銅鎳礦礦體開采過程中地表開裂及上覆采空區頂板冒落規律研究

王金天

哈密和鑫礦業有限公司 新疆哈密 839000

1 銅鎳礦礦體開采過程中主要存在的問題

以某銅鎳礦為例。該礦530m 水平以上礦體均已采完，采礦方法為自然崩落法。目前主要對530m 水平以下礦體采用無底柱分段崩落法進行開采。根據礦體賦存條件，目前開采過程中主要存在以下安全問題：

（1）礦體圍巖巖體節理發育，較為破碎，圍巖易出現高應力集中區域而產生冒頂或片幫現象；

（2）礦體530m 水平上覆采空區大范圍失穩對該水平脈外巷道巖體穩定性及530m 以下分層開采應力擾動帶來的影響；

（3）礦體530m 水平以上30#礦體與32#礦體存在一定厚度的安全間柱，當采空區范圍不斷擴大，30#礦體與32#礦體采空區極有可能大面積貫通失穩；

由于530m 水平以上礦體開采為自然崩落法，30#礦體上覆存在較大采空區，上覆頂板巖層初次冒落容易與地表貫通，嚴重影響井下安全作業。

目前，常用的監測手段主要有應力位移監測、聲發射監測、微震監測等。通過微震監測技術，宏觀上可掌握地表開裂及沉降規律、基于微震事件圈定采空區范圍邊界，微觀上可揭示采空區頂板巖體裂紋損傷演化規律，實時監測采空區貫通及地表沉降，并對潛在的危險源進行監測、預警與控制，指導礦山安全生產。

2 微震監測方案設計與優化

2.1 微震監測方案

針對該礦32#、30#礦體的賦存條件、地質條件及開采狀況，進行臺網優化，最終設計微震監測系統傳感器布設如下：地表布置1 套微震監測系統，即從地表垂直向下打8 個直徑110mm、孔深為10m 的鉆孔，每個鉆孔內各布置1 個單分量微震傳感器，共計8 通道；在530m、450m 水平同樣各布設1 套8 通道微震監測系統。3 套微震監測系統共同形成對復雜空區的空間包絡，微震傳感器布置如圖1 所示。基于各個重點監測對象，分別建立了長、寬、高的塊體模型作為微震監測數據分析區域，如圖2 所示。其中，地表980-530m 塊體模型主要研究地表開裂、沉降及530m 水平上部采空區頂板冒落規律[1]。

2.2 波速矯正

波速（P 波和S 波）對微震事件的定位及分析巖體破裂規律尤為重要。因此，通過定點爆破的方式對波速進行有效校對。具體方法為模擬巖石破壞過程，得出符合現場地質條件的波速，最終使微震監測系統能更為精確地監測和定位微震事件和爆破事件。通過對比實測定點爆破坐標和監測爆破事件定位結果分析計算，采用Trace 軟件波速反演校正功能，最終得到校正后的波速為：P 波為波速4300m/s，S 波為波速2900m/s。

圖1 微震傳感器布置圖

圖2 微震監測區域

圖3 地表微震事件

3 地表開裂及沉降規律研究

圖3 為地表980-700m 水平之間微震事件變化規律。地表附近微震事分別于2019 年5 月8 日、5 月30 日、6 月10 日出現3次突增現象，且微震事件突增時間間隔分別為22 天和11 天，逐漸縮短，即頂板斷裂步距逐漸縮短。

通過分析微震事件演化規律并結合現場實際情況可知，5 月8日-30 日發生一定范圍的頂板破裂，5 月31 日-6 月10 日也發生一定范圍的頂板破裂及地表開裂，但破裂范圍比上次小，頂板崩落 尚未貫通地表，有即將貫通的趨勢。具體現場表現為：地表開裂愈發明顯，且在地表聽到井下爆破作業響聲愈發清晰。

圖4 微震事件空間演化

圖4 為地表開裂及700m 上覆采空區頂板冒落空間演化過程。圖4（a）為2019 年4 月微震事件空間分布，微震事件主要分布在30#礦體中部上方980-800m 的頂板附近，距離地表較近。分析原因可知，微震事件主要是受30#礦體開采作業影響，巖體逐漸向上破裂引起地表出現裂縫并進一步擴大。

圖4（b）為2019 年4 月至6 月期間地微震事件空間分布，通過每次微震事件范圍圈定，得出微震事件發展趨勢。微震事件有向32#塌陷區及其東部發展趨勢，表明地表與頂板之間有逐漸貫通趨勢。

現場地表開裂過程如圖5 所示，2019 年4 月地表新增裂紋較多，2019 年5 月至6 月地表附件微震事件聚集明顯，地表裂紋進一步擴大，并向32#塌陷區傾斜。用無人機對塌陷區進行實際測量，如圖6 所示，32#塌陷區東南部6 月、6 月出現較大范圍塌陷（圖中黑色區域），與微震監測結果相一致。

圖5 地表開裂過程

4 基于微震事件的地表應力分布特征

微震能量指數的定義為該事件產生的實際輻射能量與該區域所監測到所有微震事件平均能量之比，能量指數越大意味著巖石破壞的驅動力越大，即能量指數在一定程度上可以表征巖石的應力集中狀態。因此，可用微震事件能量指數分析巖體穩定性。微震能量指數分布情況如圖7 所示，從圖7 中可以看出，塌陷區東南部應力較大，表明塌陷區東南部地表沉降較為嚴重，與實測結果相一致。根據監測結果，加強對塌陷區的封閉管理，禁止任何人員及設備進入地表塌陷區，同時加大對30#礦體上部地表區域變化的無人機巡查頻率[2]。

圖7 應力分布特征

5 結語

2019 年5 月以來，地表附近微震事件出現3 次突增現象，且微震事件突增時間間隔和頂板斷裂步距逐漸縮短，頂板巖體破壞范圍越來越小，頂板與地表有即將貫通趨勢。

分析700m 上覆采空區及地表微震事件空間演化規律，得知微震事件主要分布在30#礦體中部上方980-800m 的頂板附近，且不斷向32#塌陷區及其東部發展，與地表裂縫不斷增多，向32#塌陷區傾斜現象相一致。

基于微震事件對地表應力分布進行分析，塌陷區東南部應力較為集中，現場地表沉降嚴重，與微震監測結果相一致。通過微震監測，指導了礦山安全生產。