基于微震監測技術的深部采場采動規律研究

楊志國,趙少儒,汪令輝

(1.中國恩菲工程技術有限公司,北京 100038;2.西北有色地質勘查局,陜西西安 710054; 3.銅陵有色金屬集團股份有限公司冬瓜山銅礦,安徽銅陵 244031)

基于微震監測技術的深部采場采動規律研究

楊志國1,趙少儒2,汪令輝3

(1.中國恩菲工程技術有限公司,北京 100038;2.西北有色地質勘查局,陜西西安 710054; 3.銅陵有色金屬集團股份有限公司冬瓜山銅礦,安徽銅陵 244031)

冬瓜山銅礦是目前國內開采最深的金屬礦山之一,巖石具有典型的巖爆傾向性。為了掌握巖爆發生規律,并及時采取有效安全控制措施指導礦山安全生產,礦山引進了南非ISS公司的微震監測系統,實現了對采礦引起的巖體應力、應變狀態的實時監測。本文簡單介紹了冬瓜山銅礦首采區的地質條件、采場結構及微震傳感器的空間布置。在前期處理波形和事件聚類分析研究基礎上,與生產活動相對應,采用地震參數對采場開采過程中不同階段的應力變化規律進行了對比分析研究,并結合礦山實際的破壞事件,進行了針對性分析研究。研究成果為后續相鄰采場開采及隔離礦柱穩定性的控制策略等提供依據。

巖爆;微震監測;應力;地震參數;礦柱

Abstract:Dongguashan Copper Mine is one of the deepest metal mines with rockburst proneness at present in China.In order to hold regularities of rockburst occurrence and adopt effectively control measures on time,Dongguashan Copper Mine has installed an ISS microseismic monitoring system,which can make a real-time monitoring of rock mass respond to mining.In this paper firstly geological condition,mining methods and sensors layout of initial panel are described.On the base of processing events waveform and cluster analysis primarily,by uses of seismic parameters analyzing stress or strain rule of stope during different mining stages.Combined with the actual destruction of mine incidents,it is pertinence analysized. This result will provide guidance for adjacent stope mining subsequently and pillar stability control strategy.

Key words:rockburst;microseismic monitoring;stress;seismic parameters;pillar

隨著經濟發展對礦山資源的需求,國內外礦山開采的深度日益加劇。[1-6]國外深井礦山的數目比較多,如南非、加拿大、澳大利亞等國家,特別是南非,其開采最深,絕大多數礦山的開采深度在2 000～3 000m,一些金礦的深度超過了3 000m,如Anglogold有限公司在威特沃特斯蘭德盆地(Witwatersrand basin)最深的Savuka礦深度達3 800m。加拿大的CVRD Inco的Creighto礦,Agnico Eagle的Laronde礦采深均超過了2 000m。澳大利亞目前采礦深度超千米的礦山有7座,最深的是Mount Isa地區Xstrata的Enterprise Mine,深度為1 650m。印度卡納塔克邦的科拉爾金礦區,已有Nundydroog、Champion Reef和Mysore這3座金礦,采深超過2 400 m。國內礦山如遼寧省撫順的紅透山銅礦,開采深度1 197m;云南省會澤鉛鋅礦開采深度為1 009m;廣東省韶關的凡口鉛鋅礦開采深度900m。可以預計,未來幾年內我國將有一大部分有色金屬礦山開采深度將達到或超過1 000m,這些礦山的進一步開采,將面臨深埋高應力的問題。冬瓜山銅礦是目前國內開采最深的金屬礦山之一,主礦體賦存于-690～-1 007m,-910m原巖應力測試點最大主應力值達38.1MPa,巖石具有典型的巖爆傾向性,為了掌握深部開采中巖體的應力變化規律及控制破壞性巖爆的發生,該礦于2005年8月安裝了南非ISS國際公司的微震監測和控制設備,實現了對井下生產過程的實時監測,自動分析及事件的可視化。系統自安裝運行以來,每天記錄的事件大約有300個,其中巖體活動事件有幾十個。前期對事件波形的分析方法和分類進行了研究,將各類事件按著爆破、主要地震事件、機械震動與噪聲進行了分類保存。基于前期的基礎工作,本文利用微震監測技術[7-13],進一步對采場不同開采條件下巖體的應力、應變規律進行了分析研究,為保證鄰近采場開采及礦柱穩定性控制提供了依據。

1 采場概況及微震監測系統傳感器布置

(1)采場地質條件及開采概況

冬瓜山銅礦首采區為52～58線,共劃分為3個盤區,52～54線、54～56線、56～58線,52～58線依次為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ盤區,首采區52線10#采場礦體標高從-790～-730m,走向長100m,寬18m,上部為含銅磁黃鐵礦、下部為含銅蛇紋巖。[14]根據采場開采及監測系統運行情況,將開采過程分為四個階段,①采場拉底;②采場拉槽與擴槽;③采場側崩開采(大規模爆破生產);④采場側崩開采(僅2次爆破),具體見圖1所示,圖中箭頭表示開采方向。

圖1 10#采場開采示意圖

(2)微震監測系統傳感器的布置

微震監測系統設4個微震儀(Quake Seismometer)、1個轉發器(Quake Seismic Repeater)、1個井下控制室(Seismic Controller)、1個地面主控制室及光纜等,共設有16個傳感器,24通道。

2 采場采動規律分析研究

2.1 確定分析范圍及階段劃分

為了分析采場開采對附近采場及隔離礦柱的影響,研究生產過程與產生破壞性巖爆的關系,根據10#采場開采情況,并考慮系統定位誤差,確定的分析范圍為:中心點坐標(Y=84301m、X= 22525m、Z=-760m),走向長度150m,傾向長度100m,中心點以上頂板巖體的高度為150m,中心點以下底板巖體高度為100m,從采場開采至2007年1月末,52#勘探線10#采場及附近采場地震事件的分布見圖2。根據采場不同時間段內的生產活動情況,分析過程共劃分四個時間階段,分別為:3月1日～5月31日、3月1日～7月10日、3月1日～9月30日、3月1日～2007年1月10日。

圖2 事件在采場及周圍的分布及時間分布柱狀圖

2.2 地震事件的發生頻率分析研究

從地震事件數據庫可以計算得出,前兩個月地震事件的數目為181次,日平均數為2次/d,如圖3所示。而到了第二階段,地震事件數目小范圍增加,達到了313次,日平均數為3.3次/d。從生產活動情況來看,第一階段主要為中深孔爆破拉底,對原巖中的應力有釋放作用,產生的應力值比較大,而第二階段主要為大孔切槽爆破,在采場中平面的影響范圍減少,而主要為豎直分階段礦體的擴槽、破頂爆破,從事件的平面分布圖也可以看出,這一階段事件數目要明顯的比第一階段少,主要分布在采場的中部,主要由于擴槽崩落過程中引起事件的發生。

第三階段主要為-730m水平沿中心槽兩側采場側崩爆破出礦,地震事件數目急劇增加,為1075次,日平均數為9.5次/d,是上個階段的近3倍,表明這個階段地震活動性最強烈,局部巷道易產生破壞。最后一個階段,采場爆破的次數較少,只進行了兩次采場爆破,日平均數1.7次/d,達到階段最低值,對圍巖體的影響較少,最近發生的事件多數是由附近54#勘探線采場的作業活動引起。由于盤區開采從52#勘探線靠近底部的2#采場開始,從地震事件的分布來看,應力逐漸向上部采場轉移,臨近的11#采場應力較高,而12#采場應力要小一些。

圖3 10#采場開采各個階段地震事件的頻率分布

2.3 爆破次數、藥量及采出礦量的對比分析研究

從爆破次數上來看,第一階段為13次,第二階段只有10次,而第三階段為7次,但是從爆破所使用的藥量上對比,7月份以后爆破所使用的藥量要明顯比第一階段和第二階段的多,從圖4采場各個月份的出礦量情況可以看出,7、8月份出礦量要明顯增加,并達到了最大值,集中爆破和礦石的大量采出,造成了巖體活動的加速,對采場右側礦柱的影響達到了最大。最后階段爆破次數很少,主要為靠近采場兩側礦體的爆破,最大的地震活動也在這個位置。據現場調查來看,并沒有破壞情況發生,所以在當前的開采條件下,不會對52#勘探線礦柱造成破壞,而對右側54#勘探線穿脈隔離礦柱影響要更小。

圖4 10#采場各個月份采出礦量情況

2.4 位移等值線計算與分析研究

巖體活動的平均位移采用D=M/(GA)進行計算,圖5～圖8為位移等值線及震級ML≥-0.5事件在采場中的平面分布情況。可以看出,各個階段開采過程中引起巖體運動位移的最大值依次近似為0.005m、0.010m、0.016m、0.020m。3月到5月位移值比較小,而且在采場中的分布差不多,與這個階段沿著采場中心向兩側進行拉底相吻合;到第二階段結束,位移量增加,影響范圍擴大;第三階段,位移值增加較大,最大位移值分布在53#勘探線的左右兩側,這與沿中心切槽向兩側側崩爆破出礦相吻合,巖體活動范圍增加至下部的9#采場,上部的11#及12#采場,9#采場位移值較小,最大值約為0.003m,11#、12#采場位移值分別約為0.014m、0.011m;最后一個階段,爆破次數較少,位移變化不明顯。

2.5 與現場發生破壞事件的對比分析研究

圖8 3月～2007年1月的位移等值線

上述分析可以得出,第三個時間階段反應應力水平值增大,位移擴散速度增加,事件的活動率達到最大值,表明這一階段危險性最大,在地質構造及頂板巖性較差的地段,誘發工程發生破壞的可能性很大。而從井下生產情況來看, -670m水平中段53#勘探線穿脈巷道2006年5月至8月之間地壓活動事件顯現頻繁,5月份部分巷道已經出現了破裂,頂板巖石片落,在8月初,則發生了較大面積的塌落。現場實地的調查來看,沿著53#勘探線巷道頂板為深灰黑色棲霞組大理巖,節理裂隙發育,方解石裂隙充填,據估算整個破壞的長度大約有50m,而且頂板垮塌的巖石塊度較大,落下的巖石使經過53#勘探線穿脈巷道的微震監測系統傳輸銅絞線的幾處折斷與破損,造成了穿脈巷道硐室內微震儀QS1數據傳輸中斷。

3 結論

本文通過對冬瓜山銅礦52#勘探線10#采場不同開采條件下巖體的應力變化規律進行了分析研究,并與礦山實際發生的破壞事件相結合,進行了對比分析,確定了對相鄰采場及礦柱的影響及應力走向,可以得出,井下生產爆破頻率高、一次爆破炸藥量大、采出礦量的增加,會導致巖體地震活動頻率增大和強度加大,位移擴散速度加劇,應力水平急劇增大,最終導致破壞事件的發生。這將對接下來鄰近及其它采場的開采策略提供必要依據。

[1] BRENCHLEY P R,SPIES J D.The combination of layout,design,support and a quality control programmer to assist in the long-term stability of tunnels in a deep level Gold Mine[C]//YVES P,JOHN H,DICK S ed.Challenges in Deep and High Stress Mining.[S.l.]:Australian Center for Geomechanics,2007:211-216.

[2] DURRHEIM R J.The deep mine and future mine research programmes-knowledge and technology for deep gold mining in South Africa[C]//YVES P,JOHN H,DICK S ed. Challenges in Deep and High Stress Mining.[S.l.]:Australian Center for Geomechanics,2007:131-140.

[3] SIMSER B P.Strategic and tactical approaches for mining at depth at Xstrata(s Craig Mine[C]//YVES P,JOHN H,DICK S ed.Challenges in Deep and High Stress Mining.[S.l.]:Australian Center for Geomechanics,2007: 181-188.

[4] 楊志國,于潤滄,郭然.深部高應力區采礦研究綜述[J].金屬礦山,2007,(3):6-9.

[5] 北京有色冶金設計研究總院.銅都銅業股份有限公司冬瓜山銅礦初步設計.2001.

[6] 姜福興,XunLuo.微震監測技術在礦井巖層破裂監測中的應用[J].巖土工程學報,2002,24(2):147-149.

[7] 郭 然,潘長良,于潤滄.有巖爆傾向硬巖礦床采礦理論與技術[M].北京:冶金工業出版社,2003:122-133.

[8] F.R.P.Basson and D.J.R.M.Ras.A Method to Examine the Time-Space Relationship between Seismic E-vents[A].Yves Potvinand Martin Hudyma eds.Controlling Seismic Risk-RaSiM6[C].Nedlands:Australian Center for Geomechanics,2005:347-351.

[9] MENDECKI A.J.Principles of monitoring seismic rockmass to mining[A].Gibowicz and Lasocki eds.Rockbursts and Seismicity in Mines[C].Rotterdam:Balkema, 1997:69-80.

[10] Dunlop.R and Belmonte.A.The April 22nd,2003 Rockburst in the Sub 6 Sector,EI Teniente Mine—A Case History[A].Yves Potvin and Martin Hudyma eds.Rockbursts and Seismicity in Mines-RaSiM6[C].Nedlands: Australian Center for Geomechanics,2005:291-295.

[11] Malovichko D.A.Study of“Low-Frequency”Seismic E-vents Sources in the Mines of the Verkhnekamskoye Potash Deposit[A].Yves Potvin and Martin Hudyma eds.Rockbursts and Seismicity in Mines-RaSiM6[C].Nedlands: Australian Center for Geomechanics,2005:373-377.

[12] Ogasawara.H andTakeuchi.J eds.High-Resolution Strain Monitoring During M﹥2 Events in a South African Deep Gold Mine in Close Proximity to Hypocentres.[A]. Yves Potvin and Martin Hudyma eds.Rockbursts and Seismicity in Mines-RaSiM6[C].Nedlands:Australian Center for Geomechanics,2005:385-390.

[13] MENDECKI A.J.Data-driven understanding of seismic rock mass response to mining[A].van AswegenG, Durrheim R J,Ortlepp W D eds.Rockbursts and Seismicity in Mines-RaSiM5[C].Johannesburg:South African Institute of Mining and Metallurgy,2001:1-9.

[14] MENDECKI A.J.Principles of monitoring seismic rockmass to mining[A].Gibowicz and Lasocki eds.Rockbursts and Seismicity in Mines[C].Rotterdam:Balkema, 1997:69-80.

Study on rule of mining based on microseismic monitoring in deep stope

YANG Zhi-guo1,ZHAO Shao-ru2,WANGLing-hui3
(1.China Enfi Engineering Corporation,Beijing 100038,China;2.North-west Mining and Geological Exploration Bureau for Nonferrous Metal,Xi’an 710054,China;3.Dongguashan Copper Mine,Tongling Nonferrous Metals Group Co.,Ltd.,Tongling 244031,China)

TD853

A

1004-4051(2010)02-0107-04

2009-10-26

楊志國,男,博士,2003年畢業于黑龍江科技學院采礦工程專業,主要從事深埋高應力礦床開采方面的研究工作。