某深井矿山地压灾害综合监测技术研究*

胡文达 ,刘晓辉 ,王贻明

(1.北京科技大学 土木与环境工程学院， 北京 100083； 2.中色非洲矿业有限公司， 北京 100083)

0 引 言

由于浅部金属矿产资源即将消耗殆尽，目前我国大部分金属矿山已经或即将进入深部开采[1]。随着开采深度的延伸，矿山回采将遇到高应力、大变形等一系列地压问题，这些问题是造成深部开采动力灾害的主要原因[2]。因此，对深井开采地压活动规律的监测与研究显得尤为必要，目前矿山动力灾害的监测手段主要包括常规的压力-位移监测，声发射监测以及微震监测技术。应用情况表明[3,4]：微震监测技术对大范围开采岩体地压活动规律的实时监测具有显著的优势，但对局部小范围关键工程的控制精度仍难以满足生产的要求。而岩体压力-位移数据的监测尽管是间断和静态的，但仍具有重要的工程实用价值，是对微震监测系统的有益补充。

某深井矿山采深超过1300 m，为了控制和防止深部资源开采过程中采动灾害的发生，矿山在建立常规压力-位移监测网络的同时，引进了微震监测系统[5]。本文利用ISS微震监测系统获取开采区域的岩体活动信息，同时配合静态压力-位移监测，通过对多种手段获得的监测结果进行多元耦合分析，及时掌握开采区域围岩稳定性变化，指导矿山安全生产。

1 工程背景

矿体赋存于下石炭统摆佐组上部粗晶白云岩中，矿体顶、底板与围岩界限清楚，沿层产出。矿体产状与地层一致，走向北20°～40°东；倾向南东，倾角61°～63°。矿体水平厚度2.5～18.8 m，平均水平厚度9.93 m。平面上为中部厚大，沿走向端部变薄或分枝尖灭；剖面上为上部薄或分支尖灭；向深部逐渐变厚。矿体工业储量位于1571 m以下，储量计算底界标高1167 m。工程地质调查结果显示，开采区域岩体稳定性较差，且具有中等-强烈的岩爆倾向性，在开采过程中应注意岩爆等采动灾害的防治[6,7]。

采用上向水平进路膏体充填采矿法进行回采，阶段高60 m，分层高3 m，矿体被采出后，利用高浓度尾砂胶结充填处理空区[8]。每分层沿矿体走向布置2～3个盘区，长约60～80 m，宽为矿体厚度。对于中间厚大矿体，按照先矿房后矿柱两步骤回采，采场垂直矿体走向布置；对于两端薄矿体，则布置沿矿体走向的进路一次性回采。

2 监测系统构建

2.1 微震监测系统的构建

微震监测系统包括硬件和软件两部分，硬件系统由地震传感器、数据采集单元地震仪、井下通信控制中心、地面监测控制中心及终端用户计算机等组成。软件系统包括实时监测软件RTS，地震学分析软件JMTS及地震活动可视化解释分析软件JDI[9]。系统通过传感器采集微震信号并进行前置放大，信号经电缆传输传至井下数据交换中心，再由光纤转发器传输至地表监控室，最后通过终端计算机内安装的JMTS及JDI等软件实现对微震信号的量化处理及可视化分析。系统监测核心范围为1451～1331 m中段，同时兼顾1511～1451 m中段，经过人工震源定位测试，系统定位精度的最大误差为8 m，最小误差仅为0.3 m，可保证监测数据的真实性和可靠性[10]。

2.2 常规应力位移监测网络

岩体压力监测采用振弦式钻孔应力计，安装时将传感器设置于Φ45 mm钻孔中2 m深位置处。应力计所监测的不是岩体中的绝对应力，而是反映岩体中的应力随时间的变化值。岩体位移监测采用多点位移计，所观测的参数是沿埋设多点位移计钻孔的轴向位移[11]。

由于矿体底部出矿工程巷道断面大，布置形式复杂，受回采扰动的影响大，而且承担矿体顶板的压力。因此，应力位移监测工作的重点为底部出矿工程。根据此原则，地压监测测点布置如下：在1331,1345,1369,1391 m水平两端出矿巷道附近分别布置两个监测区域，每个区域安装3套钻孔应力计及2套多点位移计，其中1#，2#，3#应力计分别监测岩层走向，铅垂方向以及垂直岩层走向上的压力；1#，2#位移计分别监测岩层走向及垂直走向上的位移变化。

3 基于微震监测信息的地压活动分析

微震活动是矿岩变形、裂纹扩展过程中的伴生现象，它与矿岩的力学行为密切相关。因此，微震信号中包含了大量关于围岩受力破坏以及地质缺陷活化过程的有用信息[12]。

3.1 地压活动区圈定

微震监测系统可对大范围开采区域岩体的地压活动规律进行动态的实时监测，接收到的地震事件通过JDI软件在地层模型中三维显示，如图1所示，球体表示地震事件，球的位置为地震震源位置，球的颜色由深到浅分别表示地震事件发生的先后时间。

图1为2007年8～12月系统监测情况，从图中可观察到地震事件主要集中在两个区域。区域1中微震活动主要分布于1565 m水平附近，而区域2中微震事件则集中在1331～1391 m水平，同时1261 m水平也产生了少量微震事件。对比井下采掘计划可知，研究期间内井下正在回采1565 m中段以及1331中段，同时，1261 m中段有少量采准工程正在施工。由此可知，微震活动主要与井下采掘活动紧密相关，矿体开采导致局部岩体应力集中，从而引起其内部裂隙的贯通、扩展，并以地震波的形式释放。本文中主要针对区域2中的微震活动进行分析，利用系统JDI软件对该区域进行圈定，并过滤其它数据的干扰，如图1所示。

图1 地震事件集中区的圈定

3.2 地压活动规律分析

针对圈定活动区内微震事件，利用系统后处理程序JMTS对事件进行地震学量化分析，从而得到一系列的微震参数，如微震事件数N，微震能量E，视在体积(Apparent volume)VA，能量指数EI等[10]。N表示一定时间域内系统记录到的微震活动次数，其值越大，表示微震活动越活跃;视体积VA用于对岩体的同震非弹性变形进行精确描述，其值越大，则区域岩体的变形越大。实际应用情况表明：上述两参数对于不同地质情况均具有较好的适应性，一般通过对其累计量的时间序列曲线CNE(Cumulate number of events)以及CAV(Cumulate apparent volume)的变化特征来研究井下地压活动规律[13-14]。1331 ～1391 m水平在2007年8 -12月之间微震活动的CNE及CAV曲线(见图2)。基于现场采掘活动及声发射理论分析可知：其变化具有以下三种特征，并分别对应不同的岩石破坏阶段。

(1) 平静期。在此期间内，微震活动较少，CNE及CAV曲线呈恒定不变的趋势。该过程等同于岩体的初始受载阶段，即开采活动导致原岩应力变化，围岩应力集中，但由于受载较小，仅造成其内部裂隙闭合，而不产生新的裂隙，因此微震活动较为平静。此时岩体是稳定的。

(2) 稳定期。某些时段微震活动表现平稳增加的特点，即微震事件随机发生且相互独立，其具体表现为CNE及CAV曲线随时间呈线性增加。如图2中10 月13～20日，这表明随着回采进路向前推进，空区面积变大，从而导致围岩应力集中加剧，其内部裂隙开始发展，贯通，同时伴随一定量的微震活动。该过程相当于岩石的弹性变形阶段，属于岩体裂隙的稳定扩展阶段，此时岩体是稳定的。

(3) 突发期。微震活动并不总是保持平稳状态，有些时候微震事件会频繁发生，呈现出突然增大的特征，其反映了区域内某一局部岩体应力的增强变化。图2中9月6～13日及12月12～16日，微震活动表现较为平静后以震群的形式密集发生，CNE及CAV曲线明显变陡，且持续近一周的时间。这种突发特征是岩体裂纹发生贯通的前兆特征，即岩体处于裂隙的不稳定扩展阶段，岩体即将发生宏观破坏。

以上分析表明：微震活动与岩体受载过程中的性状变化紧密相关，通过观察微震活动在时间上的变化趋势，可以推断岩体所处的破坏阶段，进而对其稳定性做出评价。但由于井下工程布置复杂，地质条件多变，微震活动存在一定的随机性，同时，由于系统固有误差，微震技术对于大范围岩体活动的监测具有优势，而对于局部关键工程的控制精度仍难以满足生产的要求。

图2 2007年8～12月CNE及CAV曲线

4 压力位移监测结果分析

对1369 m分段在2007年8～12月间的压力位移监测信息进行了统计，并制作了相应的时间序列曲线，如图3所示。

由图3(a)可知，三个方向上的压力在监测初始阶段上下波动，起伏较大，经过一段时间后呈总体增加的趋势。其中，沿矿体走向的应力变化最为明显，这说明开采活动中，围岩在走向方向受到的影响最大，究其原因，主要是由于采场垂直构造主应力(矿体走向)布置，使得围岩周边应力分布极不均匀，从而产生了较大的水平压力，并导致围岩在走向方向上产生了较为明显的位移，如图3(b)所示。为改善围岩的受力状态，应将进路方向调整为与构造主应力方向一致，即沿走向布置。

由图3(a)可知，监测过程中，压力值出现了几次先增大再减小的反复变化，这可能是由于开采后利用膏体充填处理空区，导致巷道围岩的应力集中情况得到改善，从而表现出压力值降低。但随着上分层矿体的回采，围岩应力集中加剧，压力值再次增大。在如此反复加载过程中，围岩内部损失逐渐累积，并表现出一定的位移变化，如图3(b)所示，观察发现，在12月之前，应力量虽有起伏，但位移量平稳增加，说明岩体活动是稳定的；但此后压力值持续减小，而位移值呈现出陡增的趋势，这种变化趋势预示着岩体已经进入失稳破坏阶段，应立即采取加强支护等相应措施。

图3 监测数据的时间序列分析

研究表明：通过对“压力-位移”监测数据的时间序列分析，可以在一定程度上推断岩体活动的变化规律。但由于其具有间断、静态监测的缺点，往往导致岩体稳定性评价滞后，对实际生产的意义不大。

5 监测信息耦合分析

通过对微震信息及压力-位移数据的综合分析来判断岩体的稳定性是更为准确可行的方法。根据前述研究结果，结合矿山地震学理论[15-17]，提出了4个基于“微震-应力”耦合关系来评价岩体稳定性的判别模式。

5.1 “微震-应力”耦合模式

(1) “平静-升压”模式。该模式中应力升高，但微震活动较为平静。这时虽然岩体应力不断升高，但还没有超过历史最大应力，因此岩体内部并没有新的损伤扩展，微震活动较少，CNE及CAV曲线表现为恒定不变，此时岩体较为稳定。

(2) “稳定-升压”模式。该模式下围岩应力不断升高，微震活动相对活跃，CNE及CAV曲线呈线性增加。此时岩体内部压力增大，但还没有达到岩石的极限承载力，其内部裂隙呈稳定扩展，岩体是稳定的。

(3) “突发-卸压”模式。岩体在该监测期内，应力持续下降，而微震活动却非常活跃，CNE及CAV曲线呈陡增趋势。这说明此时岩体中的应力已超过了历史最大应力，岩体本身已破坏，因而承载力不断下降，故监测到的岩体内部应力值也持续下降。此时要特别岩体的位移变化，若位移出现突然加速趋势，说明岩体即将进入失稳阶段。

(4) “平静-卸压”模式。该模式中，监测到的压力值不断减小，微震活动也较为“平静”，这相对于岩体加载后的卸载过程，在实际生产中则对应于采场充填后围岩应力集中得到改善，由此可以判定岩体是稳定的。

5.2 岩体稳定性评价的一般模式

根据研究结果，建立了通过微震活动及应力位移监测信息进行岩体稳定性评价的一般模式。首先，通过监测系统获取大范围微震活动的空间分布，并利用系统可视化工具圈定地压活动集中区。然后对集中区内微震事件进行量化处理，分析其地震学参数的时间变化过程，同时结合关键工程处的应力位移信息，通过对多元监测信息的耦合分析，判断区域岩体的稳定性。

5.3 应用实例

2007年12月左右，研究实例的岩体内压力持续降低，而微震活动较为活跃，CNE及CAV曲线出现突增的异常，同时，围岩位移也表现出明显增大的趋势。综合分析后推断：1369 m水平巷道与出矿道相交的丁字口区域在近期可能发生失稳破坏，提出采用管缝锚杆及长锚索进行加强支护。结果在12月9日早班，该区域出现了局部小规模的冒落现象，且顶板岩体出现断裂。应用实践表明：该方法综合考虑了岩体破坏过程中的微震及应力应变信息，避免了单种监测手段的局限性和偶然性，有效提高了采动灾害的预警精度。

6 结 论

(1) 生产矿山微震活动与采掘活动紧密相关，并呈平静期、稳定期及突发期3种特征交替变化，其分别对应围岩裂隙压密、弹性变形以及失稳破坏的破坏阶段。

(2) 开采活动中，围岩在走向方向受到的影响最大，为改善围岩的受力状态，应将回采进路方向调整为与构造主应力方向一致，即沿走向布置。

(3) 提出了4种基于“微震-压力”耦合关系来评价岩体稳定性的判别模式。其分别为：“平静-升压”、“稳定-升压”、“突发-卸压”以及“平静-卸压”模式，其中“突发-卸压” 模式说明岩体即将进入失稳阶段，可以作为采动灾害的预警标志。

(4) 该联合监测方法综合考虑了岩体破坏过程中的微震及应力应变信息，避免了单种监测手段的局限性和偶然性，有效提高了采动灾害的预警精度。

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