基于微震监测的大爆破后诱发余震特性研究

胡静云，李庶林，林 峰，彭府华，袁节平，陈际经

(1.长沙矿山研究院国家金属采矿工程技术研究中心， 湖南长沙 410012;2.湖南柿竹园有色金属有限责任公司， 湖南郴州市 423037)

基于微震监测的大爆破后诱发余震特性研究

胡静云1，李庶林1，林 峰1，彭府华1，袁节平2，陈际经2

(1.长沙矿山研究院国家金属采矿工程技术研究中心， 湖南长沙 410012;2.湖南柿竹园有色金属有限责任公司， 湖南郴州市 423037)

矿山井下大爆破高强度开采扰动使围岩体中应力重分布剧烈且复杂，因此监测和研究大爆破后在复杂采空区环境下矿柱和围岩体中诱发的余震特性对于掌握应力重分布特点具有重要意义。利用先进的36通道全数字型微震监测系统对柿竹园矿一次装药量约为437 t的井下中深孔特大爆破过程及余震进行了实时连续监测，在监测的基础上研究了大爆破后围岩体中余震震源的时空分布特征及能量释放特性，得到了余震发生最剧烈的阶段为大爆破后0.5 h内，应力重分布的高应力区是余震事件积聚区域。同时通过余震事件波形的P波初动分布对余震事件积聚区进行了震源机制解答，得到了震源处的破裂类型为剪切型破坏，该破裂类型与现场观察结果相一致。通过对大爆破过程和大爆破诱发余震特性的监测和分析，为柿竹园矿下一步的回采顺序提供了合理化建议。

微震监测;大爆破;余震特性;震源机制解答

微震监测系统是一个集数字化与信息化技术于一体的矿山地压监测设备，它以自身强大的功能与特点迅速成为目前全球最先进的矿山地压监测技术，在国外已经得到广泛应用。通过国内众多知名学者与专家的推广［1］，微震监测技术目前已经在我国矿山、水电大坝、深埋隧道等领域得到应用，并取得了良好的应用效果和丰富的科研成果，微震监测系统已经成为提高矿山劳动生产力水平与设备装备水平的强有力的数字信息化设备。

目前，微震监测技术在矿山复杂采空区、高坝等岩体稳定性监测和深井矿山与深埋隧道岩爆监测等领域均有广泛应用与研究，但是，关于微震监测技术在大爆破后余震监测方面的相关研究还很少，特别是对于矿山井下装药量特别大的集中爆破，而这对于研究复杂采空区与围岩体在高强度开采扰动下的应力重分布特点意义重大。由于微震监测系统对破裂源具有高灵敏度和高精度定位功能，以及不受时间与空间限制的监测能力，因此微震监测技术是实时不间断监测大爆破后余震特性的最优方法。本文将以柿竹园矿井下中深孔特大爆破为对象来研究大爆破后井下围岩体中余震的特性。

1 柿竹园矿大爆破背景

1.1 采矿方法演变历史

柿竹园钨锡钼铋多金属矿床矿体集中厚大，有用矿物种类繁多，是国家重要的矿产资源基地。矿床自1987年采用分段凿岩阶段矿房法开采以来，因种种原因井下的采空区(矿房)未能进行处理，截止到2002年，井下留下占矿块约60%的矿柱矿量和近300万m3的巨大采空区群，累计顶板暴露面积达3万m2，连续顶板暴露面积近1万m2，15 m厚的连续条带矿柱多处垮塌。

为了实现矿山采矿的持续生产，有效处理采空区和回采矿柱及顶板富矿，矿山自2002年起与长沙矿山研究院协作研究，最终确定采用中深孔大爆破的方式回采矿柱和顶板富矿、利用顶板崩落处理采空区安全隐患的采矿方法［2，3］。

1.2 大爆破特点及历次经历的大爆破

井下中深孔大爆破一次装药量大，装药区域大且集中，爆破前施工组织复杂且强度大，由于崩矿量大，开采扰动使井下地应力的重新分布剧烈且复杂，造成大爆破后井下岩体开裂破坏的地应力显现剧烈且频繁，对后续连续回采影响较大。在确定了上述崩落式连续回采采矿方法后，柿竹园矿从2003年开始先后经历了井下中深孔亚洲第一爆、世界第一爆(装药量800多t)，以及装药量350多t与437 t等多次大爆破［4，5］，截止到2011 年7 月，已经实现了对约一半以上的矿柱的回采(见图1)。

图1 矿柱回采现状

1.3 大爆破后余震特性研究的重要性

由于大爆破崩矿量大，开采扰动将造成井下地应力发生大幅度的重分布，另外由于柿竹园矿群矿柱和顶板形成了一个复杂的受力结构，应力重分布与集中的位置较难预测，因此通过具有高灵敏度和对破裂源高精度定位功能的微震监测系统对大爆破后岩体中发生的破裂源进行实时监测，获得余震的时空、能量变化特性和余震事件波形所携带的破裂源的信息，进而分析大爆破后应力重分布与集中位置和评价群矿柱与顶板岩体稳定性，对后续的采矿生产服务重要意义。

微震监测系统在柿竹园矿投入使用近3年来，多次成功地对大爆破后的余震进行了监测，获得了良好的应用效果。关于柿竹园矿微震监测系统的介绍在参考文献［3～5］中有详细介绍，在此不做赘述。本文将以2011年7月9日进行的装药量约437 t的井下中深孔大爆破作为研究对象来研究大爆破后的余震特性。

2 大爆破后余震特性研究

2011年7月9日进行的大爆破区域见图1，高程范围从620分层到536分层，装药量为437 t，崩矿量为130.5万t，大爆破分为42段微差起爆，从总体上来讲按照从南往北、从下往上的起爆顺序向自由面崩矿，最大段装药量约为21 t。7月9日06时30分27秒正式起爆，微震监测系统对全过程进行了全自动实时监测，下面对大爆破的余震特性从时空、能量方面进行详细的研究。

2.1 余震事件时间分布特性

大爆破后0.5 h是井下地压变化最剧烈的一段时间，这段时间内产生的余震事件数最多。图2是对大爆破后24 h内所有余震事件以0.5 h为时间单位所描述的变化图。图3是大爆破后10 d内每天井下产生的余震事件数随时间的变化图。

图2 余震事件率及能量的时间变化

图3 余震事件率的时间变化

由图2可以看出，大爆破后的0.5 h内余震事件数达到了12个，随后余震事件数快速下降，最多为2 个/0.5 h，一般为 1 个/0.5 h，大爆破后 0.5 h内余震事件数占大爆破后24 h内总余震事件数的57%以上，说明大爆破后0.5 h内是井下应力调整导致岩体开裂或破坏最剧烈的阶段。

另外由图3可以看出，第一天的余震事件总数为最大值18个/d，第二天的余震事件总数便有较大幅度减少，需要重点说明的是，从7月10日中班(16时至24时)开始出矿，余震事件率在10日有一个较大幅度减少之后又于7月11日开始增加，并持续到7月13日，说明放矿对余震发生频度具有较大影响。从7月14日开始，余震事件率重新持续减少，并于7月17日开始归零，说明井下群矿柱与顶板岩体基本趋于稳定。

2.2 余震事件空间分布特性

图4显示了大爆破后7 d内井下余震事件的空间分布情况。由图4可以很清楚地看出，余震事件主要集聚发生在558分层到630分层的P3巷的C6以北与3盘区的K3－6区域，表示大爆破后井下应力主要向该区域转移与集中。

图4 余震事件空间分布

另外结合图1与图4还可以看出，余震事件主要发生在630分层附近，在630分层以上的悬顶区域只发生了一个余震事件，且这个余震事件震级较小，说明采空区顶板冒落高度可能在630分层附近，而悬顶区域在大爆破后仍处于较稳定状态。

2.3 余震事件能量释放特性

通过对余震事件波形进行积分运算求地震波能量的公式为［6］:

式中:ρ为介质密度;c为地震波传播速度;〈Γ〉是均方根辐射图型;Γ是辐射图型算子;R是传播算子，且R正比于震源距是介质位移对时间的微商。上述计算过程是由微震监测系统内部软件自动进行的。

图5是大爆破后余震事件的释放能量情况。

图5 余震事件能量释放率变化情况

由图5可以看出，余震事件的能量释放率与余震事件率具有相似的变化过程。在第一天达到了最大值94 J，经过逐步降低后于7月10日能量释放降到了极小值。由于受7月10日开始放矿的影响，余震能量释放率又有一定的回升，并持续到7月13日。从7月14日开始，能量释放率便总体呈下降趋势，并从7月17日开始能量释放为零。

图6显示了大爆破后每个余震事件的矩震级与时间的关系。矩震级与余震事件的能量是成正比例关系的，可以通过公式(2)求出［7］。

式中:Mb是体波震级。

图6 余震事件矩震级与时间的关系

由图6可以看出，除了在大爆破后较近的一段时间内有一个矩震级为－0.6的余震事件外，其他时间段内的余震事件的矩震级大致处于－1.2～－0.8之间，说明余震事件的强度较小。

3 基于余震P波初动的大尺度岩体破裂震源机制解答

通过对余震事件的P波初动分布进行反演，可以对震源进行震源机制解答，从而求解出震源处的破裂形式。限于篇幅，这一理论基础在此不做累述，具体可以参考文献［6～9］。

下面将通过对图4所示的余震事件集聚区域的某个事件波形来反演该区域的破裂类型。图7是用来进行震源机制解答的某一余震事件;图8是其监测波形及P波初动方向。

图7 用来进行震源机制解答的某一余震事件

图8 余震事件波形图及其P波初动方向

图9是进行震源机制解答所得的结果。图9中向上三角形表示P波初动方向为向上的传感器在赤平极射投影图上的投影点;向下三角形表示P波初动为向下的传感器在赤平极射投影图上的投影点。通过对图9的判读，投影线1是破裂面的投影，投影线2是辅助节面的投影，该节面与破裂面上的错动方向垂直。通过对赤平极射投影图的判读，破裂面的产状为193°∠72°，该震源处岩体破裂类型为剪切型破坏，证明由余震事件波形所携带的P波初动分布信息便可以反推出震源处的破裂类型。

图9 震源机制解答结果(上半球投影)

图10是610分层P3巷C6往北段在大爆破前后的对比照片，该区域即是图4所示的大爆破后余震事件的集聚区。由图10可以看出，大爆破后该区段P3巷道由于错动产生了垮塌，破裂面的产状与图9的结果较为吻合。

图10 610分层P3C6往北段巷道大爆破前后对比

4 余震特性对回采顺序优化的建议

通过对大爆破后井下余震事件的空间分布的分析可知，558分层到630分层的P3巷的C6以北与3盘区的K3－6区域为应力转移的高应力集中区域，并在重分布的应力集中区内产生了塑性破裂或破坏，可能已经发生了矿柱垮塌或产生了宏观开裂等地压现象，大爆破后井下应力主要转移集中到2盘区与3 盘区的 K2－6、K3－6及 C6 与 C7 房间柱。

图11 大爆破后应力转移和集中区域与下一步骤爆破区域的关系

由图11可知，应力转移与集中区域的较大一部分不在下一步骤爆破区域内。根据微震监测结果，建议把图11中的应力转移与集中区域，特别是高应力集中区域纳入到下一步骤爆破区域内，并作为下一步优先回采的区域。

5 结论

通过对柿竹园矿一次典型的井下中深孔大爆破后围岩体中余震时空与能量特性的研究，根据余震事件波形P波分布反演破裂处的破裂类型，得到了以下主要结论:

(1)大爆破后0.5 h内余震事件总数占大爆破后24 h内余震事件总数的57%以上，说明大爆破后0.5 h内是余震发生最剧烈的阶段;

(2)余震事件积聚区域是应力重分布与集中的高应力区，得到了采空区可能的冒落高度，评价了悬顶区域岩体的稳定性;

(3)除了在大爆破后较近的一段时间内有一个矩震级约为－0.6的余震事件外，其他时间段内的余震事件的矩震级大致处于－1.2～－0.8之间，说明余震事件的强度较小;

(4)放矿会导致余震事件数与能量释放有一定程度的增加;

(5)根据余震事件波形的P波初动分布反演得到了震源处的破裂类型为剪切型破坏;

(6)大爆破后余震特性的研究为确定柿竹园矿下一步的采矿顺序提供了科学建议，并获得了良好的应用效果。

［1］ 李庶林，尹贤刚，郑文达，等.凡口铅锌矿多通道微震监测系统及其应用研究［J］.岩石力学与工程学报，2005，24(12):2048－2053.

［2］ 袁节平.柿竹园矿的采矿地压及其防治［J］.矿业研究与开发，1997，17(4):26－29.

［3］ 袁节平.试论柿竹园多通道微震监测技术研究的必要性［J］.采矿技术，2009，9(1):66－69.

［4］ 袁节平，胡静云，周爱民，等.柿竹园多通道微震监测系统的建立及其应用［J］.矿业研究与开发，2010，30(6):12－14.

［5］ 陈际经，胡静云，李庶林.柿竹园矿地下特大爆破的微震监测技术研究［J］.矿业研究与开发，2011，31(2):59－62.

［6］ 陈运泰，等.地震参数:数字地震学在地震预测中的应用［M］.北京:地震出版社，2003.

［7］ 傅承义，陈运泰，祁贵仲，等.地球物理学基础［M］.北京:科学出版社，1985.

［8］ 徐果明，周蕙兰，等.地震学理论［M］.北京:科学出版社，1982.

［9］(波)Slawomir Jerzy Gibowicz，Andrzej Kijko.矿山地震学引论［M］.修济刚，徐平，杨心平，译.北京:地震出版社，1998.

2011－10－11)

胡静云(1985－)，男，湖北汉川人，助理工程师，工程硕士，主要从事矿山地压监测与预警研究，Email:hujingyun007@163.com。