析

通過監(jiān)測系統(tǒng)采集到微震事件的相對震級分布來衡量巖石未破裂擴(kuò)展的尺度，用于評估上述現(xiàn)象的參數(shù)稱為b值。微震事件的震源機(jī)制決定了某一區(qū)域內(nèi)微震事件群b值的變化，研究表明b值大的微震活動區(qū)域相對來說風(fēng)險(xiǎn)比較大。即小震級微震事件群的增加使得b值逐漸增大，當(dāng)微震事件的產(chǎn)生與消退達(dá)到平衡時(shí)，b值處于動態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)，而當(dāng)大震級事件（礦山動力災(zāi)害）發(fā)生時(shí)，大震級事件所占的比例上升使得b值降低。故b值可以作為礦山災(zāi)害預(yù)警的參數(shù)。

7—11月的b值及H指數(shù)如表1所示，從7月開始b值呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，說明在該段時(shí)間內(nèi)小震級微震事件所占比例升高，可能在這個(gè)過程中發(fā)生巖體失穩(wěn)破壞的現(xiàn)象，經(jīng)過與礦山垮塌數(shù)據(jù)對比，發(fā)現(xiàn)b值達(dá)到最小值的9月份曾發(fā)生過2次大小不同的垮塌現(xiàn)象。同時(shí)在9月份之后，b值呈現(xiàn)持續(xù)上升的趨勢，在微震監(jiān)測陣列覆蓋范圍內(nèi)可能會存在有高應(yīng)力環(huán)境誘發(fā)的巖體損傷或局部破壞，且該類破壞的風(fēng)險(xiǎn)有不斷增大的趨勢，建議加強(qiáng)該區(qū)域微震和常規(guī)監(jiān)測的分析力度，并且對采場和開挖巷道附近采空區(qū)等安全性進(jìn)行實(shí)時(shí)動態(tài)評價(jià)。

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4 結(jié)論

結(jié)合玲瓏金礦大開頭礦區(qū)布設(shè)的微震監(jiān)測系統(tǒng)，對傳感器網(wǎng)絡(luò)中心周圍200 m區(qū)域的微震活動性進(jìn)行了分析，并結(jié)合b值、H指數(shù)對微震大震級事件的前兆信息進(jìn)行驗(yàn)證。同時(shí)通過分析玲瓏金礦微震事件的時(shí)間和空間分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)微震事件發(fā)生的時(shí)間大部分分布于采場大規(guī)模爆破開挖階段，空間位置主要分布在采礦區(qū)域和地質(zhì)構(gòu)造附近。隨著回采工序的結(jié)束，深部采區(qū)圍巖儲存的能量釋放，使得巖體內(nèi)部的應(yīng)力分布狀態(tài)達(dá)到了新的平衡，微震事件的活躍度逐漸平穩(wěn)，這也證明了微震監(jiān)測技術(shù)在一定程度上確實(shí)可作為潛在危險(xiǎn)區(qū)域識別與災(zāi)害預(yù)警的重要手段。