基于微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的礦山地壓活動(dòng)分析

李玉娟 楊云琛 吳爽 劉強(qiáng)

（1.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 102628；2.云南迪慶有色金屬有限責(zé)任公司，云南香格里拉 674400）

普朗銅礦采用自然崩落法進(jìn)行回采，礦石崩落后長(zhǎng)期堆積在底部結(jié)構(gòu)之上，造成底部結(jié)構(gòu)巖體產(chǎn)生變形破壞。由于賦存多條貫穿采區(qū)的斷層，在構(gòu)造應(yīng)力的共同作用下，底部結(jié)構(gòu)局部巷道圍巖與礦柱地壓?jiǎn)栴}凸顯[1-4]。為此，普朗銅礦在底部結(jié)構(gòu)建立了一套包括微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)配合鉆孔應(yīng)力單點(diǎn)監(jiān)測(cè)，多尺度掌握底部結(jié)構(gòu)地壓狀態(tài)。通過(guò)地壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)與地壓狀況，為礦山編排出礦作業(yè)計(jì)劃提供參考[5-8]。

1 礦山概況

1.1 采礦方法

普朗銅礦設(shè)計(jì)礦石生產(chǎn)規(guī)模為1250 萬(wàn)t/a。一期首采中段為3720m，即開(kāi)采3720m 標(biāo)高以上的礦體。采用平硐開(kāi)拓，中段采用無(wú)人駕駛有軌電機(jī)車(chē)運(yùn)輸。3720m 標(biāo)高為出礦水平，礦石經(jīng)鏟運(yùn)機(jī)出礦進(jìn)入溜井，下到有軌運(yùn)輸水平。3670m 標(biāo)高為有軌運(yùn)輸水平，采用沿脈裝礦、環(huán)形運(yùn)輸，設(shè)計(jì)運(yùn)輸車(chē)輛為40t 電機(jī)車(chē)雙機(jī)牽引10 輛20m3底側(cè)卸式礦車(chē)。礦石經(jīng)電機(jī)車(chē)礦車(chē)運(yùn)到地下破碎站，經(jīng)破碎后，由膠帶送到選礦廠。

1.2 地壓狀況

開(kāi)采過(guò)程中，底部結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中且受斷層影響，巖體破碎嚴(yán)重，巷道與支護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形。從現(xiàn)場(chǎng)巡查情況來(lái)看，采區(qū)底部結(jié)構(gòu)S1～S7穿脈東西兩側(cè)地壓顯現(xiàn)，特別是斷層揭露區(qū)域圍巖破壞變形嚴(yán)重，S1～S5 西沿多條穿脈出現(xiàn)頂板沉降、片幫、底鼓等不同程度的變形破壞。

1.3 地壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概況

礦山在井下建立了一套微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在井下3720m 出礦水平的N4、N1、S3、S6、S9等5個(gè)穿脈內(nèi)布設(shè)24 個(gè)傳感器，在3660m 水平在1#、3#運(yùn)輸巷布設(shè)8個(gè)傳感器。同時(shí)在3720m 出礦水平N3、N2、S2、S4、S5穿脈內(nèi)針對(duì)性的布設(shè)鉆孔應(yīng)力計(jì)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)面結(jié)合、多尺度協(xié)同的礦山地壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2 微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理

微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到震動(dòng)信號(hào)后，需要對(duì)震動(dòng)波形進(jìn)行鑒別和處理。震動(dòng)信號(hào)中除爆破信號(hào)與微震信號(hào)外，還存在諸多干擾信號(hào)，主要為機(jī)械振動(dòng)信號(hào)、電流干擾信號(hào)等，需要對(duì)爆破信號(hào)與微震信號(hào)波形進(jìn)行鑒別，圖1 為典型礦山爆破與微震信號(hào)波形。信號(hào)識(shí)別后，到時(shí)拾取是事件定位的關(guān)鍵，通常采用能量法中的長(zhǎng)短時(shí)窗比法（STA/LTA）進(jìn)行到時(shí)拾取，STA指信號(hào)在固定長(zhǎng)度的短時(shí)窗，LTA指長(zhǎng)時(shí)窗中的平均值，用二者比值來(lái)描述該段信號(hào)的振幅即能量的變化情況，比值突變點(diǎn)認(rèn)定為震動(dòng)信號(hào)的到時(shí)點(diǎn)，經(jīng)計(jì)算后獲得精確定位的微震事件。

圖1 典型礦山震動(dòng)波形

3 地壓活動(dòng)分析

將定位后的微震事件導(dǎo)入礦山三維模型，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)作業(yè)與巖體實(shí)際情況，對(duì)礦山底部結(jié)構(gòu)地壓情況進(jìn)行分析，為礦山編排出礦計(jì)劃提供參考。

3.1 底部結(jié)構(gòu)微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

以普朗銅礦3720m 水平為中心，向上下各30m建立底部結(jié)構(gòu)分析模型，分析底部結(jié)構(gòu)區(qū)域微震事件時(shí)空演化規(guī)律。圖2 為2022 年7 月與8 月底部結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)到的微震事件空間分布情況，上述兩個(gè)月微震事件分布區(qū)域相似，由于8 月微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)斷電，監(jiān)測(cè)到的微震事件數(shù)量有所減少。7 月與8 月主要位于N3～S2 穿脈W9～E1 進(jìn)路與S6～S9 穿脈W9～W5進(jìn)路，西側(cè)出礦作業(yè)與各穿脈1#溜井溜礦作業(yè)誘發(fā)了大量的微震事件，采區(qū)中部與西部微震事件較少。該情況與礦山雨季管控期間，東部區(qū)域大量出礦，而雨季管控區(qū)出礦量較少相一致，微震事件時(shí)空分布反映了底部結(jié)構(gòu)生產(chǎn)作業(yè)情況。

圖2 微震事件空間分布

為更準(zhǔn)確的分析底部結(jié)構(gòu)微震事件的空間分布規(guī)律，平行于穿脈方向?qū)⒌撞拷Y(jié)構(gòu)每隔30m 進(jìn)行劃分，統(tǒng)計(jì)每個(gè)分區(qū)內(nèi)的微震事件數(shù)量。如圖3所示，8月～9 月N3～S3 之間、S6～S8 之間穿脈微震事件較多，與現(xiàn)場(chǎng)出礦作業(yè)地點(diǎn)相吻合。采區(qū)S2穿脈以北區(qū)域與S6 穿脈以南區(qū)域整體上地壓狀況良好，S2～S5 穿脈地壓?jiǎn)栴}相對(duì)突出，特別是西側(cè)區(qū)域進(jìn)路圍巖嚴(yán)重變形，需繼續(xù)做好危險(xiǎn)區(qū)域管控。

圖3 底部結(jié)構(gòu)各穿脈內(nèi)微震事件數(shù)量分布

3.2 底部結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反映了底部結(jié)構(gòu)巖體的宏觀破裂情況，鉆孔應(yīng)力數(shù)據(jù)代表了具體位置的精確受力狀態(tài)。圖4 為S2 與S5 穿脈鉆孔應(yīng)力測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值曲線，S2、S5 穿脈測(cè)點(diǎn)基本均在7 月～8 月未出礦區(qū)域，因此應(yīng)力值變化幅度不大，S2-E7測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值處于持續(xù)的波動(dòng)狀態(tài)，S5-E19 測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值在8 月初呈現(xiàn)1MPa 上下的波動(dòng)，表明以上兩測(cè)點(diǎn)所在礦柱出現(xiàn)破裂情況，巖體仍處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 鉆孔應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

3.3 出礦作業(yè)建議

根據(jù)7 月～8 月地壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)狀況，采區(qū)S2 穿脈以北區(qū)域與S6 穿脈以南區(qū)域整體上地壓狀況良好，8月后若無(wú)大規(guī)模降水情況下可以加大出礦量；S2～S5 穿脈地壓?jiǎn)栴}相對(duì)突出，斷層交匯區(qū)域仍處于不穩(wěn)定狀態(tài)，需緩慢加大出礦量。編排出礦計(jì)劃時(shí)應(yīng)在時(shí)間與空間上梯度增長(zhǎng)，不可在長(zhǎng)期未出礦的區(qū)域突然大量出礦，否則將打破已形成的相對(duì)平衡穩(wěn)定的礦巖結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

4 結(jié)論

（1）采用長(zhǎng)短時(shí)窗比法對(duì)礦山震動(dòng)波形進(jìn)行鑒別和處理，獲得精確定位的微震事件并導(dǎo)入礦山三維模型，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)作業(yè)與巖體實(shí)際情況，可以對(duì)礦山地壓情況進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。

（2）微震事件時(shí)空分布反映了普朗銅礦底部結(jié)構(gòu)生產(chǎn)作業(yè)情況，S2 穿脈以北區(qū)域與S6 穿脈以南區(qū)域地壓狀況良好，S2～S5 穿脈地壓?jiǎn)栴}相對(duì)突出，需繼續(xù)做好危險(xiǎn)區(qū)域管控。

（3）地壓狀況良好區(qū)域可以加大出礦量，斷層交匯區(qū)域仍處于不穩(wěn)定狀態(tài)，需緩慢加大出礦量，編排出礦計(jì)劃時(shí)應(yīng)在時(shí)間與空間上梯度增長(zhǎng)。