基于微震监测的千米井采场地压监测与预警技术

蔡永顺 关孝忠 王海文 吴亚飞 石 峰

(1．矿冶科技集团有限公司，北京 100160；2．国家金属矿绿色开采国际联合研究中心，北京 102628；3．中国—南非矿产资源开发利用联合研究中心，北京 102628；4．西部黄金股份有限公司，乌鲁木齐 830001；5．西部黄金克拉玛依哈图金矿有限责任公司，新疆 克拉玛依 834000)

千米深井开采过程中高地应力诱发的顶板冒落、巷道片帮等动力灾害日益突出。哈图金矿千米井矿区目前开采深度已超过1 km，受断层、节理裂隙等复杂地质条件的影响，地压活动动力显现表现的越发明显，已给采矿作业人员安全与设备运行造成了极大的影响。本文基于微震监测技术，在哈图金矿千米井矿区建立高精度微震监测系统，对深部开采过程中采场的岩体破裂、裂隙发展及垮塌等情况进行动态监测，通过微震事件的时空演化规律，划分出了地压活动较强的重点区域。通过对重点区域内微震事件累积视体积—能量指数变化规律进行分析，得出岩爆和大尺度岩体破裂的预警前兆信息。根据预警前兆信息及时、有针对性地对采场的岩体采取加强支护等保护措施，为矿山安全生产提供技术支撑[1-5]。

1 微震事件时空演化特征分析

统计了2018年12月至2019年11月的微震事件，如图1所示，球体大小表征微震事件的震级大小，灰度表征微震事件发生的时间。微震事件时间演化特征如图2所示。从图1可以看出，微震事件主要集中在采场东、西两侧，其中在675～625 m中段16～20勘探线间微震事件集聚。从图2可以看出，微震活动变化较大，整体较为活跃。2018年12月至2019年3月，微震活动较弱，随着矿山开采作业的不断增强，微震活动逐渐加强，2019年5月至2019年8月，微震活动处于较高水平，之后微震活动逐渐减弱。

图1 微震事件的空间分布Fig.1 Spatial distribution of microseismic events

图2 微震事件发生时间分布Fig.2 Time distribution of microseismic events

由于在675～625 m中段的微震事件较多，地压活动较强，因此对675～625 m中段微震分布进行分析，微震事件空间分布及集中区如图3所示。从图3可以看出，675 m中段微震事件较多，并在16～19采场附近发生聚集；625 m中段微震事件也较多，主要分布在15～18采场。区域内的微震事件主要是采场、巷道天井掘进作业及应力重分布所诱发。

图3 675、625 m中段微震事件空间分布Fig.3 Spatial distributions of microseismic events in 675 m and 625 m middle section

2 重点区域分析

分析微震事件时空演化规律发现，14～19、20～24勘探线之间的微震事件非常集中。因此，对14～19、20～24勘探线分别建立了分析模型。为更精细、准确地掌握采场范围内岩体的破裂发展情况及其稳定性，基于微震事件空间分布规律，结合矿山实际生产情况(725 m中段的14、16、17采场节理裂隙比较发育)，将14～19、20～24勘探线再进行细化，对725、675、625 m三个中段14～16、16～18、18～19、20～22、22～24勘探线之间采场内监测到的微震事件进行统计分析，细化后的模型如图4所示。

图4 细化后的区域块体模型Fig.4 Refined regional block model

2.1 基于微震事件的围岩变形分布特征分析

岩石破坏过程为内部原生破裂面受外部扰动后，在滑移过程中产生不同尺度破裂面。随着外部扰动的不断增加，各破裂面不断汇集、融合成更大破裂面，最终岩石破坏。因此，岩体破裂过程中，内部破裂尺度(变形)越来越大，内部变形随岩体破碎程度的增大而增大。矿山开采过程中，岩体受地应力影响，且开挖卸荷出现应力集中，损伤程度不断加大而产生岩体破坏。微震活动表征岩体变形程度，变形程度较大区域的岩体损伤程度越大，动力灾害发生可能性也越大。

通过微震空间分布及变形特征，可以很好地圈定损伤区域，预测动力灾害。图5为基于微震事件的围岩变形云图分布情况。从图5可以看出，变形较大区域主要集中在625 m中段16～19线，625 m中段20～24线围岩变形也较大。

图5 微震变形云图Fig.5 Microseismic deformation nephogram

2.2 基于微震事件累积视体积—能量指数的预警前兆分析

(1)

式中，E—事件的实测辐射微震能量，J；P—微震体变势，m3；d、c为常数。

视体积：在地震学领域，震源体积表示震源非弹性变形区岩体的体积，可以通过公式V=P/Δe计算。微震体变势可以从波形中计算得出，计算模型不同，应变改变量Δe=cPf03的计算结果也不同，角频率f0的大小与变形区形状直接相关。微小的f0不确定性可能会导致Δe的不确定性，进而影响震源体积V的大小。因此，以视应变来代替应变降可以得到一个较为稳定的参数。视体积计算[8-9]见式2。

VA=P/εA=μP2/E

(2)

式中，μ—岩石的刚度(剪切模量)，Pa；P—微震体变势，m3；E—事件的实测辐射微震能量，J。

一般情况下，目标区域岩体在进入应变硬化过程中，能量指数不断增加。而目标区域岩体在进入应变软化过程中，即岩体进入不稳定状态时，能量指数表现为快速下降并伴随加速发展的视体积。与岩石力学的应力应变曲线的峰前、峰后分析相类似，具有高灵敏度的微震监测系统可以反映岩体变形破坏的整个过程。在岩石峰值强度前区，应力是增大的过程，岩体此时的变形相对较小，随着应力逐渐接近峰值，由于非弹性变形的增大，其变形呈现增大的趋势。能量指数的增大与视体积缓慢增加的状态表明，内部能量在不断积聚，此时震源区岩体是稳定的。在岩石峰值强度之后，岩石内部能量超过岩石所能承受的最大限度，岩石承载能力下降，应力下降而变形增大，表现出能量指数快速下降而视体积迅速增大，此时岩石发生破坏。

因此，累积视体积和能量指数可以很好地反映岩石受力状态，表征岩石破坏过程，可以作为岩爆和大尺度岩体破裂的预测指标，发现岩爆和大尺度岩体破裂前的孕育期和预警期，将能量指数快速下降且累积视体积迅速增长作为岩爆和大尺度岩体破裂发生的判别依据。

重点区域累积视体积与能量指数演化特征如图6所示。2019年5月20日至26日，监测到14～19、20～24勘探线重点区域均出现能量指数突然下降且累积视体积迅速增加的情况，为岩体发生较大破坏预警前兆。结合微震事件空间分布特征可知，675、625 m中段16～19线、725、675 m中段20～22线岩体发生较大破坏的可能性较大。发现该预警信息后，第一时间通知矿山技术人员，现场对上述区域加强了支护和现场巡查。后经现场勘查，675 m中段16～19线间岩体发生了局部变形破坏(如图7所示)，由于支护及时，没有发生较大范围的破坏，为矿山安全生产提供了技术保障。

图6 累积视体积与能量指数Fig.6 Cumulative apparent volume and time distribution of energy index

图7 岩体发生局部变形破坏现场照片Fig.7 Rock mass photo of local deformation and failure site

3 结论

通过微震时空演化规律及围岩变形特征分析，可以较好地圈定岩体损伤区域，划分出地压活动的重点区域，为后续监测、分析、预警奠定了空间基础。通过对地压灾害进行分析，可将能量指数突然下降且累积视体积迅速增加作为岩体发生岩爆及大尺度岩体破坏的判别依据，为支护方案设计优化及现场安全生产管理提供了技术支撑。