深部金属矿采场顶板滑移冒落微震时空演化规律

刘 建 坡 魏 登 铖 师 宏 旭 王 永 昕

（东北大学深部金属矿山安全开采教育部重点实验室，辽宁 沈阳 110819）

微震（Microseism，MS）监测技术是利用岩体受力变形和破坏过程中释放出的弹性波来监测工程岩体稳定性的技术方法。由于微震信号的产生与岩体内部微破裂的萌生和扩展密切相关，因此每一个微震信号都包含着岩体内部状态变化的丰富信息。相对于传统的应力、变形等局部“点、线、面”观测范围来说，微震监测技术可以为岩体力学工作者提供更为全面的三维实“体”数据。南非、加拿大、澳大利亚等国家的金属矿山进入深部开采阶段的时间较早，自20世纪80年代，国外开始开展微震监测技术的研发及应用研究，并将其应用到矿山安全生产辅助管理方面。进入21世纪，微震监测技术逐步应用于我国深部矿山开采围岩稳定性评估与地压灾害防控［1-6］，同时在深埋隧洞、水电站、高陡边坡等岩石工程地质灾害监测与预警中发挥了越来越重要的作用［7-9］。

深部金属矿山由于提升、运输、充填等开采过程成本高，为保证开采经济性，往往以规模换效益，开采规模显著增大，例如思山岭铁矿、马城铁矿等深部矿山设计年开采规模均超过1 000万t，甚至达到1 500万t。对于大规模开采的矿山，深孔或中深孔回采一次炸药用量可以达到数百千克甚至数吨。大规模的爆破回采作业，对于附近围岩造成强烈的扰动影响，极易诱发围岩发生失稳破坏。李夕兵等［10］认为开采过程中造成矿岩体不稳定的因素主要来自矿体被采出时的瞬态卸荷作用及临近采场爆破、凿岩、出矿等动载荷扰动。红透山铜矿（我国最深的有色金属矿山之一）在进入1 000 m开采深度时，由爆破振动引发长达20多米巷道发生破坏；谷家台铁矿爆破扰动诱发采场大体积塌方，停产6 a，经济损失严重；锦屏二级水电站深埋隧洞受爆破扰动发生时滞性岩爆，岩爆破坏范围高2～4 m，长30 m，最大坑深达0.9 m。

采场顶板冒落破坏规模大，会造成严重的矿石贫化并影响开采进度，是深部开采中需要重点防控的岩体灾害之一。本研究以阿舍勒铜矿深部采场顶板冒落为例，系统分析爆破扰动诱发采场顶板滑移性破裂过程的微震时空演化特征，揭示灾害孕育诱发因素与发生机制，为同类地压灾害防控提供借鉴。

1 阿舍勒铜矿开采现状及深部采场冒落过程

阿舍勒铜矿位于新疆维吾尔自治区，铜工业储量近92万t，为我国第2大铜矿，目前开拓深度1 200 m，开采深度为900 m，日产矿石量6 000 t。地应力测试结果表明：该矿一定深度范围内以构造应力控制为主，且随着埋深增加而增加。埋深800 m处的最大主应力超过30 MPa，水平构造应力接近垂直应力的1.5倍。采矿方法主要为大直径深孔空场嗣后充填采矿法（VCR法），单次爆破炸药从数百千克到数吨不等。在初始高地应力和强开采扰动条件下，采场围岩多次发生片帮、冒落等地压灾害，对工作人员的安全构成了极大威胁，严重干扰了矿山正常生产。因此，该矿于2017年构建了高精度微震监测系统，实时捕捉深部开采诱发围岩破裂的时空分布及演化信息，为深部开采地压灾害防控提供数据支撑。微震设备采用中科微震监测系统，采样频率为0.25～4 kHz，传感器灵敏度为（80±5%）V/m/s，可实现监测数据自动收集、自动分析和自动定位。监测过程共采用28个传感器（其中24个单向传感器，4个三向传感器），根据现场巷道实际情况布置在0 m、50 m、150 m、200 m和350 m 5个中段（图1）。

0 m中段No.2采场位于阿舍勒铜矿深部开采区域（采深约900 m），采场长27 m，宽12 m，高50 m，采用垂直矿体走向的采场布置方式。该采场于2016年末完成回采工作，但是由于现场回采衔接出现一些问题，采场完成矿体开采和矿石运搬工作后，未进行及时充填，长时间处于空场状态（4个多月）。在采场顶板长时间空场暴露过程中，附近采场（No.4采场距离No.2采场约50 m）回采过程中的爆破作业对该采场造成强烈的扰动，加之No.2采场处于矿岩交界带边缘等原因，该采场于2017年4月17日顶板发生大规模的冒落，冒落体积约2 600 m3，质量超过1万t（图1）。No.2采场冒落前，No.4采场共进行了6次回采爆破作业，爆破时间和炸药使用量见表1。

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2 冒落过程微震时空演化规律

2.1 微震时序特征和空间分布

No.2采场围岩产生的微震事件与No.4采场的回采爆破活动密切相关（图2）。在No.4采场回采工作开始前，No.2采场每天产生的微震事件数较少（5个左右）。当No.4采场于2017年4月5日开始回采后，在大多数爆破当日No.2采场产生的微震事件数均出现显著增长现象，并在4月11日达到了最高值（当日产生25个微震事件）。其中15日的微震事件数较少，可能与当日炸药使用量较小有关。在采场冒落前（4月16日和17日），微震事件数并没有出现明显的增加，但是所释放的能量显著增大，这说明岩体内产生了较大尺度的破裂。在采场发生顶板冒落当天，No.2采场围岩所释放的能量达到最大值。从微震事件的空间分布图（图3）可以看出，微震事件主要集中在采场顶板区域。从顶板冒落的发展过程来看，前期微震事件的能级较小。随着爆破扰动次数增加，岩体内部破裂逐渐扩展和贯通，采场冒落前大能级的微震事件增加较为明显。

采场冒落前，岩体内的微震活动出现明显减弱现象，与室内试验得出的岩石破坏前的声发射“平静期”类似。文献［11］在研究岩石破裂声发射活动特征时，认为在岩石破坏前小尺度裂纹合并贯通形成大尺度裂纹，虽然声发射率下降，但能量释放率增强，出现声发射率“平静”而声发射能量“不平静”的现象。另外，按照地震临界点理论［12］，岩体在破坏前其内部储存的能量会出现幂率加速释放现象。因此，采用微震能量的快速释放作为判据，对于岩体的失稳破坏预测更具意义。

2.2 冒落前围岩变形规律

对于一个给定的地震事件，常用视体积测量具有同震非弹性变形的岩体体积。视体积依赖于地震矩和发射的能量，而且由于其为标量的性质，可以容易以累积或等值线图的形式处理，从而深入研究同震变形率的分布。根据双力偶剪切位错震源模型，由标量地震矩定义式可得沿断层的平均滑动位移。该定义式为［13］

式中：M0为地震矩；μ为震源区介质剪切模量；A为破裂滑移面积且为震源半径）。地震矩M0和震源半径r0均可由波形信号获得。

在获得单个微震事件的滑动位移后，采用球面差分方法对岩体变形进行网格化，以云图方式显示。云图采用每5 d的微震数据绘制，并采用2 d间隔滑动，如图4所示。从图中可以看出，No.2采场处于空场状态时，由于内部缺少矿体支撑，在No.4采场回采爆破扰动下其围岩变形逐渐增大。在4月17日采场冒落前，矿岩体内累积的应变能大量释放，大尺度的破裂导致围岩变形显著增加，充分展现了No.2采场顶板围岩的松脱式渐进破坏过程。另外，No.2采场处于阿舍勒铜矿深部采区的矿岩交界区域，矿体和围岩的物理力学性质存在明显的差异性（表2）。在回采爆破扰动下，岩体和矿体变形不协调，矿岩接触带逐步弱化，并最终导致No.2采场顶板矿体沿着矿岩界面滑落。

3 采场滑移冒落发生机制

在断层滑移或者剪切破坏过程中，微震事件辐射的S波能量要远大于P波能量。通过分析不同的ESEP值分布范围，可以获得岩体破坏类型，如张拉型破坏、剪切型破坏和混合型破坏。P波和S波的辐射能量可由下式求得：

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式中：EP,S为P波和S波能量；ρ为岩体密度，t/m3；vP,S为P波和S波波速，m/s；R为距震源的距离，m；t为震源持续时间，s为经远场辐射形态修正的P波或S波速度脉冲的平方。

文献［14］研究表明，断层滑移或剪切类型诱发的地震事件通常ES/EP≥10；而对于非剪切形式的破坏，如拉伸破坏、体积应力变化等诱发的事件，ES/EP接近或小于3。文献［15］基于现场微震监测和数值模拟验证了剪切事件满足ES/EP>10。因此，本研究基于ES/EP能量比判定震源破裂机制的准则为：ES/EP>10，剪切破裂；3≤ES/EP≤10，混合破裂；ES/EP<3，张拉破裂。

图5为No.2采场冒落前不同类型破裂机制的微震事件空间分布图。从图中可以看出，张拉破裂事件多分布在采场顶板位置，形成了以张拉型破裂为主的非剪切破坏区，主要是由于采场顶板冒落造成矿体断裂所致；剪切破裂事件主要分布在矿岩交界带附近区域，诱因来自于采场顶板冒落所造成的矿岩体间剪切滑移。

在冒落发生前，共捕捉到196个微震事件，其中张拉型破裂事件36个、剪切型破裂133个、混合型破裂27个，占比分别为18%、68%、14%。文献［16］在研究深部矿山两个典型破坏机制区域内的微震数据时，发现与断层有关的剪切破坏区域内约70%的微震事件ES/EP>10，而以卸荷裂隙导致的拉伸破坏超过85%的微震事件ES/EP<10。本研究所得结论与文献［16］中关于剪切破坏区发生机制的研究结果相一致（图6）。若按文献［17］研究的剪切破裂事件满足ES/EP>20作为震源破裂机制准则，阿舍勒铜矿No.2采场约有45%的微震事件ES/EP>20，剪切事件并不占据主导位置，与现场实际围岩破裂形式不一致。因此，在工程岩体破坏机制反演中，还需要补充更多的岩体破坏案例，以建立适用于不同开采技术条件下的岩体破裂机制ES和EP比值统一判定准则。

基于前述关于微震时空演化规律和围岩破裂机制的研究，No.2采场顶板矿体滑移冒落发生的诱发因素主要包括两个方面。其一为冒落区处于深部采区矿岩接触带两侧的矿体和岩体物理力学性质存在明显差异性特征。由于矿体的容重、强度、弹性模量和黏聚力均明显高于凝灰岩，在破坏时矿体和岩体变形出现明显的不协调。基于空区扫描结果分析可以发现，冒落区的左右两侧边界与No.3采场矿体的形态基本一致，表明矿体沿矿岩No.3采场左右两侧矿岩交界面发生滑落（图7中A、B两个区域）。其二是附近采场强烈的回采扰动。由于阿舍勒铜矿采用的是大直径深孔空场嗣后充填采矿法，爆破炸药用量和回采规模大。强烈的回采卸荷效应和爆破动力扰动会引发回采区域附近围岩的物理力学性质发生变化。在这种扰动条件下，No.2采场顶板的矿岩交界带逐渐松动弱化，当顶板矿体的质量超过自身抗拉强度和矿岩交界带的共同承载能力时，顶板矿体沿矿岩交界面发生滑移破坏。因此，深部金属矿山矿体边界区域进行回采过程中的安全问题应引起足够重视，在采场回采完毕后应尽快充填，避免采场长时间处于空场状态。附近采场回采过程中应降低炸药用量，减小爆破扰动效应。同时，应加强安全监测工作，对于采场冒落等地压灾害的孕育发生过程进行实时监测，为制定和实施相关防控措施提供依据。

4 结 论

本研究分析了阿舍勒铜矿深部开采爆破扰动诱发采场顶板滑移性破裂过程的微震时空演化特征和灾害孕育发生机制，所得结论如下：

（1）微震时空演化规律直观反映了采场顶板冒落过程中岩体内部裂纹的产生和演化过程。在采场冒落前，微震活动性出现明显减弱现象，但微震能量呈现幂率加速释放态势。采用微震能量的快速释放作为判据，对于岩体的失稳破坏预警更具意义。

（2）冒落发生前的196个微震事件中，剪切型破裂事件133个，占比达68%。剪切破裂事件主要分布于矿岩交界带附近区域，顶板则为以张拉型破裂为主的非剪切破坏区，表明此次冒落灾害是采场顶板矿体沿矿岩接触带滑移引发的顶板张拉断裂所致。

（3）采场顶板滑移性冒落主要是由于矿岩物理力学性质差异性和临近采场强烈回采爆破扰动共同作用造成的。在进行深部金属矿体边界区域回采时，应加强地压灾害孕育发生过程的实时监测，并采用及时充填和减小爆破扰动等措施，降低采场顶板冒落发生风险。