铜镍矿矿体开采过程中地表开裂及上覆采空区顶板冒落规律研究

王金天

哈密和鑫矿业有限公司 新疆哈密 839000

1 铜镍矿矿体开采过程中主要存在的问题

以某铜镍矿为例。该矿530m 水平以上矿体均已采完，采矿方法为自然崩落法。目前主要对530m 水平以下矿体采用无底柱分段崩落法进行开采。根据矿体赋存条件，目前开采过程中主要存在以下安全问题：

（1）矿体围岩岩体节理发育，较为破碎，围岩易出现高应力集中区域而产生冒顶或片帮现象；

（2）矿体530m 水平上覆采空区大范围失稳对该水平脉外巷道岩体稳定性及530m 以下分层开采应力扰动带来的影响；

（3）矿体530m 水平以上30#矿体与32#矿体存在一定厚度的安全间柱，当采空区范围不断扩大，30#矿体与32#矿体采空区极有可能大面积贯通失稳；

由于530m 水平以上矿体开采为自然崩落法，30#矿体上覆存在较大采空区，上覆顶板岩层初次冒落容易与地表贯通，严重影响井下安全作业。

目前，常用的监测手段主要有应力位移监测、声发射监测、微震监测等。通过微震监测技术，宏观上可掌握地表开裂及沉降规律、基于微震事件圈定采空区范围边界，微观上可揭示采空区顶板岩体裂纹损伤演化规律，实时监测采空区贯通及地表沉降，并对潜在的危险源进行监测、预警与控制，指导矿山安全生产。

2 微震监测方案设计与优化

2.1 微震监测方案

针对该矿32#、30#矿体的赋存条件、地质条件及开采状况，进行台网优化，最终设计微震监测系统传感器布设如下：地表布置1 套微震监测系统，即从地表垂直向下打8 个直径110mm、孔深为10m 的钻孔，每个钻孔内各布置1 个单分量微震传感器，共计8 通道；在530m、450m 水平同样各布设1 套8 通道微震监测系统。3 套微震监测系统共同形成对复杂空区的空间包络，微震传感器布置如图1 所示。基于各个重点监测对象，分别建立了长、宽、高的块体模型作为微震监测数据分析区域，如图2 所示。其中，地表980-530m 块体模型主要研究地表开裂、沉降及530m 水平上部采空区顶板冒落规律[1]。

2.2 波速矫正

波速（P 波和S 波）对微震事件的定位及分析岩体破裂规律尤为重要。因此，通过定点爆破的方式对波速进行有效校对。具体方法为模拟岩石破坏过程，得出符合现场地质条件的波速，最终使微震监测系统能更为精确地监测和定位微震事件和爆破事件。通过对比实测定点爆破坐标和监测爆破事件定位结果分析计算，采用Trace 软件波速反演校正功能，最终得到校正后的波速为：P 波为波速4300m/s，S 波为波速2900m/s。

图1 微震传感器布置图

图2 微震监测区域

图3 地表微震事件

3 地表开裂及沉降规律研究

图3 为地表980-700m 水平之间微震事件变化规律。地表附近微震事分别于2019 年5 月8 日、5 月30 日、6 月10 日出现3次突增现象，且微震事件突增时间间隔分别为22 天和11 天，逐渐缩短，即顶板断裂步距逐渐缩短。

通过分析微震事件演化规律并结合现场实际情况可知，5 月8日-30 日发生一定范围的顶板破裂，5 月31 日-6 月10 日也发生一定范围的顶板破裂及地表开裂，但破裂范围比上次小，顶板崩落 尚未贯通地表，有即将贯通的趋势。具体现场表现为：地表开裂愈发明显，且在地表听到井下爆破作业响声愈发清晰。

图4 微震事件空间演化

图4 为地表开裂及700m 上覆采空区顶板冒落空间演化过程。图4（a）为2019 年4 月微震事件空间分布，微震事件主要分布在30#矿体中部上方980-800m 的顶板附近，距离地表较近。分析原因可知，微震事件主要是受30#矿体开采作业影响，岩体逐渐向上破裂引起地表出现裂缝并进一步扩大。

图4（b）为2019 年4 月至6 月期间地微震事件空间分布，通过每次微震事件范围圈定，得出微震事件发展趋势。微震事件有向32#塌陷区及其东部发展趋势，表明地表与顶板之间有逐渐贯通趋势。

现场地表开裂过程如图5 所示，2019 年4 月地表新增裂纹较多，2019 年5 月至6 月地表附件微震事件聚集明显，地表裂纹进一步扩大，并向32#塌陷区倾斜。用无人机对塌陷区进行实际测量，如图6 所示，32#塌陷区东南部6 月、6 月出现较大范围塌陷（图中黑色区域），与微震监测结果相一致。

图5 地表开裂过程

4 基于微震事件的地表应力分布特征

微震能量指数的定义为该事件产生的实际辐射能量与该区域所监测到所有微震事件平均能量之比，能量指数越大意味着岩石破坏的驱动力越大，即能量指数在一定程度上可以表征岩石的应力集中状态。因此，可用微震事件能量指数分析岩体稳定性。微震能量指数分布情况如图7 所示，从图7 中可以看出，塌陷区东南部应力较大，表明塌陷区东南部地表沉降较为严重，与实测结果相一致。根据监测结果，加强对塌陷区的封闭管理，禁止任何人员及设备进入地表塌陷区，同时加大对30#矿体上部地表区域变化的无人机巡查频率[2]。

图7 应力分布特征

5 结语

2019 年5 月以来，地表附近微震事件出现3 次突增现象，且微震事件突增时间间隔和顶板断裂步距逐渐缩短，顶板岩体破坏范围越来越小，顶板与地表有即将贯通趋势。

分析700m 上覆采空区及地表微震事件空间演化规律，得知微震事件主要分布在30#矿体中部上方980-800m 的顶板附近，且不断向32#塌陷区及其东部发展，与地表裂缝不断增多，向32#塌陷区倾斜现象相一致。

基于微震事件对地表应力分布进行分析，塌陷区东南部应力较为集中，现场地表沉降严重，与微震监测结果相一致。通过微震监测，指导了矿山安全生产。