紫金山金銅礦地下開采微震活動(dòng)規(guī)律研究

林喜康，游新天

（紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司紫金山金銅礦，福建 龍巖 364200）

目前，對(duì)于金屬礦地下開采的穩(wěn)定性監(jiān)測多采用應(yīng)力監(jiān)測、變形監(jiān)測與微震監(jiān)測。應(yīng)力監(jiān)測、變形監(jiān)測技術(shù)多根據(jù)有限點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析一定區(qū)域的巖體應(yīng)力、變形狀態(tài)，但監(jiān)測的時(shí)效性和空間性受到了限制，無法全天候、大規(guī)模區(qū)域監(jiān)測[1-4]。微震監(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(hào)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(gè)微震信號(hào)都包含著巖體內(nèi)部狀態(tài)變化的豐富信息，其特點(diǎn)與地震波相似，微震波蘊(yùn)含了大量的震源和傳播介質(zhì)的信息，處理后可獲得震源位置、類型、能量等信息[5-19]。利用微震的這一特點(diǎn)，對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行處理、分析，可以為巖體塌方、冒頂、片幫、滑坡和巖爆等地質(zhì)或地壓災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和預(yù)警提供重要的數(shù)據(jù)支撐[20]。

1 工程概況

紫金山金銅礦礦床屬斑巖成礦系列-次火山高硫中低溫?zé)嵋旱V床。銅礦體賦存于潛水面以下原生帶中，為隱伏礦床，共圈定20 個(gè)礦體，其中，主要礦體5 個(gè)，銅金屬量占總金屬量的86.6%。礦體分布于31線～24 線，長1 400 m，寬1 600 m，分布標(biāo)高主要在100～800 m。

紫金山金銅礦+100 m 標(biāo)高以下礦體設(shè)計(jì)采用地下開采，生產(chǎn)能力達(dá)5 000 t/d。采區(qū)礦體及頂板圍巖主要為中細(xì)粒花崗巖，次隱爆角礫巖，少量英安玢巖，礦石類型為原生礦。礦床工程地質(zhì)條件屬堅(jiān)硬半堅(jiān)硬塊狀巖類為主、局部夾薄層軟弱巖石的簡單類型。采區(qū)內(nèi)細(xì)微裂隙和節(jié)理較發(fā)育，但以Ⅳ級(jí)～Ⅴ級(jí)結(jié)構(gòu)為主，礦巖f=8～14，礦巖均屬穩(wěn)固。地下開采采用大直徑深孔嗣后充填的采礦方法，側(cè)向崩礦，單段最大藥量達(dá)384 kg，最大單次爆破藥量接近4 t，爆破振動(dòng)大，頻繁的炸藥爆破對(duì)周圍巷道及圍巖造成多次擾動(dòng)，影響了圍巖穩(wěn)定性。0～-100 m 中段二步驟礦房回采階段，部分采場附近巷道圍巖出現(xiàn)了不同程度的破壞現(xiàn)象（圖1）。

圖1 下盤沿脈巷道處巷道破壞Fig.1 Roadway failure at footwall along vein roadway

2 微震監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 微震傳感器布置及數(shù)據(jù)傳輸

微震監(jiān)測采用湖北海震微震監(jiān)測系統(tǒng)。紫金山金銅礦采用露天-地下聯(lián)合開采模式，考慮到地下與露天邊坡監(jiān)測需求，設(shè)計(jì)并構(gòu)建了32 通道微震監(jiān)測系統(tǒng)，包含4 臺(tái)數(shù)據(jù)采集儀、1 支三向傳感器和29 支單向傳感器。地采微震監(jiān)測系統(tǒng)主要布置在-100 m中段、50 m 中段、0 m 中段與100 m 中段，各中段布置1 臺(tái)數(shù)據(jù)采集儀。除50 m 中段布置1 支三向傳感器與5 支單向傳感器外，其他三個(gè)中段均布置8 支單向傳感器，微震傳感器位置如圖2 所示，微震監(jiān)測系統(tǒng)框架如圖3 所示。

圖2 各中段傳感器布置Fig.2 Sensor location of every section

圖3 微震監(jiān)測系統(tǒng)框架圖Fig.3 Frame diagram of microseismic monitoring system

各中段傳感器采用通信線纜與數(shù)據(jù)采集儀連接后，通過光纖匯總與井下數(shù)據(jù)中心相連，匯總后與地表服務(wù)器相連。同時(shí)，采用地表GPS 授時(shí)實(shí)現(xiàn)地表-地下監(jiān)測系統(tǒng)時(shí)間同步。

2.2 地采監(jiān)測系統(tǒng)定位誤差

微震傳感器的空間布置是決定微震系統(tǒng)監(jiān)測精度的重要因素之一。微震傳感器空間上應(yīng)盡量包絡(luò)待監(jiān)測區(qū)域。采用D值準(zhǔn)則，結(jié)合巖體P波波速5 200 m/s的測試結(jié)果，對(duì)-100～100 m 范圍平行礦體走向截面的傳感器定位誤差和震級(jí)精度進(jìn)行了分析，實(shí)現(xiàn)了礦體東翼蝕變巖體區(qū)域監(jiān)測精度高、兼顧全局的微震監(jiān)測布置（圖4）。理論分析與現(xiàn)場定位試驗(yàn)結(jié)果表明，主要開采區(qū)域微震監(jiān)測定位誤差小于8 m，震級(jí)靈敏度接近-2.0 級(jí)，能夠滿足地采微震監(jiān)測需求。

圖4 平行礦體走向震級(jí)精度Fig.4 Strike magnitude accuracy of parallel ore body

2.3 地采監(jiān)測系統(tǒng)定位精度檢驗(yàn)

為綜合衡量微震監(jiān)測系統(tǒng)的定位效果，消除誤差，設(shè)計(jì)3 次放炮試驗(yàn)?？紤]4 個(gè)中段的傳感器布置，于-50 m 中段正在生產(chǎn)的采場進(jìn)行爆破，共3 個(gè)炮孔，炮孔深度2～3 m，裝藥量300～900 g。打孔完成后，測量炮孔實(shí)際位置坐標(biāo)。每個(gè)炮孔將藥卷放至孔底，正裝，不堵孔，按順序記錄每個(gè)炮孔的放炮時(shí)間，放炮間隔不小于1 min。

使用GMS 軟件中的波速校正功能對(duì)巖體波速進(jìn)行校正，爆破校正得出的P波波速依次為4 786.57 m/s、4 126.46 m/s、4 621.14 m/s，綜合分析爆破位置以及各支傳感器之間的位置關(guān)系，對(duì)試驗(yàn)的P波波速取平均值得到校正后的波速為4 511.39 m/s，通過校正的波速定位各個(gè)爆破位置（表1）。校正波速后的定位結(jié)果表明，3 次定位誤差分別為7.09 m、5.60 m 和7.50 m，定位誤差均在8 m 以內(nèi)，滿足監(jiān)測需求。

表1 爆破定位位置及定位誤差Table 1 Blasting positioning position and positioning error單位：m

3 微震事件空間分布

圖5 是2023 年3 月25 日—6 月2 日紫金山金銅礦微震事件空間分布特征圖。圖中小球代表微震事件，球的大小代表微震事件能量。監(jiān)測期間共產(chǎn)生微震事件數(shù)量為769 個(gè)，日事件率最高為39 個(gè)/d。-125～-75 m 范圍事件總數(shù)為50 個(gè)，-25～+25 m 范圍與+25～+75 m 范圍的事件數(shù)分別為88 個(gè)與86 個(gè)，+75～+125 m 范圍事件數(shù)為52 個(gè)。-75～-25 m 范圍事件總數(shù)最多為125 個(gè)。顯然，微震事件主要聚集在礦體東翼，即蝕變巖體處，且微震事件聚集區(qū)域隨開采深度增加逐漸向東側(cè)擴(kuò)展。垂直方向上主要集中于-50～+100 m，在距離各中段巷道較遠(yuǎn)處微震事件較零散。由此可見，微震事件空間分布特征與蝕變巖位置、開采活動(dòng)范圍密切相關(guān)。

4 開采擾動(dòng)下微震位移場與應(yīng)力場演化規(guī)律

4.1 微震事件密度分布規(guī)律

圖6 是紫金山金銅礦地采-100～+100 m 范圍沿礦體走向豎直截面微震事件密度云圖。由圖6 可知，微震事件密度較高的區(qū)域主要分布在-50～+100 m范圍，-50 m 中段東7#采場頂部、0 m 中段2#采場頂板與底板處微震事件密度均較高，約為40 個(gè)/m2。除此之外，僅在-100～-50 m 范圍最東側(cè)礦體處有一定范圍分布，該處微震事件密度約為25 個(gè)/m2。微震事件密度在-50 m 中段處的7#礦房處最大，達(dá)到54 個(gè)/m2，說明該處破裂活動(dòng)最活躍。這是由于7#礦房兩側(cè)較大范圍礦體已開采并充填，兩側(cè)充填體相對(duì)較軟，僅留7#礦房為原巖礦柱，應(yīng)力集中程度較高，破裂活動(dòng)較活躍。整體來看，微震事件較密集的區(qū)域附近均有正開采采場分布。

圖6 微震事件密度云圖Fig.6 Density nephogram of microseismic events

4.2 位移與能量指數(shù)變化規(guī)律

圖7 是紫金山金銅礦地采-100～+100 m 范圍沿礦體走向豎直截面微震事件位移云圖。由圖7 可知，位移較大的區(qū)域主要集中于-50～+50 m 中段范圍，最大達(dá)到2.32E-3 m。礦體走向方向上位移分布也相對(duì)較集中，最大位移區(qū)基本以-50 m 中段7#采場為中心，跨度約為80 m。與7#礦房兩側(cè)區(qū)域相比，-50 m中段7#礦房位移稍小。位移集中區(qū)分布特征與其附近是否有正開采采場無明顯關(guān)系。

圖7 微震事件位移云圖Fig.7 Displacement nephogram of microseismic events

圖8 是logE和logM關(guān)系擬合曲線圖。能量指數(shù)的物理意義代表微震事件發(fā)生時(shí)震源損傷驅(qū)動(dòng)應(yīng)力的大小。logE最大值為3.95，最小值為-1.06，微震事件logE主要集中在-1～2 范圍內(nèi)。logM最大值為10.43，最小值為6.36，微震事件logM主要集中在6.6～8.5 范圍內(nèi)。因此，監(jiān)測期內(nèi)微震事件以小能量事件為主，極少數(shù)微震事件能量對(duì)數(shù)能達(dá)到2 以上。從圖8 中可以看出，5 月微震事件更貼合擬合出的曲線，4 月微震事件分布在擬合出的曲線上下相對(duì)較遠(yuǎn)的位置。能量指數(shù)EI可通過該事件產(chǎn)生的實(shí)測輻射能量E與其相同（或相近）地震矩所有事件所釋放的平均微震能的比值來獲得。

圖8 logE 和logM 關(guān)系擬合曲線Fig.8 Fitting curve of the relationship between logE and logM

圖9 是紫金山金銅礦地采-100～+100 m 范圍沿礦體走向豎直截面微震lgEI云圖。與微震事件密度云圖、位移云圖相比，微震lgEI較大區(qū)域分布形態(tài)及范圍具有明顯差別。微震lgEI較大區(qū)域主要分布在-50～50 m，整體形態(tài)呈現(xiàn)上部中段向礦體東翼發(fā)展的趨勢。lgEI最大值為0.13，主要聚集于-50 m 中段7#采場處。依據(jù)lgEI是應(yīng)力下限間接估計(jì)的物理意義，lgEI越大的區(qū)域，應(yīng)力也越大。因此，-50 m 中段7#采場處應(yīng)力集中程度較高。由于-50 m 中段10#采場上部50 m 中段13#采場、12#采場、10#采場已開采，該區(qū)域應(yīng)力向東側(cè)轉(zhuǎn)移，造成東1#采場東側(cè)應(yīng)力集中。

圖9 微震事件lgEI 云圖Fig.9 lgEI nephogram of microseismic event

對(duì)比應(yīng)力與位移分布規(guī)律可知，7#礦房處應(yīng)力、位移均較大，但與7#礦房兩側(cè)區(qū)域相比，7#礦房應(yīng)力最大，但位移并不是最大。50 m 中段E1#礦房右側(cè)區(qū)域位移相對(duì)較小，應(yīng)力較大。這兩處區(qū)域均呈現(xiàn)出應(yīng)力集中，說明這兩處巷道圍巖發(fā)生動(dòng)力性災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)較高，尤其是50 m 中段E1#采場東側(cè)巷道。-50 m 中段7#采場西側(cè)40 m 范圍處應(yīng)力較小，變形較大，該處巷道發(fā)生松脫性地壓風(fēng)險(xiǎn)較大。

巷道圍巖破壞現(xiàn)場調(diào)查表明，巷道圍巖發(fā)生破壞的區(qū)域與微震事件密度、應(yīng)力、位移較大區(qū)域基本吻合，主要集中于50 m 中段沿脈巷道與9#穿脈、E3#穿脈交岔口，-50 m 中段沿脈巷道與7#穿脈、E3#穿脈交岔口處，巷道破壞以片幫和冒落為主（圖10）。

圖10 地采現(xiàn)場巷道圍巖破裂特征Fig.10 Fracture characteristics of roadway surrounding rock in mining site

5 結(jié)論

1）礦體東翼蝕變巖體與開采活動(dòng)是影響紫金山金銅礦-100～+100 m 微震事件聚集區(qū)形態(tài)、大小等特征的重要因素。微震事件主要集中于-50～+100 m 礦體東翼，微震事件聚集區(qū)域附近均有正開采采場分布。-50 m 中段7#采場微震事件密度最大，達(dá)54 個(gè)/m2。

2）開采區(qū)域微震lgEI、位移與微震事件密度云圖呈明顯差異性分布特征，-50 m 中段7#采場應(yīng)力較高，位移相對(duì)較大，微震事件較集中，該處發(fā)生災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較大。

3）巷道圍巖破壞現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，50 m 中段沿脈巷道與9#穿脈、E3#穿脈交岔口，-50 m 中段沿脈巷道與7#穿脈、E3#穿脈交岔口巷道出現(xiàn)片幫、冒落等破壞現(xiàn)象，巷道圍巖發(fā)生破壞的位置與微震位移、應(yīng)力較大區(qū)基本吻合，進(jìn)一步驗(yàn)證了基于微震應(yīng)力、位移分布特征評(píng)估巖體破壞風(fēng)險(xiǎn)方法的有效性。