异常活跃地压的微震监测预警研究

冷修宁，黄英华

(1.江西省修水香炉山钨业有限责任公司， 江西 九江市 332400；2.长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南 长沙 410012)

1 工程背景

香炉山钨矿在1994 年至2009 年一直采用全面采矿法对矿体进行开采，由于历史原因，形成了不规则采空区，据统计采空区体积达290 万m3、分布范围长800 m、宽600 m，高5～40 m，顶板累计暴露面积达25 万m2，体积巨大、形状复杂、相互连通、部分相互堆叠，形成400 多个形状尺寸不规则的矿柱，矿柱数量及其复杂程度为国内外罕见[1−3]，另外该矿空区上方存在重要的宗教建筑物等保护设施，属于典型的“三下开采”。自2013 年起，矿山采用胶结充填对东部残采区与西部规则采区的采空区进行充填治理。回采东部残矿资源对香炉山钨矿有重要的意义，但是矿山继续开采会面临严重的地压灾害问题：局部区域矿柱片帮垮塌、顶板冒顶；大范围的应力转移集中与整体地压；多米诺骨牌效应的大范围矿柱垮塌；井下开采可能导致地表重要宗教建筑物破坏；采空区的治理问题[4]。为了保证矿山能够继续生产，针对矿山存在的实际地压问题，于2010 年8 月份建成投入使用48 通道微震监测系统，先后于2011 年8 月和2013 年6 月将多通道微震监测系统通道总数从48 通道扩充到60 通道与84 通道[5−7]，扩大应用于东部残采区0-14 勘探线区域与该矿西部采区的16-20 勘探线区域，微震传感器类型为单轴加速度型，工作频率为50～5000 Hz[8]。

2 顶板冒顶区域的工程地质[9−11]

香炉山背斜是矿区的基础构造，呈北东向横贯矿区，在成岩成矿过程中起着主导作用，控制着矿床赋存形态，导致岩体、矿床形态与背斜构造高度协调。香炉山背斜属宽缓型倾伏背斜，倾伏角为10°～25°，两翼岩层倾角为10°～35°，南翼略陡，核部产状近乎水平，倾角小于10°。断裂对矿床的影响不大。矿区地层由震旦系上统陡山沱组和灯影组、寒武系下统王音铺组和观音堂组、寒武系中统杨柳岗组、寒武系上统华严寺组以及第四系组成。矿区地层整合接触，均遭受热液变质，转变为角岩及角岩化岩石。

香炉山钨矿矿体埋深为40～300 m，矿体赋存于山坡中上部，矿体似层状，缓倾斜，矿体产状与香炉山背斜一致，轴部倾伏角为10°～25°，北西翼平均倾角为7°，南东翼平均倾角为38°。矿体沿走向长1250 m，倾斜长576 m，矿体厚2.6～45.6 m，平均品位为0.705%。矿体形态较简单、矿岩界限清晰。直接顶板为灰岩，局部有炭质泥岩，矿体为角岩，底板为花岗岩，矿岩均坚硬致密完整[12]。矿区内无湖、河等地表水体，矿床主要充水来源为大气降水，矿体及围岩的含水性弱，岩溶不发育，矿床水文地质条件简单，开采工程技术条件非常好。

矿体及其围岩的强度较高，见表1。通过节理裂隙调查，获得了矿体开采区域内的节理裂隙发育特征，灰岩的体积裂隙数稍大，为10.5～12.0 条/m3，矿体和花岗岩的体积裂隙数都较小，一般小于8.0条/m3。炭质页岩节理裂隙发育，体积裂隙数达13.5条/m3，全部为弱裂隙性岩体[13]。大理岩和灰岩的综合岩体分级为Ⅱ级、角岩和花岗岩岩体为Ⅰ级。矿体赋存于山坡体内，埋深浅，以上覆岩层自重应力为主。

表1 香炉山钨矿岩石物理力学参数

本文研究的顶板冒顶异常地压活跃区为东部残采区597 采场，其回采现状平面见图1，典型的横剖面见图2。在矿山实际开采中，没有留设护顶层，角岩矿体基本回采耗尽，将节理裂隙较为发育、完整性稍差的顶板灰岩与炭质泥岩完全揭露出来。空区跨度为15～25 m，空区高度为1～35 m，点柱直径为4～20 m 不等，胶结充填体高度为1～15 m，剩余空顶高度为4～9 m。典型的空区与点柱照片见图3。

图1 顶板冒落区域597 采区回采现状平面

图2 597 采场典型剖面

图3 典型空区与点柱

3 地压异常活跃期的微震监测预警

在2018 年9 月22 日至10 月30 日近一个月的时间内，井下产生了多达32 次的微震定位事件，分布在东部残采区与西部正规采区。一些微震定位事件中有明显的地压显现，如矿柱开裂、片帮、顶板冒落等，另一些微震定位事件中则没有明显的地压显现现象，甚至微震定位事件发生前附近的微震传感器也没有接收到明显增多的单通道触发事件。上述微震定位事件及其对应的预警案例具体见表2。多年的微震监测实践经验表明，香炉山钨矿采区内产生微震定位事件或较多的出现微震定位事件时，在这些区域内有应力调整（重分布）导致的地压增大、片冒增多，甚至产生局部较大的地压显现。

表2 微震监测预警案例

表2 预警案例中，2018 年10 月27 日凌晨发生在东部残采区597 采场的顶板冒顶最为剧烈，在不到3 h 的时间内，微震监测系统共监测与定位处理17 个微震定位事件，其定位结果见图4，顶板冒落后的现场勘察所拍摄的照片见图5，监测到的典型微震波形见图6 与图7。本次597 采场剧烈地压活跃事件中，微震定位事件率达到了17 个/天，而在2018 年度及历史其他时期内，每天的微震定位事件率基本在1～2 个/天的水平，显示了这次顶板冒落的剧烈程度。待微震定位事件趋于平稳后，矿山组织技术管理人员进入597 采场进行了现场实地勘察，发现顶板发生了较大规模的冒落，冒落岩体体积约100 m3，冒落面积约60～70 m2，具体见图5。

图4 顶板冒落期的微震定位事件位置分布

图5 顶板冒落前后的现场照片

图6 微震事件典型波形（一）

图7 微震事件典型波形（二）

4 顶板冒顶产生的微震波形时频特征分析

为了详细深入地分析此次顶板冒落岩体破裂过程中产生的微震波形的时频特征，选择了两个典型的微震定位事件案例进行了分析，对波形的初至到时、最大振幅幅值、初至波极性、波形主频及定位精度等进行了详细分析，总结一些顶板冒落所激发的微震信号特征，为有效信号辨识、监测预警及机制机理分析提供有效数据。

4.1 案例1

2018 年10 月27 日01 时52 分45 秒，597 采场发生微震定位事件，16#、20#、29#、30#、40#、42#和35#共7 个传感器参与了定位，系统自动拾取P 波计算得到的定位误差仅有8 m，而且微震事件发生在20#传感器附近。该微震定位事件在各传感器上的参数见表3，监测波形的振幅值分布在9～4097 mV，各传感器振幅值与震源震级、传播路径及传播距离相关；初至波极性表示起跳点的方向是向上或向下，与地震波传播方向和传感器的取向有关，各传感器的初至波极性正负值都有。参与定位的传感器接收到的波形清晰，均为P 波特性的波形。

表3 案例1 的各微震通道监测波形时频参数统计表

各传感器监测波形的主频，各波形的P 波频率都在1000 Hz 以上，最大的达到了2000 Hz，所有传感器接收到的波形频率都较高。由于频率较高，波长约为3～5 m，传播辐射能力较弱，是岩体破裂发生的典型频率范围，另外，通过震相分析，仅有较为单纯的体波P 波，这与顶板冒落的事实相符：单纯的拉伸破坏仅产生体波P 波，而没有剪切波成分，由此可以综合推断，这是一起典型的岩体拉伸破裂事件。

4.2 案例2

2018 年10 月27 日3 时06 分26 秒，597 采场发生微震定位事件，共有18 个传感器接收到微震信号并参与了定位，主要传感器为24#、23#、9#、10#、27#、84#、27#、57#、60#和68#等。该微震定位事件在各传感器上的参数见表4，监测波形的振幅值分布在18～87 mV。

表4 案例2 的各微震通道监测波形时频参数统计表

各传感器监测波形见图7，其波形主频一般在100 多Hz，最大303 Hz，由于频率较低，波长较长，约为25 m，所以具有较强的传播能力，使得较大范围内较多的传感器都能接收到震源往外辐射的地震波。所有传感器接收到的波形频率很低，已经不可能是较小尺度岩体破裂释放的地震波的频率范围，可以据此明确推断此次事件是因为顶板冒落下来的岩块撞击底板产生的冲击震动，这与现场的实际地压显现是吻合的。

在定位精度方面，微震监测系统自动处理给出的理论定位误差达到143 m，显然误差较大，通过人工重新处理、重新选择参与定位的传感器及其初至到时，其理论定位误差缩小到41 m。

5 结论

（1）本次地压活跃期在矿山的微震监测历史上是少见的，近一个月时间内发生了32 次微震定位事件，而594 采场的顶板冒落剧烈、地压显现事件更是产生了17 次/3 h 的微震峰值，远远高于设定的预警值1 次/d 的水平，相比而言，2012 年6 月份的大面积冒落也是发生在雨季，监测到的微震定位事件仅为2 个。本次地压活跃期、特别是顶板冒落异常活跃期，通过微震定位事件发生频度，进行了有效的监测预警。

（2）从本次地压活跃期的微震定位事件震源分布的结果来看，整体上震源点的分布范围遍及整个东西部采区，各震源集聚点较为分散，绝大部分微震定位事件发生在正在开采的采场范围内，空间分布还不能断定不同震源点之间有内在的地压联系，目前来看各震源集聚点相互之间是独立的，仅在时间上集聚，在空间上没有形成恶化整体矿山地压的趋势。

（3）顶板冒落的异常地压活跃期内，顶板岩体拉伸破裂的波形时频特征：频率在1000～2000 Hz，地震波传播距离较近，仅能触发周边6～7 个传感器，最大振幅值在9～4097 mV，波形震相以体波P 波为主；顶板冒落下的岩石在底板产生的冲击震动波形的时频特征：频率在100～300 Hz，地震波传播距离较远，仅能触发周边12 个以上传感器，最大振幅值在18～87 mV 之间。上述典型波形的时频特征可以为今后有效信号辨识、监测预警及机制机理分析提供有效数据。