金屬礦山微震風(fēng)險(xiǎn)管理實(shí)踐綜述

張少杰,劉育明,張愛民,郭 雷,楊志國(中國恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038)

1 前言

在地壓顯現(xiàn)劇烈的地下礦山中,微震風(fēng)險(xiǎn)通常被歸類為極端風(fēng)險(xiǎn),嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致多人傷亡和礦山長時(shí)間的關(guān)閉,因此,微震風(fēng)險(xiǎn)的主動(dòng)管理對于在地壓顯現(xiàn)劇烈條件下生產(chǎn)作業(yè)的礦山至關(guān)重要[1-6]。本文主要對國外微震風(fēng)險(xiǎn)管理實(shí)踐方面的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行概述和介紹,為國內(nèi)深井礦山微震風(fēng)險(xiǎn)管理實(shí)踐提供借鑒參考。

2 微震風(fēng)險(xiǎn)及其管理過程

澳大利亞學(xué)者Owen等提出微震風(fēng)險(xiǎn)可用下式表示:微震風(fēng)險(xiǎn)=微震災(zāi)害×巖體損傷概率×暴露,式中,微震災(zāi)害是指某震源在給定時(shí)間段內(nèi)發(fā)生某一震級微震事件的平均概率,包含三個(gè)要素:微震事件發(fā)生的位置、微震事件的等級和微震事件的發(fā)生概率。

巖體損傷概率是指考慮到局部場地特征和微震災(zāi)害的鄰近性,在給定位置巖體發(fā)生損傷的可能性。

暴露是指處于風(fēng)險(xiǎn)中的采礦元素,通常指的是礦山勞動(dòng)力,但也可能包括礦山設(shè)備和資源儲(chǔ)量等。

澳大利亞學(xué)者Potvin和Wesseloo等將微震風(fēng)險(xiǎn)管理過程劃分為四個(gè)層次:(1)數(shù)據(jù)收集。(2)開采微震響應(yīng)。(3)控制措施。(4)微震風(fēng)險(xiǎn)評估。每一個(gè)層次包含若干個(gè)單元,每一單元再包含若干實(shí)踐活動(dòng)(進(jìn)一步細(xì)分為標(biāo)準(zhǔn)實(shí)踐活動(dòng)和高級實(shí)踐活動(dòng))。

礦山的微震風(fēng)險(xiǎn)管理實(shí)踐是礦山現(xiàn)場微震事件強(qiáng)度和復(fù)雜性等眾多因素的函數(shù)。對于微震風(fēng)險(xiǎn)較低的礦山來說,實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)實(shí)踐活動(dòng)即可。對于微震風(fēng)險(xiǎn)較高的礦山,則宜實(shí)施高級實(shí)踐活動(dòng)。以數(shù)值模擬分析為例,其標(biāo)準(zhǔn)實(shí)踐活動(dòng)和高級實(shí)踐活動(dòng)的匯總表見表1。數(shù)值模擬分析主要包含三個(gè)方面:①對比模型;②反分析;③預(yù)測模型。

表1 數(shù)值模擬分析的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)踐活動(dòng)和高級實(shí)踐活動(dòng)匯總表

2.1 數(shù)據(jù)收集

需要注意的是,采礦誘發(fā)微震風(fēng)險(xiǎn)的管理需要來自不同數(shù)據(jù)源、不同類型的多種數(shù)據(jù),而不僅僅是微震數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)收集層有四個(gè)組成部分:地質(zhì)、采礦、巖土和微震。除微震數(shù)據(jù)外,所有其他數(shù)據(jù)通常以某種形式在大多數(shù)礦區(qū)已經(jīng)存在。由于收集這些現(xiàn)有數(shù)據(jù)的目的不是微震管理,因此,要充分利用這些數(shù)據(jù),通常需要解決許多挑戰(zhàn)。

例如,為了探明礦體儲(chǔ)量和資源,在礦山開發(fā)的勘探和早期階段開發(fā)了地質(zhì)模型。構(gòu)造地質(zhì)學(xué)家在礦山現(xiàn)場時(shí),他們的工作通常致力于新的勘探目標(biāo),對于已有的開采礦體模型的更新、細(xì)化工作則往往容易忽視。許多礦山井下巷道廣泛使用噴射混凝土支護(hù),不僅妨礙了巖體條件調(diào)查的可視性,而且妨礙了生產(chǎn)礦山結(jié)構(gòu)模型的持續(xù)細(xì)化和驗(yàn)證。地質(zhì)模型被開發(fā)和維護(hù)僅是從礦化角度出發(fā)的,而巖土特性(結(jié)構(gòu)、寬度、填充物特性)則通常被忽略了。

采礦數(shù)據(jù)可能不完整,缺乏一些細(xì)節(jié),這些細(xì)節(jié)對微震分析十分重要,但生產(chǎn)人員并不十分重視。對于高級實(shí)踐活動(dòng)來說,則需要記錄每次爆破的坐標(biāo)、精確啟動(dòng)時(shí)間、使用的炸藥噸數(shù)、爆破類型(天井、切割槽、一步或二步采場、拉底和放礦漏斗)。這些數(shù)據(jù)對于研究爆破微震響應(yīng)和爆破后作業(yè)人員撤出時(shí)間的優(yōu)化至關(guān)重要,但由于其對生產(chǎn)目的來說并不重要,因此往往并沒有被完整記錄。

除了爆破信息記錄不完整外,生產(chǎn)停滯數(shù)據(jù)很少以有用的方式存儲(chǔ)以供分析。生產(chǎn)停滯率通常被用作微震活動(dòng)的潛在解譯,但該數(shù)據(jù)并未被記錄,未能被用來正確分析微震活動(dòng)性和開采率之間的關(guān)系。

開采區(qū)域的幾何信息通常未被完整記錄存檔。當(dāng)前的掘進(jìn)尺寸和空區(qū)的幾何信息基本上會(huì)被記錄存檔,但前幾個(gè)月和前幾年的開采區(qū)域的幾何信息則并沒有被普遍地記錄存檔。礦山開采區(qū)域的幾何狀態(tài)信息不僅對微震活動(dòng)的發(fā)生具有關(guān)鍵的影響作用,而且對巖爆孕育、發(fā)生機(jī)理的研究分析也具有相當(dāng)重要的作用。

微震數(shù)據(jù)的質(zhì)量保證/質(zhì)量檢查(QA/QC)對于微震風(fēng)險(xiǎn)管理至關(guān)重要。由于微震數(shù)據(jù)的質(zhì)量保證/質(zhì)量檢查對微震分析結(jié)果的影響并不總是顯而易見的,因此,微震數(shù)據(jù)的質(zhì)量保證/質(zhì)量檢查經(jīng)常被忽視。Morkel和Wesseloo發(fā)現(xiàn),他們調(diào)查的20個(gè)地點(diǎn)中有19個(gè)由于微震系統(tǒng)設(shè)置的變化,導(dǎo)致微震震源參數(shù)值發(fā)生了較大變化。這些變化不是由巖體的自然變化引起的,而是由較差的QA/QC實(shí)踐引入的。微震事件的記錄是一個(gè)復(fù)雜的過程,該過程可分為以下步驟:(1)波在巖體中的傳播。(2)波被微震傳感器拾取到。(3)波被記錄、傳送至微震服務(wù)器。(4)通過算法和人工波形處理計(jì)算震源參數(shù)。(5)對震源參數(shù)進(jìn)一步可視化和分析。上述每一個(gè)步驟都為錯(cuò)誤和不確定性留有若干空間。因此,微震系統(tǒng)管理人員在確保微震數(shù)據(jù)質(zhì)量方面面臨著諸多挑戰(zhàn),記錄的微震數(shù)據(jù)的系統(tǒng)誤差也并不少見。

擁有一個(gè)共同的平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)庫間的交互和比較也是一個(gè)挑戰(zhàn)。數(shù)據(jù)收集方面的高級實(shí)踐將擁有廣泛的數(shù)據(jù),在數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行合理的組織,具有良好的可視化效果,便于在所有數(shù)據(jù)庫的多個(gè)分析中輕松訪問和定期使用。

2.2 開采微震響應(yīng)

開采微震響應(yīng)是在采取控制措施將微震風(fēng)險(xiǎn)降低到可接受的水平之前,對礦山現(xiàn)場的震源進(jìn)行識(shí)別、理解,對微震災(zāi)害進(jìn)行定量化研究。開采微震響應(yīng)研究的主要方法有:(1)數(shù)值模型分析。(2)地震學(xué)模型分析(震源位置、震源參數(shù)、震源機(jī)制、層析成像)。(3)日常的觀測分析和先前的開采微震響應(yīng)案例研究。

數(shù)值模型分析和地震學(xué)模型分析都屬于高度專業(yè)化的領(lǐng)域。礦山企業(yè)非常依賴外部專家顧問來完成這些分析任務(wù)。日常觀測和案例研究調(diào)查主要由礦山現(xiàn)場人員完成。因此,我們有三個(gè)信息來源,通常由三個(gè)不同的群體產(chǎn)生,需要整合并轉(zhuǎn)化為知識(shí)。其中兩個(gè)來源是模型的結(jié)果,第三個(gè)來源是觀測結(jié)果。由于微震監(jiān)測的間接性質(zhì),包括根據(jù)理論模型和假設(shè)進(jìn)行的多層次的處理和解釋,因此必須認(rèn)識(shí)到,微震監(jiān)測過程產(chǎn)生的是模型,而不是數(shù)據(jù)。微震風(fēng)險(xiǎn)管理實(shí)踐中常會(huì)出現(xiàn)的情況:對微震災(zāi)害的理解和預(yù)測,由三個(gè)信息源中的一個(gè)主導(dǎo),而其他兩個(gè)信息源的輸入不足。在許多情況下,對微震危險(xiǎn)的解釋要么由數(shù)值模型主導(dǎo),要么由地震學(xué)模型主導(dǎo)。由于缺乏礦山現(xiàn)場的觀測資源,從案例研究中獲得的觀察結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)通常也相對較差。理想情況是,這兩種模型應(yīng)該相互比較,更重要的是,與現(xiàn)實(shí)(觀測和案例研究)深度關(guān)聯(lián),以便在一定程度上了解微震震源以及這些震源對開采的影響。只有這樣,微震危險(xiǎn)性的預(yù)測才能有一定的可信度。這種情況只能在礦山人員既對數(shù)值模擬、地震學(xué)分析技術(shù)有充分了解,而且對現(xiàn)場觀測也非常熟悉的情況下才會(huì)發(fā)生。另外這樣的人員還必須有專門的時(shí)間來研究模型,并產(chǎn)生這些基本認(rèn)知、判斷和模型預(yù)測。

采用高級微震風(fēng)險(xiǎn)管理實(shí)踐的操作往往強(qiáng)調(diào)定期進(jìn)行調(diào)查,并作為對微震事件變化的響應(yīng)。當(dāng)發(fā)生重大微震事件時(shí),將使用所有可用數(shù)據(jù)和分析技術(shù)進(jìn)行辯證分析,以調(diào)查微震事件的根本原因,以及根據(jù)最近的事態(tài)發(fā)展,判斷當(dāng)前的控制措施是否足夠。

2.3 控制措施

微震風(fēng)險(xiǎn)控制措施主要有:(1)支護(hù)加固。(2)減少作業(yè)人員暴露于危險(xiǎn)區(qū)域。(3)礦山設(shè)計(jì)變更。(4)改善巖體條件。

2.3.1 支護(hù)加固

動(dòng)態(tài)載荷下的支護(hù)加固被視為減輕微震事件后果的主要措施。新的支護(hù)加固產(chǎn)品被不斷地研發(fā)出來并在礦山現(xiàn)場試驗(yàn)應(yīng)用,以提高對動(dòng)態(tài)載荷下支護(hù)加固措施的認(rèn)識(shí),但動(dòng)態(tài)載荷下支護(hù)加固的理論基礎(chǔ)和設(shè)計(jì)方法仍不夠完善,仍有待進(jìn)一步的研究。需要指出的是,微震風(fēng)險(xiǎn)控制的高級實(shí)踐應(yīng)包括在大型微震事件后,必要時(shí)對支護(hù)加固進(jìn)行評估和修復(fù)。礦山越來越普遍的做法是使用三維激光掃描儀測量大型微震事件發(fā)生前后的位移數(shù)據(jù),并將這些測量數(shù)據(jù)用于估計(jì)支護(hù)加固系統(tǒng)性能的消耗和殘余,以及重大微震事件后是否需要主動(dòng)修復(fù)。此外,潛在影響支護(hù)加固性能的一個(gè)重要因素是腐蝕。然而,大多數(shù)礦山?jīng)]有工具來量化腐蝕對支護(hù)加固性能的影響。

2.3.2 減少作業(yè)人員暴露于危險(xiǎn)區(qū)域

絕大多數(shù)微震活躍礦山防范風(fēng)險(xiǎn)的措施之一是在微震活動(dòng)加劇期間減少人員暴露于危險(xiǎn)區(qū)域,制定人員撤出危險(xiǎn)區(qū)域和重返工作面的準(zhǔn)則,從而降低風(fēng)險(xiǎn)。有些礦山根據(jù)經(jīng)驗(yàn),在時(shí)間上將掘進(jìn)爆破后的重返工作面時(shí)間限定為3 h,在空間上限定為從爆破位置延伸半徑30 m。更高級的實(shí)踐為基于歷史微震響應(yīng)的統(tǒng)計(jì)分析確定受限時(shí)間和受限空間,受限時(shí)間和受限空間在礦井的不同區(qū)域可以根據(jù)分析研究結(jié)果調(diào)整變化,并且可以準(zhǔn)實(shí)時(shí)評估后再返回工作面。減少人員暴露于危險(xiǎn)區(qū)域的其他做法還包括改變礦井布局,以盡量減少高危險(xiǎn)區(qū)域的通道,增加遠(yuǎn)程或全自動(dòng)設(shè)備的使用。對工作人員進(jìn)行更好的教育和培訓(xùn),通過提高他們對微震危險(xiǎn)加劇跡象的認(rèn)識(shí)來減少暴露于危險(xiǎn)區(qū)域。

2.3.3 礦山設(shè)計(jì)變更

礦山設(shè)計(jì)變更的目的是通過減少微震危害或后果來降低微震風(fēng)險(xiǎn)。常規(guī)情況下,礦山設(shè)計(jì)變更中的控制措施通常較難被應(yīng)用,但在某些情況下,可以非常有效地降低微震風(fēng)險(xiǎn)。礦山設(shè)計(jì)變更可能直接影響微震災(zāi)害,例如,通過設(shè)計(jì)形成有利的應(yīng)力條件,或者通過創(chuàng)造更多的靈活性,減少人員暴露于危險(xiǎn)區(qū)域來間接影響微震風(fēng)險(xiǎn),減小微震事件帶來的后果?？傮w降低微震風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)是礦山設(shè)計(jì)微震控制措施的目標(biāo),而不是局部或短期收益。在某些情況下,經(jīng)歷過非常嚴(yán)重微震反應(yīng)的礦山將成為微震控制礦山,這意味著與最小化微震風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)計(jì)布局相比,礦山設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)因素,成本、生產(chǎn)效率、品位和回收率將成為次要因素。

開采順序優(yōu)化是微震風(fēng)險(xiǎn)控制的常用手段之一。巖土工程師為礦山規(guī)劃提供設(shè)計(jì)原則,并對擬定的開采計(jì)劃進(jìn)行審查。與微震活動(dòng)構(gòu)造相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)通常通過開采順序優(yōu)化來減輕。例如,一般遠(yuǎn)離斷層而不是朝向斷層進(jìn)行采礦,并對開采順序進(jìn)行優(yōu)化,以減小采礦引起的斷層等地質(zhì)構(gòu)造上的剪切應(yīng)力。

2.3.4 改善巖體條件

改善巖體條件的主要措施有卸壓爆破和水力壓裂。通過卸壓爆破或水力壓裂等預(yù)處理技術(shù)來改變巖石的性質(zhì),以改變其對采礦引起的應(yīng)力變化和微震響應(yīng),減小微震事件發(fā)生的可能。可以在巷道上實(shí)施卸壓爆破,也可以在崩落法礦山使用較大范圍的水力壓裂或限制爆破。

2.4 微震風(fēng)險(xiǎn)評估

微震風(fēng)險(xiǎn)評估可分為三個(gè)層次:(1)個(gè)人主觀風(fēng)險(xiǎn)評估。(2)采用專家意見的正式主觀風(fēng)險(xiǎn)評估。(3)定量風(fēng)險(xiǎn)評估。

個(gè)人主觀風(fēng)險(xiǎn)評估:巖土工程師采用正式的風(fēng)險(xiǎn)評估技術(shù)(如事故樹)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估,并為事故樹的組成部分分配主觀概率。該風(fēng)險(xiǎn)評估記錄在文檔中,并列出了主觀概率。該文檔支持對風(fēng)險(xiǎn)評估進(jìn)行審計(jì)和專家評估。針對特定場景的事故樹被初始開發(fā)之后,微震風(fēng)險(xiǎn)評估的過程則不再繁重。

采用專家意見的正式主觀風(fēng)險(xiǎn)評估:在巖土工程文檔中被充分記錄的采用專家意見來推導(dǎo)主觀概率的正式風(fēng)險(xiǎn)評估。選擇一個(gè)專家小組,并由一名主持者根據(jù)完善的流程管理風(fēng)險(xiǎn)評估。

定量風(fēng)險(xiǎn)評估:在基于事故樹的正式風(fēng)險(xiǎn)評估中采用概率論對微震風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行計(jì)算,并對計(jì)算過程和風(fēng)險(xiǎn)評估過程進(jìn)行記錄。

微震風(fēng)險(xiǎn)評估還可以分為短期微震風(fēng)險(xiǎn)評估、中期微震風(fēng)險(xiǎn)評估和長期微震風(fēng)險(xiǎn)評估。

由于微震活動(dòng)的短期波動(dòng)性,短期微震風(fēng)險(xiǎn)評最具挑戰(zhàn)性。短期微震風(fēng)險(xiǎn)通常用于評估未來幾個(gè)小時(shí)或幾天內(nèi)微震事件發(fā)生的潛在可能性。短期微震風(fēng)險(xiǎn)性評估是在研究各種微震參數(shù)隨時(shí)間變化的基礎(chǔ)上進(jìn)行的,有效地尋找“異常”或前兆行為,并將這些異?；蚯罢仔袨檎系揭粋€(gè)評級系統(tǒng)中。一般可通過對地震密度和頻度分布的空間評估來評估當(dāng)前的微震風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)。

中期微震風(fēng)險(xiǎn)大約每月評估一次,使用震源參數(shù)的趨勢來確定某區(qū)域發(fā)生大型微震事件的潛在可能性。中期微震風(fēng)險(xiǎn)評估的關(guān)鍵在于,從過去的微震事件中得出的中期微震危險(xiǎn)如何被用來識(shí)別將來的高震級微震風(fēng)險(xiǎn)。

長期微震災(zāi)害受礦區(qū)地質(zhì)特征和開采參數(shù)的控制。長期微震災(zāi)害通常考慮特定規(guī)模事件發(fā)生的統(tǒng)計(jì)意義上的可能性,或特定規(guī)模事件的預(yù)期重現(xiàn)期。長期微震風(fēng)險(xiǎn)通常使用根據(jù)過去采礦微震響應(yīng)校準(zhǔn)的數(shù)值模型進(jìn)行評估。

3 結(jié)論

礦山微震風(fēng)險(xiǎn)管理是一個(gè)復(fù)雜的過程,最佳實(shí)踐由礦山現(xiàn)場具體條件決定。本文對國外微震風(fēng)險(xiǎn)管理實(shí)踐方面的研究進(jìn)行了概述和介紹,簡要討論了實(shí)踐活動(dòng)中一些細(xì)節(jié)問題,可為國內(nèi)礦山微震風(fēng)險(xiǎn)管理實(shí)踐提供參考,為制定和評估礦山現(xiàn)場風(fēng)險(xiǎn)管理提供一個(gè)有價(jià)值的框架。