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      基于微震監(jiān)測的金屬礦山地壓演化規(guī)律分析

      2020-11-10 01:32:52付搏濤
      科學(xué)技術(shù)與工程 2020年28期
      關(guān)鍵詞:微震巖體礦山

      王 虎, 師 海, 付搏濤, 魏 杰

      (1.中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院礦山安全技術(shù)研究所, 北京 100012; 2.清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點實驗室, 北京 100084; 3.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)工程技術(shù)學(xué)院, 北京 100083)

      在金屬礦山采礦活動中,高地壓誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害,如巖爆、采空區(qū)塌陷、露天邊坡崩塌等[1-2],是礦山尤其是非煤礦山開采引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的主要原因之一,是造成礦山重大人員傷亡和財產(chǎn)經(jīng)濟(jì)損失的重要原因。因此,有關(guān)地壓的監(jiān)測預(yù)警、預(yù)報防治及其危害評估分析一直是礦山安全技術(shù)領(lǐng)域的研究重點[3],尤其針對深井礦床開采的地壓監(jiān)測,微震是目前最為有效的監(jiān)測手段之一。

      微震監(jiān)測作為一種有效的應(yīng)力場監(jiān)測手段,在中外金屬礦山中已應(yīng)用多年,是金屬礦山應(yīng)力場監(jiān)測和研究的重要手段[4-6]。中國學(xué)者李瑞等[7]對會澤鉛鋅礦大量微震監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計,分析了微震監(jiān)測參數(shù)主要特征及關(guān)系,利用監(jiān)測參數(shù)在巖體失穩(wěn)之前會呈現(xiàn)出異常變化趨勢和征兆來預(yù)測預(yù)報。褚冬攀等[8]利用獲取的微震監(jiān)測信號,分析微震事件出現(xiàn)的頻次和事件的異常特征,研究了地下隧洞圍巖發(fā)生巖爆災(zāi)害與微震事件的關(guān)系。黃志平等[9]研究發(fā)現(xiàn),巖爆發(fā)生前巖體微破裂前兆特征,有效微震事件數(shù)目、集中程度、單個事件能量大小及其累計能量釋放速率等多個指標(biāo)是強(qiáng)、極強(qiáng)巖爆預(yù)警機(jī)制的重要依據(jù)。何學(xué)秋等[10]利用微震頻次指標(biāo)、能量指標(biāo),來監(jiān)測采掘擾動、地質(zhì)異常具有良好效果,同時利用彈性波CT(computed tomography)驗證了探測區(qū)域應(yīng)力場的分布特征與理論分布的一致性。

      目前,盡管微震監(jiān)測技術(shù)是針對巖體工程的地壓監(jiān)測,特別是預(yù)報巖爆災(zāi)害比較有效的監(jiān)測技術(shù),且近年來微震技術(shù)在礦山中的應(yīng)用不斷增多,但由于礦山采礦技術(shù)差異性、特殊性和地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜性,礦山地壓監(jiān)測效果差異性較大,且利用微震事件對礦山巖爆的預(yù)警研究較少,尤其是對地應(yīng)力場、微動活動與地壓演化的關(guān)系和礦山地壓演化規(guī)律揭示不夠清楚[11]。

      本文以此為研究契機(jī),以內(nèi)蒙古某金礦為研究對象,基于高精度微震監(jiān)測系統(tǒng)一年完整監(jiān)測數(shù)據(jù),對監(jiān)測結(jié)果和多參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行綜合分析,揭示監(jiān)測周期內(nèi)礦山地壓演化規(guī)律,預(yù)測地壓發(fā)展趨勢,并對微震系統(tǒng)在金屬礦山的應(yīng)用效果進(jìn)行了評價和分析。

      1 微震監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建

      1.1 工程概況

      內(nèi)蒙古某金礦,位于內(nèi)蒙古烏拉山東段,屬陰山山脈,聳立于蒙古高原和河套平原之間,呈不斷上升和侵蝕剝蝕的地貌景觀。分水嶺海拔標(biāo)高1 768~2 255 m。山前坡角標(biāo)高1 100 m,高差658~1 155 m。山間溝谷較為發(fā)育,有的溝谷常年有水。礦體全部賦存在上太古界烏拉山群變質(zhì)巖中,嚴(yán)格受構(gòu)造控制,成群成帶分布。礦體多呈脈狀、似板狀,以近東西向走向分布為主,少數(shù)呈北西向走向分布。各礦脈礦石類型、礦物成分及礦化特征相近,均屬貧硫化物型礦石,氧化帶不發(fā)育,以原生礦為主。礦石中,金屬礦物比較單一,主要是黃鐵礦、其次為方鉛礦等,含量2%~5%;脈石礦物以石英、鉀長石、斜長石為主,含量95%以上。

      礦體頂?shù)装鍑鷰r主要是黑云斜長片麻巖等各種片麻巖,頂?shù)装宓膰鷰r蝕變主要是鉀長石化、硅化、絹云母化和黃鐵礦化。圍巖為片麻巖,礦體為石英-鉀長石脈、結(jié)構(gòu)面為軟弱夾層,三者組成的圍巖巖體為整體塊狀結(jié)構(gòu)。礦井在開采過程中,由于輝綠巖脈和東西向構(gòu)造斷裂的存在,多處遇有軟弱夾層,存在塌落現(xiàn)象。

      該礦采礦方法為淺眼留礦法。開采水平已由海拔1 118 m下降至618 m,采深在500 m 以下,走向長度1 250 m以上。礦區(qū)經(jīng)過多年的空場法開采,形成的空區(qū)面積已達(dá)6.25×105m2,由于大面積空區(qū)未進(jìn)行處理,已出現(xiàn)明顯的地壓活動, 存在嚴(yán)重的安全隱患,直接影響深部的礦體開采。因此在采礦生產(chǎn)中現(xiàn)場構(gòu)建微震監(jiān)測系統(tǒng),揭示地壓演化規(guī)律,預(yù)測地壓發(fā)展趨勢對采礦安全生產(chǎn)十分必要。

      1.2 微震系統(tǒng)層級布置

      該礦在2014年布設(shè)了IMS高精度微震監(jiān)測系統(tǒng),井上井下主要結(jié)構(gòu)分為4個層級,硬件設(shè)備主要包含1臺服務(wù)器,1臺信息總站,3臺監(jiān)測臺站和14支微震傳感器。具體層級及布置如圖1所示。

      圖1 微震系統(tǒng)層級及布置Fig.1 Level and arrangement of microseismic system

      1.3 波速的標(biāo)定

      微震監(jiān)測系統(tǒng)在該礦山構(gòu)建后,通過爆破標(biāo)定得出符合現(xiàn)場地質(zhì)情況的P波(Vp)和S波(Vs)波速,以使監(jiān)測系統(tǒng)更為精確定位微震事件。根據(jù)爆破信號及其位置,反演該礦地震波速可知,Vp=4 835 m/s,Vs=2 633 m/s。

      2 采礦過程微震活動特征

      采礦過程中,巖爆、坍塌等現(xiàn)象的發(fā)生實質(zhì)上是伴隨著采礦生產(chǎn)圍巖內(nèi)微裂紋的擴(kuò)展過程,監(jiān)測獲得的微震事件正可以反映圍巖內(nèi)微裂紋的發(fā)展[12],因此通過分析采礦活動中地應(yīng)力場、微動活動有助于揭示地壓演化規(guī)律,預(yù)測地壓發(fā)展趨勢,從而為評估礦山安全開采巖體的穩(wěn)定提供判識依據(jù)。

      2.1 微震事件時空分布分析

      礦山開采過程中,巖體內(nèi)應(yīng)力得以釋放,所以,微震事件的數(shù)量可以反映礦山的實際開采情況。以某一自然年的監(jiān)測數(shù)據(jù)為例,來分析微震事件的時空分布規(guī)律。圖2所示為該礦山某年度所有微震事件空間和時間分布。

      本文中研究監(jiān)測時間為2015年,從圖2可知,該年微震事件總計1 767個,其中震級大于0的事件為24個,年內(nèi)最大的微震事件發(fā)生在9月4日,震級為0.5,第二個大事件發(fā)生在2月18日,震級為0.4。對比微震大事件列表,微震大事件是伴隨采礦爆破而生,監(jiān)測到的微震大事件是爆破后短時間內(nèi)圍巖應(yīng)力的重分布,引起的局部位置點巖體破裂。微震大事件會導(dǎo)致圍巖體內(nèi)部裂縫的發(fā)展,同時伴隨巖體內(nèi)儲能以應(yīng)力的形式釋放。

      顏色從藍(lán)到紅表示事件發(fā)生的先后順序,球的大小表示微震事件震級大小圖2 微震事件時空分布Fig.2 Temporal and spatial distribution of microseismic events

      通過對微震事件的統(tǒng)計分析可知,全年的監(jiān)測到的微震事件分布相對集中,事件主要分布高度為200~900 m,和礦山主要生產(chǎn)作業(yè)區(qū)域相吻合。微震集中發(fā)生的高度為300~600 m。礦區(qū)的上部和下部由于開采強(qiáng)度較低,發(fā)生的微震事件相對較少。

      2.2 地壓活動區(qū)域分析

      通過布設(shè)的微震傳感器可監(jiān)測并計算出各區(qū)域微震事件造成的最大的巖體位移變形,最大變形用不同的顏色進(jìn)行標(biāo)記,如圖3所示。在圖3中,巖石位移變形一定程度上可以反映微震事件的活躍區(qū)域,其他位置活動極其微弱或無活動。

      紅色標(biāo)記的位置為巖體活動較為明顯區(qū)域,藍(lán)色標(biāo)記的區(qū)域為巖石活動不明顯區(qū)域圖3 監(jiān)測自然年礦區(qū)巖體變形Fig.3 Rock deformation in mining area of one year

      根據(jù)圍巖變形區(qū)域和微震事件的空間分布,可對礦區(qū)內(nèi)巖體主要活動位置進(jìn)行圈定。圖3中采用紅色虛線圈定了4處礦區(qū)巖體主要活動位置。其分布特征,與作業(yè)面的布置位置、開采強(qiáng)度、礦體傾角等因素密切相關(guān)。從圖3中可知,活動區(qū)的主要分布高度200~600 m,以礦區(qū)中部和西南部最為明顯,礦體開采對于近距離上覆巖體影響明顯,礦區(qū)600 m以上水平巖體活動受開采、爆破影響較小。整個礦區(qū)最大變形尺度影響在毫米級別,不會造成大規(guī)模的地壓失穩(wěn),因此地壓活動相對穩(wěn)定。

      2.3 微震活動時程分析

      2.3.1 微震事件數(shù)累積時程分析

      年度微震事件累積如圖4所示,其中,曲線的斜率表示事件發(fā)生率,短時間內(nèi)事件發(fā)生率急劇增大,一般認(rèn)為是巖體內(nèi)微裂紋迅速擴(kuò)張,巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞演化的標(biāo)志之一,通常作為實時預(yù)警的重要指標(biāo)[13]。從圖4中可知,年度初期和末期曲線較為平緩,微震事件相對較少,地壓活動相對較弱;年中微震事件相對較多,曲線上升變化穩(wěn)定,地壓活動相對明顯。全年整體數(shù)據(jù)表現(xiàn)得較為均勻,說明全年地壓變化相對較為穩(wěn)定。

      圖4 微震事件累積數(shù)和微震活動歷時Fig.4 Cumulative number of microseismic events and microseismic activity duration

      2.3.2 微震活動性時程分析

      微震活動性代表微震活動頻繁與否。如果某個時間段曲線突然陡降,且持續(xù)一定的時間,預(yù)估可能發(fā)生較大的微震事件[12-14]?;顒有酝蝗唤档捅砻鲙r體應(yīng)力在不斷積聚,能量積聚得不到釋放,累積到一定的程度圍巖內(nèi)累積的能量集中釋放將會引起較大的微震事件發(fā)生。由圖5可知,監(jiān)測自然年中3—10月微震的活動性較為明顯,滑動曲線表現(xiàn)為較為規(guī)律的跳起和下降,說明巖體內(nèi)部聚集少量能量,開采過程勢能得到了及時、有效的釋放,不會誘發(fā)大的地壓災(zāi)害。年度初期和年度末期,微震的活動性相對較弱,不會誘發(fā)地壓災(zāi)害。

      2.3.3 微震累積視體積時程分析

      累積視體積指巖體發(fā)生非彈性變形時的體積,可反映巖體內(nèi)微裂紋的細(xì)微應(yīng)變變化,如果一段時間內(nèi)巖體內(nèi)存在非彈性的累積變形,但沒有發(fā)生破裂,表明能量在積聚。微震事件數(shù)和累積視體積歷時如圖5所示,由圖5可知,8—10月,累積視體積曲線變化趨勢較大,說明此階段內(nèi)圍巖活動相對顯著。12月末視體積曲線出現(xiàn)一個較為明顯的跳起,視體積突然增大,是一次能量突然釋放,但能量和震級并不大??v觀全年數(shù)據(jù),地震累積視體積與地震事件數(shù)累積隨時間增大,變化趨勢基本一致,說明微震發(fā)生發(fā)展較為平穩(wěn),巖體穩(wěn)定性未見較大異常變化,不會發(fā)生較大規(guī)模的破壞。

      圖5 微震事件數(shù)和累積視體積歷時Fig.5 Number of microseismic events and cumulative apparent volume duration

      2.3.4 能量指數(shù)時程分析

      微震事件的能量指數(shù)(EI)是事件所產(chǎn)生的實測輻射微震能E與區(qū)域內(nèi)所有事件的平均微震能E(P)之比。能量指數(shù)越大,表示微震事件發(fā)生時震源的驅(qū)動應(yīng)力越大[14-15]。因此,可通過視體積與能量指數(shù)的曲線關(guān)系獲取巖體災(zāi)害發(fā)生的前兆特征。通過對比累積視體積和能量指數(shù)曲線關(guān)系,可以預(yù)測地壓災(zāi)害發(fā)生的預(yù)兆,累積視體積出現(xiàn)上升的趨勢,且斜率增大,能量指數(shù)曲線下降,即應(yīng)力下降,預(yù)示著有較大的微震事件發(fā)生。且累積視體積和能力指數(shù)時程曲線表現(xiàn)出某種周期變化的特征,這與礦山開采活動存在周期性的特點具有一定的相關(guān)性。

      微震累積視體積和能量指數(shù)歷時如圖6所示,由圖6可知,能量指數(shù)發(fā)生周期性變化,表明巖體內(nèi)部應(yīng)力存在周期性釋放,能量指數(shù)釋放周期主要受作業(yè)周期影響。對比累積視體積和能量指數(shù)曲線關(guān)系,未存在過大的反向趨勢,表明礦區(qū)內(nèi)部沒發(fā)生大規(guī)模的地壓災(zāi)害事件。

      圖6 微震累積視體積和能量指數(shù)歷時Fig.6 Duration of microseismic cumulative apparent volume and energy index

      圖7 微震事件數(shù)與震級分布Fig.7 The number of microseismic events and magnitude distribution

      3 微震事件趨勢預(yù)測分析

      3.1 微震事件數(shù)震級分布

      微震事件震級與其出現(xiàn)概率成對數(shù)反比例關(guān)系,震級越小出現(xiàn)概率越高[12]。微震事件數(shù)與震級分布如圖7所示。利用上階段法擬合具體參數(shù),圖7中直線斜率的絕對值為b,該值一定程度反映巖體脆性的變化、多裂紋發(fā)生發(fā)展的匯聚程度。設(shè)定0級事件為分界點,通過擬合可知,b=4.213,遠(yuǎn)大于參考值1,說明監(jiān)測金礦的微震事件分布主要以小事件為主,并且在一段時間內(nèi)發(fā)生特大的微震事件的概率相對較小。

      3.2 微震事件矩震級的分布特征

      大量的現(xiàn)場微震監(jiān)測試驗研究[13]表明,不同階段的能量和地震矩對數(shù)回歸曲線、微震能量和地震矩關(guān)系曲線表現(xiàn)為一條直線,這說明這兩個參數(shù)的關(guān)系呈現(xiàn)明顯的冪率特征,公式為

      lgE=c+dlgM

      (1)

      式(1)中:E為微震能量;M0為地震矩;c、d為擬合常數(shù),分別反映應(yīng)力水平和巖體視在剛度。

      通過對不同時間段內(nèi)微震事件能量和地震矩對數(shù)進(jìn)行回歸擬合,可以得到微震能量和地震矩的關(guān)系特征。其中圖8所示為360 d的微震能量和地震矩分布關(guān)系。

      圖8 微震能量與地震矩分布Fig.8 Microseismic energy and distribution of seismic moment

      對通過對不同時間段內(nèi)應(yīng)力水平c和巖巖體視在剛度d進(jìn)行統(tǒng)計,變化情況如表1所示。兩者參數(shù)的變化規(guī)律如下:隨著巖體的視在剛度增大,應(yīng)力水平下降;巖體的視在剛度減小,應(yīng)力水平增大;即為回歸線截距減小時,微震活動性減弱。

      微震能量隨著地震矩增加而增加,表1顯示:年度初期,生產(chǎn)活動較弱,應(yīng)力水平c較小,整個年度周期內(nèi),c、d值變化較小,說明微震事件變化平緩,地壓活動演化趨于有利;如果作業(yè)強(qiáng)度保持穩(wěn)定,則在未來一定時間段內(nèi),礦區(qū)范圍內(nèi)巖體穩(wěn)定,不會發(fā)生大規(guī)模的巖體失穩(wěn)。

      表1 不同階段回歸曲線參數(shù)

      3.3 累積體變勢

      垮塌、巖爆等巖體動力災(zāi)害發(fā)生前,巖體中會有一個微震事件勢體積(即巖體非彈性變形)的逐漸積累過程,微震勢體積與震源能量的變化趨勢相似[14-15]。圖9為累積體變勢的變化,從圖9可知,整個監(jiān)測周期內(nèi)微震累積勢體積變化速率變化平緩,年底擬合的曲線斜率變小,說明巖體非彈性變形趨勢變小,也即在未來一段時間不會發(fā)生大規(guī)模的地壓活動事件。

      圖9 巖體內(nèi)累積體變勢Fig.9 Cumulative body potential of rock mass

      4 微震監(jiān)測綜合結(jié)果分析

      根據(jù)微震監(jiān)測和地壓演化規(guī)律的分析,總結(jié)如下。

      (1)在整個監(jiān)測周期內(nèi),微震監(jiān)測系統(tǒng)共檢測到有效微震事件總計1 767個,其中震級大于0的事件為24個。大事件幾乎是伴隨爆破而生,監(jiān)測到的微震大事件是爆破后短時間內(nèi)圍巖應(yīng)力的重分布,引起的局部位置點巖體破裂,這些事件對整個礦山巖體穩(wěn)定性不會造成明顯的影響。

      (2)從微震事件和礦區(qū)生產(chǎn)作業(yè)分布情況對比,礦區(qū)主要微震事件受開采影響較為明顯,震動場、應(yīng)力場和采場的分布位置基本一致,說明礦區(qū)上覆圍巖比較穩(wěn)定,零星的微震事件發(fā)生在采區(qū)范圍較遠(yuǎn)處,但能量不大,只是應(yīng)力重新分布引起的小事件,不足以影響礦區(qū)地壓穩(wěn)定性。

      (3)根據(jù)多指標(biāo)對比分析,對地壓演化趨勢進(jìn)行預(yù)測,如果礦山生產(chǎn)強(qiáng)度沒有大幅調(diào)整,在未來一段時間內(nèi),該礦開采活動不會造成大規(guī)模的地壓失穩(wěn),礦區(qū)地壓比較穩(wěn)定。

      5 結(jié)論

      應(yīng)用了微震的活動性、微震累積視體、能量指數(shù)等參數(shù),研究在同一時間軸下的變化特征及規(guī)律,分析了監(jiān)測礦山地壓演化規(guī)律及趨勢,得出如下結(jié)論。

      (1)以具體的礦山為例,分析了高精度微震監(jiān)測系統(tǒng)在礦山的實際應(yīng)用。應(yīng)用統(tǒng)計學(xué)、地震學(xué)和巖石力學(xué)對微震多參數(shù)指標(biāo)聯(lián)合分析,多參數(shù)在同一時間軸下的變化特征及規(guī)律表現(xiàn)一致,表明該礦的微震監(jiān)測結(jié)果穩(wěn)定可靠。

      (2)監(jiān)測到的礦山微震事件可以反映采礦的動態(tài)活動,隨著采礦爆破等活動的增加和時間的推移微震時間增多,且微震的活動性與現(xiàn)場采礦的實際情況吻合。

      (3)對于礦山地壓的長期監(jiān)測及預(yù)警,分析微震的震級分布,微震能量與地震矩關(guān)系特,累積體變勢等地震學(xué)指標(biāo),有助于掌握和判斷地壓發(fā)展的規(guī)律,更高效發(fā)揮微震監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用價值。

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