基于微震監(jiān)測的采場頂板冒落反演分析*

袁錦鋒 董亞寧 郟 威 劉 博

（1.安徽馬鋼羅河礦業(yè)有限責(zé)任公司2.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司）

目前我國地下礦山開采越來越深，地壓問題日益嚴峻，雖然越來越多的礦山采用干式充填、水砂充填和膏體充填等方式控制地壓，但受限于充填設(shè)計強度的實現(xiàn)度、充填工藝和充填接頂?shù)入y題的限制，對地壓的控制效果難以表觀和量化。因此礦山對井下地壓問題都格外重視并采取一定的監(jiān)測手段，一般地壓監(jiān)測手段有鉆孔應(yīng)力計、光彈應(yīng)力計、壓力盒、收斂儀或儲存式應(yīng)力監(jiān)測設(shè)備等，這些監(jiān)測手段具有事后監(jiān)測、單點監(jiān)測和監(jiān)測成果單一等缺點。微震監(jiān)測系統(tǒng)作為新一代地壓監(jiān)測手段，具有實時監(jiān)測、過程監(jiān)測和可預(yù)警等特點，在地壓災(zāi)害發(fā)展過程中具有其他監(jiān)測手段難以替代的優(yōu)點，同時監(jiān)測數(shù)據(jù)多樣，可進行深入分析，便于總結(jié)地壓活動規(guī)律，從而為礦山動態(tài)采礦活動中提供安全保障［1-2］。

1 礦山生產(chǎn)概況

羅河鐵礦采礦方法主要以階段空場法和分段空場法為主，礦房開采完畢嗣后充填，再二步驟回采礦柱。由于羅河鐵礦礦房結(jié)構(gòu)尺寸較大，采場頂板在回采結(jié)束充填前，空區(qū)暴露面積為600～1 300 m2，而充填銜接周期為10～40 d，在此期間，大體積空區(qū)長時間暴露，頂板應(yīng)力在采充銜接周期內(nèi)重新分布和轉(zhuǎn)移。礦山采區(qū)上覆巖層有500多米，一步驟礦房開采完畢充填體形成有效支撐強度前，支撐上覆巖層應(yīng)力主要由二步驟礦柱和一步驟采場空區(qū)頂板承擔(dān)，礦房和礦柱資源回采時，勢必對上覆巖層產(chǎn)生擾動，尤其是中深孔大爆破，開采深度高，跨度大，爆破能量大，含水巖層對于爆破而言屬于軟弱結(jié)構(gòu)面，含水層厚度跨度300 m 左右，而隔水層厚度不足50 m，在動靜水壓力和爆破擾動作用下，頂板隔水層的穩(wěn)定性至關(guān)重要，同時頂板和礦柱的穩(wěn)定性也決定著礦塊采充周期內(nèi)的安全生產(chǎn)［3］。

2 礦山微震監(jiān)測系統(tǒng)

羅河鐵礦微震監(jiān)測系統(tǒng)采用ESG 地震波采集系統(tǒng)［4］，采樣頻率高，信號采集能力強。微震監(jiān)測系統(tǒng)主要由高精度加速度傳感器、地震波采集器、地表監(jiān)控設(shè)備以及監(jiān)測軟件組成。監(jiān)測軟件主要包含數(shù)據(jù)采集軟件（HNAS），定位事件三維可視化軟件（Seis-Vis）、波形可視化軟件（WaveVis）、帕拉丁診斷軟件（Paladin Diagnostics）、微震數(shù)據(jù)庫（Seismic Database）和微震樹形自動處理器（SeisProc Tree）。軟件工作邏輯關(guān)系如圖1所示。

微震監(jiān)測系統(tǒng)共建設(shè)5 臺基站，每臺基站攜帶6通道傳感器，共計30 通道傳感器。微震監(jiān)測系統(tǒng)布設(shè)采取重點監(jiān)測兼顧整體監(jiān)測、近期監(jiān)測和長遠監(jiān)測的原則，主要分布在-455 m 鑿巖水平、-508 m 輔助鑿巖水平和-560 m 運輸水平。針對礦山地壓情況，重點監(jiān)測上覆巖層含水層底板、中短期的采場礦柱以及長期的盤區(qū)間柱的地壓活動規(guī)律。因此傳感器一般布設(shè)在盤區(qū)間柱和采場礦柱內(nèi)，監(jiān)測系統(tǒng)布設(shè)如圖2所示。

3 采場頂板冒落的微震反演

3.1 微震震源

礦山作業(yè)環(huán)境較為復(fù)雜，產(chǎn)生震源的因素有很多。羅河鐵礦井下作業(yè)環(huán)境的主要震動源有爆破作業(yè)產(chǎn)生的震動、人員作業(yè)震動、設(shè)備作業(yè)震動、電磁干擾信號和巖石破裂發(fā)育等，而巖石破裂過程產(chǎn)生的彈性波是需要監(jiān)測的主要目標，用來分析巖體破裂的發(fā)育和擴展過程，并對監(jiān)測的信號進行波形識別，得到監(jiān)測數(shù)據(jù)和信號參量，從而進行地壓災(zāi)害孕育過程監(jiān)測。

3.2 微震波形識別

根據(jù)不同震動信號產(chǎn)生機理的不同，傳感器最后記錄到的波形在振幅值、持續(xù)時間與時間間隔等表征的波形形態(tài)一般不同，通過對井下主要震動源產(chǎn)生的信號波形進行收集與分析，根據(jù)波形形態(tài)的特征進行了經(jīng)驗識別。圖3 描述了一個完整信號波形的幾個特征，包括幅值、信號持續(xù)時間、上升時間與信號間隔時間等直觀的特征［5］。

表1 詳細地列出了不同震源的信號波形在信號持續(xù)時間、振幅值、上升時間與時間間隔等波形特征方面的差異，通過經(jīng)驗識別可以辨識出絕大多數(shù)波形信號。

3.3 微震監(jiān)測時空分布

對羅河鐵礦2020年10月1日—2021年1月27日的微震活動進行時空特征分析，時空分布特征主要表征微震活動與時間的相互關(guān)系，通過研究某個時間段內(nèi)的微震活動頻率，找出其對井下生產(chǎn)活動造成的影響趨勢。觸發(fā)-事件的時間分布柱狀圖見圖4，研究上述間段內(nèi)總的觸發(fā)數(shù)和事件數(shù)在一天中時間分布特征可知，觸發(fā)數(shù)與時間數(shù)呈正相關(guān)，而在每天的6∶00—8∶00，15∶00—17∶00 以及22∶00—23∶00時間段內(nèi)，觸發(fā)數(shù)和事件較為活躍。該段時間內(nèi)總事件數(shù)為1 468 個，平均事件率為12 個/d，大震級事件（M＞0.5）數(shù)為58個，大震級事件率為3.9%。

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3.4 24-5采場附近頂板冒落的微震監(jiān)測反演

從Seismic Data Editor 軟件中調(diào)取1 月12 號—1月27 號的微震監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過Filter 過濾，篩選高程在-540～-455水平、坐標位置在生產(chǎn)采區(qū)范圍內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，從觸發(fā)-時間關(guān)系圖、矩震級分布、累計視體積、事件率和b值等參數(shù)分析頂板冒落前后的監(jiān)測數(shù)據(jù)［6-7］，見圖5～圖9。

從圖5可知，在每天的6∶00—8∶00，15∶00—17∶00和22∶00—23∶00 時間段內(nèi)，傳感器觸發(fā)數(shù)和微震事件數(shù)比較集中，這與井下的生產(chǎn)大爆破、掘進爆破和溜井爆破等生產(chǎn)活動密切相關(guān)，每次在爆破后1～2 h內(nèi)是微震活躍的高發(fā)期。這與日常的監(jiān)測平均數(shù)據(jù)相符。

從圖6 和圖7 可知，定向過濾后的微震事件數(shù)為260 個，事件率為17.3 個/d，大于日常的12 個/d 的事件率，大震級事件（M＞0.5）數(shù)為24 個，其比例由日常平均值的3.9% 上升到10% 左右。其中1 月21 日前，事件數(shù)基本在10個以下，而在1月21—26日，事件數(shù)日均增加至30個以上，至1月27日后，事件數(shù)恢復(fù)至10個以上。

根據(jù)圖8可知，累積視應(yīng)力在1月21日后有快速增長的趨勢。根據(jù)圖9 的2020 年11 月18 日—2021年1 月27 日的b 值變化趨勢可知，1 月6—20 日時間段內(nèi)，b 值有短時間快速下降的現(xiàn)象，根據(jù)相關(guān)研究［8-9］，該段時間可能有巖體局部失穩(wěn)的可能。

在1月27日15:30大爆破后，14號和15號傳感器在短時間內(nèi)反復(fù)觸發(fā)，通過波形識別均為巖體破裂波形，壓剪波形和張拉波形均反復(fù)出現(xiàn)。如圖10、圖11所示。

當天2 個傳感器附近沒有作業(yè)情況，但反復(fù)觸發(fā)的情況很罕見，平均事件率在30 個/d，當天由于在-455 水平的26#～28#傳感器暫未工作，因此排查處于-508水平的14#和15#傳感器，其接收來自上方的微震彈性波信號。根據(jù)系統(tǒng)軟件，監(jiān)測到24-5 采場附近的大量微震事件，并形成事件簇群，因此系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析認為，14#和15#傳感器附近可能存在重大的巖體破裂可能，并發(fā)出監(jiān)測預(yù)警信息。

經(jīng)現(xiàn)場確認24-5采場附近頂板于1月28日凌晨發(fā)生垮塌，14#和15#傳感器正好位于24-5 和25-5 采場下方，這2 個傳感器在1 月21—27 日反復(fù)觸發(fā)表明，頂板巖體在垮塌前經(jīng)歷了大概一周的巖體破裂發(fā)育階段，在1 月27 日的大爆破擾動后，加劇了巖體內(nèi)部破裂，彈性波反復(fù)釋放，從而被垮塌地區(qū)下方的14#和15#傳感器接收，并在一天后地壓災(zāi)害孕育完成，發(fā)生頂板冒落。傳感器位置與采場及微震事件簇群關(guān)系見圖12。

4 結(jié) 論

（1）微震監(jiān)測系統(tǒng)具有動態(tài)監(jiān)測、過程監(jiān)測、區(qū)域監(jiān)測的優(yōu)點，可在地壓災(zāi)害孕育過程中實現(xiàn)有效信號識別，并通過分析實現(xiàn)安全預(yù)警。

（2）結(jié)合波形識別，通過對日均微震事件率、微震b值、矩震級和微震事件簇群等震動參量的對比分析，可以提前3～7 d 對地壓災(zāi)害進行有效監(jiān)測和定位，并提供預(yù)警信息。

（3）通過對24-5 采場附近頂板垮冒進行基于微震監(jiān)測的反演分析，微震監(jiān)測系統(tǒng)能有效對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行記錄和篩選，可對井下的地壓災(zāi)害進行過程監(jiān)測和提前預(yù)警，在下一步的安全監(jiān)管工作中，可以發(fā)揮更大的作用。