天湖铁矿地压监测系统建立及其应用研究*

张龙，石峰 ，赵宗义，王平 ，白登荣

(1.新疆大明矿业集团股份有限公司， 新疆 哈密市 839000；2.矿冶科技集团有限公司， 北京 100160；3.中国-南非矿产资源开发利用联合研究中心， 北京 102628)

0 引言

在采矿活动中，由于人为原因，井下原始应力平衡被破坏，井下岩体易产生应力集中，进而引发片帮、冒顶、岩爆等一系列地压灾害，造成设备损坏，人员伤亡等。对岩体进行稳定性监测是提前预测岩体是否发生大范围破坏，并进行地压管控的重要技术手段。目前，常用的岩体稳定性监测手段主要有应力位移监测[1−2]、空孔监测[3−4]、微震监测[5−9]等。通过对比上述监测手段可知，应力位移监测、空孔监测均属于点监测，只能反映岩体局部状态，且具有一定局限性，无法准确反映采矿过程中的岩体变化。而微震监测技术是一种区域监测，可以较好反映岩体整体裂隙发展情况，并具有实时、定位精度高等优点，目前已经广泛应用于国内外矿山[10−12]。

天湖铁矿采矿方法为无底柱分段崩落法，目前开采区域为940m中段的970m、955m分层。经过现场勘查，该中段矿岩应力相对比较集中，部分巷道已经出现了片帮、冒顶等变形破坏，严重威胁井下安全生产。由于矿区的水平构造应力和岩体硬度均较大，岩体发生动力灾害的几率较高。此外，随着开采深度的进一步延伸，发生动力灾害风险将逐渐增大，严重威胁矿山的安全生产。因此，基于微震监测技术，建立地压监测系统，对井下岩体稳定性进行实时监测，对动力灾害进行有效预警迫在眉睫。

1 监测方案设计与优化

针对天湖铁矿开采过程中地压活动的监测需求，结合实际开采特点，合理布置数值传感器，最终建立了一套可移动式、实时在线监测与预警的20通道地压监测系统，包含3支三分量传感器、11支单分量传感器。微震传感器的位置确定布置在天湖铁矿1000m、940m中段，各传感器分别安装在脉内巷道和脉外运输巷道围岩体内，形成一个立体的微震监测台网，将主要监测的采场包括在其中心，使该系统能够精确定位采场内发生的微震事件，从而准确掌握采场地压活动情况。

对目前台网分析进行事件定位误差和灵敏度分析，其云图分别如图1、图2所示。从图1、图2中可知，目前的微震事件定位误差为10m左右，灵敏度为−2.6震级左右，能够完全满足矿山岩体稳定性及裂隙发展需求。

2 基于监测结果的地压活动分析

根据矿山实际情况，对940m中段进行区域划分，以955m水平为基准，向上每隔15m建立一个块体分析模型，长×宽×高为550m×150m×15m，如图3所示。通过统计监测周期内各模块的微震事件信息分析地压显现规律。

图2 微震监测系统灵敏度云图

图3 分析模型

2.1 微震事件空间分布特征

图4为2019年监测系统某周期所监测到的微震事件空间分布。由图4可知，该周955m水平微震事件较少，970m水平微震事件在J4～J13穿脉之间出现聚集，事件产生原因为采矿活动及岩体内应力重分布。基于微震事件空间分布特征，圈定潜在地压灾害危险区域，经过现场勘查，各970m水平采场西侧岩体应力集中，破裂比较严重，如图5所示，表明该区域微震活动较强，与监测结果相一致。

图4 各水平微震事件空间分布

2.2 重点区域内地压活动分析

基于微震事件空间分布特征可知，970m水平微震事件数量较多，对该中段岩体稳定性进行重点分析。

图5 970m水平采场西侧巷道片帮

（1）累计视体积、能量指数分布特征。在地震学领域中，能量指数的增大与累积视体积的缓慢增加表明，岩体处于能量积蓄的硬化阶段，岩体不易发生大范围破坏。当应力进入岩体峰值应力之后，岩体内部所储存能量超过所能承受的能力，岩体发生破坏，表现为能量指数下降而累积视体积迅速增大。因此，在微震监测中，能量指数和累积视体积能够很好地反映岩体内部裂隙发展的状态和稳定性，这两个指数可作为岩体发生大范围破坏的预警指标。岩体发生大范围破坏，通常伴随着能量指数快速下降且累积视体积迅速增长的现象。

如图6所示，监测周期内970m中段累计视体积呈稳定增加状态，变化较为平稳，而能量指数波动较大，表明岩体内部能量不断积聚与释放，累积视体积没有突然上升、能量指数没有快速下降现象，即岩体内部出现小范围破裂，没有发现岩体较大范围失稳前兆。经现场勘查，与监测结果相一致。

图6 累积视体积时间与能量指数

（2）基于监测结果的岩体应力特征分析。微震事件的能量指数定义为该事件所产生的能量，与某区域内所有微震事件产生的平均能量相比，能量指数与岩体破坏时的驱动力呈正比。能量指数越大，岩体应力越集中，岩体发生大范围破坏的可能性越大，可以用微震事件能量指数来表征岩体受力状态。

图7为970m水平围岩应力分布情况，从图7可以看出，J18～J20穿脉附近应力相对较大，现场岩体破坏严重，表明基于微震事件的岩体应力分析，可以较好地反映岩体应力状态及稳定性。

图7 岩体应力分布云图

3 结论

（1）基于天湖铁矿实际开采特点，建立了定位误差约为10m，灵敏度为−2.6震级的高精度微震监测系统，满足了矿山现场安全监测的需求。

（2）分析各中段微震事件空间分布特征，得出970m水平微震事件在J4～J13穿脉之间出现聚集，圈定危险区域，可较好地反映岩体状态，与现场岩体破碎情况相一致。

（3）微震事件累计视体积-能量指数曲线可以反映岩体稳定性，累计视体积迅速上升且能量指数迅速下降，可作为岩体大范围破坏发生的前兆信息。

（4）微震事件能量指数云图可以较好地表征岩体受力状态，对岩体是否发生大范围破坏进行评估，进而为地压管控提供技术支持。