何德強(qiáng) 石 峰 王 平 蔡永順 崔 冰 郝 帥
(1.新疆亞克斯資源開(kāi)發(fā)股份有限公司,新疆 哈密 839000;2.礦冶科技集團(tuán)有限公司,北京 100160;3.國(guó)家金屬礦綠色開(kāi)采國(guó)際聯(lián)合研究中心,北京 102628;4.承德銅興礦業(yè)有限責(zé)任公司,河北 承德 067200)
在礦山開(kāi)采過(guò)程中,對(duì)復(fù)雜采空區(qū)巖體穩(wěn)定性的監(jiān)測(cè)一直以來(lái)都是采礦與巖石力學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)與難點(diǎn)[1]。近年來(lái),微震/聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)作為一種高精度巖體破裂監(jiān)測(cè)手段,可通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),進(jìn)行地震學(xué)參數(shù)反演計(jì)算,圈定巖體潛在危險(xiǎn)區(qū)域,被廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外工程安全監(jiān)測(cè)[2-4]。何滿潮等[5]模擬深部巖爆發(fā)生條件,進(jìn)行了深部巖爆模擬試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)隨著加載時(shí)間的增加,聲發(fā)射/微震信號(hào)頻率由低頻過(guò)渡發(fā)展為高頻。馬天輝等[6]以錦屏二級(jí)水電站巖爆高發(fā)洞段作為研究對(duì)象,基于微震監(jiān)測(cè)技術(shù)揭示了微震時(shí)空演化與巖爆之間的關(guān)系。張楚璇等[7]基于微震活動(dòng)性參數(shù),研究了頂板冒落前后參數(shù)變化特征,提出了巖體穩(wěn)定性預(yù)測(cè)參數(shù)。
黃山銅鎳礦隸屬于新疆亞克斯資源開(kāi)發(fā)有限公司,采礦方法為無(wú)底柱分段崩落采礦法,生產(chǎn)能力為4 000 t/d,目前主要開(kāi)采的礦體為30#礦體,32#礦體已經(jīng)開(kāi)采完畢。隨著開(kāi)采的不斷推進(jìn),30#礦體采空區(qū)的空頂距不斷增大,且不斷靠近32#礦體采空區(qū),致使兩采空區(qū)間柱不斷減少,甚至有貫通的可能。此外,底部巷道巖體破壞明顯,局部應(yīng)力集中,已經(jīng)出現(xiàn)片幫等動(dòng)力災(zāi)害。為保障礦山生產(chǎn)安全,掌握30#礦體開(kāi)采過(guò)程中采空區(qū)頂板冒落規(guī)律,對(duì)采空區(qū)頂板大范圍冒落和底部巷道地壓活動(dòng)進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)及預(yù)警尤為重要。
本文基于微震監(jiān)測(cè)技術(shù),在采空區(qū)頂板冒落至地表之前進(jìn)行有效監(jiān)測(cè),形成一套符合該礦山特點(diǎn)的可靠、高效、穩(wěn)定的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)監(jiān)測(cè)微震事件空間分布,對(duì)30#采空區(qū)頂板崩落范圍進(jìn)行圈定,進(jìn)一步分析頂板冒落規(guī)律,監(jiān)測(cè)采空區(qū)頂板冒落范圍及地表沉降速度,指導(dǎo)礦山安全生產(chǎn)。
由于采礦活動(dòng)破壞了巖體原始應(yīng)力平衡,造成應(yīng)力集中,內(nèi)部能量也不斷積聚,當(dāng)內(nèi)部能量達(dá)到臨界值時(shí),巖體會(huì)發(fā)生破裂失穩(wěn)。而巖體發(fā)生完全破裂失穩(wěn)前,會(huì)向外釋放彈性波,如圖1所示,微震監(jiān)測(cè)技術(shù)可以有效捕捉彈性波,進(jìn)而反演分析出巖體受力狀態(tài)。根據(jù)微震事件集聚程度、能量變化等,反演開(kāi)采過(guò)程中巖體變化發(fā)展趨勢(shì)。
圖1 微震原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of microseismic monitoring
對(duì)目前主要開(kāi)采的530 m、450 m、350 m中段巖體穩(wěn)定性、頂板崩落、地表沉降等情況進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè),具體微震監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。在地表布設(shè)8個(gè)單分量微震傳感器,在530 m中段布設(shè)5個(gè)單分量微震傳感器、1個(gè)三分量傳感器,在450 m中段布設(shè)8個(gè)單分量微震傳感器,共計(jì)24通道,系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)采如圖3所示。該監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)采空區(qū)頂板冒落有效、大范圍、高精度立體監(jiān)測(cè),同時(shí)還可以兼顧底部巷道巖體穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)。
圖2 微震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)Fig.2 Microseismic monitoring network
圖3 微震數(shù)采Fig.3 Microseismic data acquisition
由于巖體的不均勻性特征,按照系統(tǒng)推薦波速進(jìn)行定位可能有較大誤差。因此,需要采用定點(diǎn)爆破的方式進(jìn)行波速校正,對(duì)比實(shí)際爆破坐標(biāo)和監(jiān)測(cè)坐標(biāo),并通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)波速返校功能,最終確定VP=5 300 m/s,VS=3 100 m/s。
圖4為采空區(qū)上覆巖體微震事件數(shù)量統(tǒng)計(jì),2018年9月份之前,微震事件變化平緩,為20個(gè)左右上下浮動(dòng),表明巖體處于穩(wěn)定階段,巖體內(nèi)部沒(méi)有較大裂紋。但隨著30#礦體開(kāi)采活動(dòng)的不斷進(jìn)行,采空區(qū)范圍越來(lái)越大,2018年9月份之后,微震事件出現(xiàn)一個(gè)小幅度上升,即上覆巖體局部已經(jīng)出現(xiàn)應(yīng)力集中,內(nèi)部裂紋匯合形成小范圍巖體破裂。2019年1月~2019年3月份,微震事件出現(xiàn)異常變化,數(shù)量急劇上升和下降,巖體內(nèi)部能量出現(xiàn)釋放,上覆巖體出現(xiàn)大范圍破壞,地表出現(xiàn)新增裂縫。
圖4 微震數(shù)量演化特征Fig.4 Characteristics of microseismic quantity evolution
上覆采空區(qū)頂板微震事件空間演化規(guī)律如圖5所示,圈定微震事件空間分布范圍確定頂板崩落范圍。2018年2月,30#礦體與32#礦體采空區(qū)并未相互貫通。2018年3月,采空區(qū)頂板不斷向上崩落,30#與32#采空區(qū)已經(jīng)逐漸貫通,采空區(qū)間柱范圍減少,并在地表附近出現(xiàn)標(biāo)高為908 m的一個(gè)微震事件,地表此時(shí)出現(xiàn)較小裂隙(如圖6所示),表明頂板崩落已經(jīng)影響到地表。2019年1月,地表附近微震事件出現(xiàn)空間集聚,最高標(biāo)高975 m,地表附近新增微震事件55個(gè),地表開(kāi)裂明顯。2019年3月,地表附近微震集聚范圍進(jìn)一步擴(kuò)大,地表新增裂縫及原有裂縫進(jìn)一步擴(kuò)大,而30#礦體與32#礦體采空區(qū)已經(jīng)貫通,頂板繼續(xù)向上破裂,最高標(biāo)高已達(dá)到800 m。通過(guò)分析微震事件空間演化規(guī)律可知,如圖7所示,微震事件有向32#塌陷區(qū)不斷發(fā)展的趨勢(shì)。
圖5 微震空間演化特征Fig.5 Characteristics of microseismic spatial evolution
圖6 地表新增及變化明顯裂縫Fig.6 New and changed cracks on the surface
圖7 微震事件發(fā)展趨勢(shì)Fig.7 Development trend of microseismic events
針對(duì)黃山銅鎳礦30#礦體采空區(qū)的空頂距不斷擴(kuò)大,且不斷靠近32#礦體采空區(qū),對(duì)井下安全生產(chǎn)造成極大安全隱患的問(wèn)題,建立微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng),優(yōu)化微震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng),校對(duì)波速,基于微震事件空間分布規(guī)律,對(duì)采空區(qū)頂板冒落規(guī)律進(jìn)行分析。得出結(jié)論如下:
采空區(qū)微震事件時(shí)空演化規(guī)律可以較好地反映頂板冒落規(guī)律。2019年1月—2019年3月微震數(shù)據(jù)出現(xiàn)突增突降異?,F(xiàn)象,地表出現(xiàn)較大破壞。微震事件空間分布圈定頂板崩落范圍,頂板不斷向上崩落且與32#礦體采空區(qū)逐步貫通,微震事件有向32#塌陷區(qū)不斷發(fā)展的趨勢(shì),現(xiàn)象顯現(xiàn)與監(jiān)測(cè)結(jié)果基本吻合。