锡林矿业采空区稳定性微震监测可行性研究

武建东，彭府华

（1.内蒙古兴业集团股份有限公司，内蒙古 赤峰 024000；2.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南 长沙 410012）

锡林矿业朝不楞矿区铁锌多金属矿位于内蒙古自治区东乌珠穆沁旗东北部。矿山从2002年开始开采，1＃、2＃号竖井主要开采北矿带19＃和23＃矿体。矿山现有5个生产中段，中段高度40 m，从上到下分别为1～5中段，中段之间留有6 m厚的顶柱。矿房宽度25～35 m，矿柱宽度6～15 m。采用无底柱浅孔留矿法开采，平底底部结构，通过出矿进路出矿，出矿水平位于中段运输巷道水平。通过前期多年开采，3中段以上主矿体已经开采结束，目前正在回采4、5中段［1］。

由于矿山自建矿以来一直采用浅孔留矿法开采，在上部中段留下了大量的采空区未作处理。据前期空区扫描结果显示，3中段以上空区已接近50×104m3，并且随着下部中段的开采，井下空区体积逐渐增大，将成为影响矿山安全生产及矿区人员财产安全最主要的危险源。与此同时，在开采过程中留下了大量的高品位间柱与顶柱，并且相对4、5中段矿石品位较高，价值较大，更是突显了这部分残矿回收的重要价值。如何高效回收残矿资源，处理空区隐患，是企业目前面临的重要问题。

1 采空区分布及地压问题

1.1 采空区分布情况

3中段以上主矿体已经开采结束，经过前期采空区调查统计，3中段以上采空区总的暴露面积为17 818 m2，采空区体积为472 632 m3，汇总表见表1。采空区暴露面积从112～917 m2不等，从井下现场实际观察来看采空区稳定性情况相对良好。

表1 3中段以上空区体积汇总表

1.2 面临的地压问题

为了回采前期预留的间柱和顶柱，目前对4中段以上部分采空区（C301、C304、C306、C310、C312、C314、C402、C404、C406等采空区）进行了充填处理。下一步计划对已充填的空区间柱和顶柱进行回采，下一步回采残矿面临以下地压问题：

1.间柱和顶柱回采过程中自身稳定性。间柱和顶柱回采前作为保安矿柱，承受了上覆岩层的压力，起到支撑上部岩层作用。间柱和顶柱采断过程中，局部岩体可能受应力集中影响，导致间柱和顶柱发生失稳。

2.残采矿柱对其它相邻矿柱稳定性影响。某一间柱和顶柱回采结束后，受应力调整和重分布影响，其它相邻矿柱受力可能会增加，导致矿柱出现破坏。

3.上覆岩层移动变形和整体来压。按照后期残采计划，对井下大部分间柱和顶柱进行回采再嗣后充填，大体积充填体将取代原生矿柱来支撑上覆岩层，充填体的强度远远小于原生岩体强度，再加上充填过程中的充填不接顶等因素影响，可能导致上覆岩层发生整体变形，继而导致大面积来压，造成地表沉降变形，同时给井下深部开采带来安全风险。

鉴于锡林矿业下一步残采存在的残采过程矿柱稳定性和上覆岩层和整体地压问题，有必要对残采过程采区稳定性进行有效的监测。根据矿山的地压问题和国内外现有的技术，可采用目前国内外最为先进的微震监测技术对采区进行实时、立体和动态监测，保证下步残采的安全，同时通过对残采过程的地压监测分析，给出地压发展规律，为下一步残采方案提供技术支撑。

2 多通道微震监测技术特点

微震监测技术是目前国际上最先进的地压监测技术之一，在国内外矿山得到了较为广泛的应用。微震监测技术和常规应力、位移监测技术相比具有实时、立体监测、高精度定位和丰富监测信息等优点［2～7］。

2.1 全天候实时监测

采用先进的通讯技术，微震监测技术可将目标区域安装的传感器接收到的信息实时地传输到监控室，从而实现监测区域的全天候实时监测。

2.2 大范围立体监测

传统的应力位移监测属于“点”监测，监测结果只反应监测点的应力位移变化情况。微震监测技术是通过传感器采集监测区域岩体破裂产生的应力波，因此，微震监测技术是在空间概念上的时间过程监测，可以实现目标区域的大范围立体监测。

2.3 高精度空间定位

微震监测技术可以通过布置的多个传感器对同一破裂源进行监测，将监测采集的数据进行后处理，采用走时差原理对破裂源的空间位置进行计算，可实现震源的高精度空间定位。

2.4 微震事件物理多参数分析

微震监测技术可以对微震事件多物理力学参数进行分析，比如事件数、微震事件能量、微震震级、微震视应力、震源半径等。多参数分析可以为岩体稳定性分析提供丰富的信息，实现灾害的精确监测。

多通道微震监测系统除了可以对微震事件进行波形（波谱）、总事件数与事件率的分析外，还能进行能量、震级、视应力、动应力降、静应力降、震源半径等物理量的量化分析，实现多参数岩体稳定性分析和地压灾害的预警研究。

2.5 远程监测和专家会诊

利用网络通讯技术可实现全球范围内查看监测信息，实现目标区域的远程监控，也方便专家进行远程会诊，大大提高了监测的便捷性和实时性。

2.6 减轻监测人员的工作危险性与劳动强度

微震监测系统可以对地压情况恶劣的区域实行无人监测，不需要地压人员进入危险区域，避免了监测人员的工作危险性，也大大减轻了监测人员的现场监测劳动强度。

3 多通道微震监测技术方案

微震监测技术方案遵循整体包络、重点监测的原则［8］。1＃、2＃井目前有5个开采中段，因此，微震系统建设应首先达到采区整体监测的目的，再根据局部采空区实际监测需求程度不同进行重点监测。

根据1＃、2＃井采区现有开采范围，综合考虑到地压监测需求，设计1＃、2＃井采区微震监测系统为18通道，即3台数据采集仪，每台数据采集仪由6个通道组成，共有18个通道，携带18个单轴传感器。可实现对1＃、2＃井开采范围的全天候、实时和立体监测。

整个微震监测系统设置4个分站点，分别为2中段数据采集站点、3中段数据采集站点、4中段数据采集站点和地表办公区地压监控站。传感器监测到的信号通过信号电缆分别传输到2中段、3中段和4中段数据采集站点。井下2中段、3中段和4中段数据采集站点通过光缆将微震信号数据传输至办公区地压监控站。监测系统的主服务器（监测分析系统）布置在办公楼的地压监测站内，整个系统由主服务器通过GPS实现各采集仪同步授时。并且通过互联网，该监测系统可以实现远距离监控功能。

采区微震监测系统的基本结构组成如图1所示。

考虑到1＃、2＃井采区采空区、残采矿柱的赋存特征，同时为了保证其监测效果，所布置的传感器需形成一定密度三维立体式包阵列，对监测区域形成有效的包络区。1＃、2＃井采区布置18个传感器，设计2中段、3中段和4中段分别布置6个传感器，布置平面图如图2～图4所示，剖面图如图5所示。

4 系统监测定位效果

图1 微震监测系统结构组成图

图2 2中段传感器布置平面图

图3 3中段传感器布置平面图

图4 4中段传感器布置平面图

图5 传感器布置剖面图

图6 微震事件监测定位平面图

图7 微震事件监测定位立体图

经过现场安装调试后，锡林矿业微震监测系统于2020年5月投入使用。系统运行后，通过一段时间的监测可以看出，该系统对采区微震事件定位精度较高，监测效果较好。图6～图8为2020年6月份爆破事件监测定位结果，可以看出，微震监测系统本月定位爆破事件个数269个，主要集中在2中下斜和5中下斜作业区域。爆破事件震级在-1.5～0.5之间，定位精度较高，定位误差主要集中在0～24 m范围内，在8～12 m范围内比重最高。

图8 微震事件监测定位误差分布图

5 结 语

1.锡林矿业下一步在矿柱回采过程中将面临矿柱回采过程中自身稳定性、残采矿柱对其它相邻矿柱稳定性影响和上覆岩层移动变形等地压问题。通过对采空区及地压问题分析，并结合多通道微震监测技术特点，有必要建立一套18通道微震监测系统。

2.通过监测方案制定、现场安装调试，锡林矿业微震监测系统于2020年5月投入使用，经过一段时间监测表明，该系统对采区微震事件监测定位效果较好，可实现对采区进行实时、立体和动态监测，保障矿山安全生产和地压控制技术水平。

3.系统运行后，如何结合矿山的地压特点展开采空区稳定性分析、地压灾害监测和预警预报，还要做更多更细的工作。