典型礦柱片幫(破壞)的微震監(jiān)測預警及分析

楊 順，蘭曉平，冷修寧

(1.長沙礦山研究院采礦工程中心， 湖南長沙 410012;2.江西修水香爐山鎢業(yè)有限責任公司， 江西九江市 332438)

0 引言

江西省修水縣香爐山鎢礦礦區(qū)位于江西省修水縣城北西35 km，屬港口鎮(zhèn)管轄，為我國大型白鎢礦床，為采選聯(lián)合生產(chǎn)企業(yè)，隸屬于中國五礦有色金屬股份有限公司。由于歷史開采原因，開采過程中缺乏合理規(guī)劃與設計、開采秩序混亂，香爐山鎢礦井下累積開采出礦石量達到約670萬t，已經(jīng)形成了約210萬m3的采空區(qū)，空區(qū)之間相互貫通與重疊且形狀復雜，局部區(qū)域已經(jīng)發(fā)生過較大面積的冒頂?shù)鹊貕簽暮ΑＲ虼讼銧t山鎢礦委托長沙礦山研究院建立了一套60通道全數(shù)字型微震監(jiān)測系統(tǒng)，主要監(jiān)測東部殘采區(qū)域的地壓活動。

通過對系統(tǒng)建立以來至今的所有監(jiān)測數(shù)據(jù)進行整理分析發(fā)現(xiàn)，應力集中區(qū)域主要在采場的東西兩翼，如圖1所示，而東部地壓活動尤為顯著，微震事件發(fā)生率明顯偏多，成功預警了多次冒頂片幫事件。該區(qū)域為40#傳感器所在位置，為礦山將要進行殘采的主要采區(qū)，該區(qū)域臨近(東側(cè))已探知一儲量約為60萬t的礦體，具有很高的經(jīng)濟價值。因此，對40#傳感器所在礦柱及其周圍礦柱的變化情況的調(diào)查尤為必要，對該區(qū)域的地壓顯現(xiàn)情況的掌握對礦山具有重要意義。

1 礦柱位置與狀況

1.1 礦柱所在位置

40#傳感器所在礦柱為人工鋼筋混凝土加固的礦柱，其與發(fā)生片幫礦柱的位置關系如圖2所示。

圖1 應力分布圖

1.2 礦柱狀況描述

礦柱體積較大，高約10 m，礦柱巖體主要由花崗巖組成，有一條較大的、數(shù)十米長、近70°傾角的不連續(xù)面切割該礦柱，同時有一條近80°傾角的相對較小的不連續(xù)面切割礦柱，在該礦上形成一個X型的不連續(xù)面切割，如圖3所示。自微震監(jiān)測傳感器安裝在該區(qū)域以來，該通道事件觸發(fā)數(shù)持續(xù)保持較高水平，為地壓重點監(jiān)測區(qū)域。

2 微震監(jiān)測與預警分析

2.1 微震傳感器監(jiān)測與預警分析

自2012年11月以來，40#傳感器微震事件發(fā)生率持續(xù)處于較高狀態(tài)，平均觸發(fā)數(shù)為15～20個之間，未達到設定的預警值，但說明該區(qū)域處于高應力狀態(tài)。5月24日，該通道觸發(fā)數(shù)突然激增至32個，25日接近50個，超過了預警值，數(shù)據(jù)如圖4所示。出現(xiàn)這一情況后，監(jiān)測技術人員向礦方安全員發(fā)出了預警信息，26日經(jīng)現(xiàn)場安全員確認，該礦柱發(fā)生片幫，通過數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，24、25號兩天，微震事件數(shù)明顯激增，超過了預設的警戒值，而發(fā)生片幫的26號當天，事件數(shù)明顯減少，低于月觸發(fā)平均值，并在之后的幾天觸發(fā)數(shù)增加至原有水平，仍保持較高水平，未達到警戒值。結(jié)合室內(nèi)巖石單軸受壓實驗研究，進一步說明，巖石在破壞前，其微震事件數(shù)會出現(xiàn)急劇增加再明顯下降的過程。

圖2 片幫礦柱位置

圖3 礦柱上的典型不連續(xù)面

圖4 5月40#傳感器觸發(fā)數(shù)和累計變化值數(shù)據(jù)統(tǒng)計

2.2 礦柱破壞特點

礦柱片幫部位位于其中部，破壞面呈三角形，片幫巖體體積約為3 m3，如圖5所示。通過對40#傳感器所采集到的波形分析發(fā)現(xiàn)，大部分波形為上凸起跳型，可以判斷巖石內(nèi)部主要破壞形式為壓剪型，故該礦柱上的X形不連續(xù)面主要為受壓剪應力作用所產(chǎn)生。其中部受壓剪應力作用時有剝落，故呈現(xiàn)中部細長，上下兩端較粗的現(xiàn)象。室內(nèi)單軸實驗研究表明，巖石破壞是一個逐漸發(fā)展的過程，分為3個階段，即壓密階段、微裂紋萌生和擴展階段及斷裂破壞階段，前2個階段為漸變性，第3階段為突變性。通過對現(xiàn)場片幫礦柱的觀察發(fā)現(xiàn)，礦柱破裂面為微裂紋延伸直至重合所形成的，直至裂紋明顯曲折部位，呈三角塊狀破裂掉落，這表明宏觀的破壞是微裂紋變形破壞的累積反映。故掌握巖體內(nèi)部微觀變化對預知巖體宏觀失穩(wěn)垮塌具有重要意義。

圖5 礦柱片幫現(xiàn)場照片

3 結(jié)論

結(jié)合本次成功預警實測數(shù)據(jù)可知，微震監(jiān)測單通道數(shù)據(jù)對掌握被監(jiān)測巖體內(nèi)部微破裂狀況及能量的釋放情況具有重要作用。巖體在穩(wěn)定期和相對穩(wěn)定期，微震事件相對較少，事件頻度維持在低水平。巖石在超過其極限強度的應力作用下，產(chǎn)生微破裂，并以高頻聲發(fā)射形式釋放能量，微震事件數(shù)會明顯增多。隨著壓力的增大，巖石內(nèi)部的微破裂會繼續(xù)萌發(fā)，微震事件數(shù)保持較高水平，此時，微震監(jiān)測人員需對該區(qū)域進行重點監(jiān)測。隨著巖體內(nèi)部微破裂進一步擴張而形成較大的斷裂面，直至巖體失穩(wěn)垮落，失穩(wěn)巖體在垮落之前，出現(xiàn)間歇性破壞，微震活動頻繁，監(jiān)測到的數(shù)據(jù)量激增，監(jiān)測技術人員需立即進行預警，及時撤離現(xiàn)場施工人員及設備，而在臨近垮落時，微震事件頻數(shù)反而減少，即為發(fā)生沖擊地壓的前兆。伴隨著巖體垮落，巖體內(nèi)部的能量得到釋放，其壓力也會相對減小，微震事件頻度降低。

40#傳感器數(shù)據(jù)持續(xù)處于較高水平，說明該區(qū)域應力活動較為活躍，可推斷該礦柱上X形不連續(xù)切割面存在斷裂滑移失穩(wěn)的隱患，因此加強該區(qū)域監(jiān)測數(shù)據(jù)處理及地壓管理工作具有重要意義，必要的情況下，可以對該礦柱進行人工加固。

目前微震監(jiān)測單通道數(shù)據(jù)的識別及處理主要是通過能量大小和波形持續(xù)時間，再結(jié)合經(jīng)驗進行人為識別，對有用信號的拾取存在較大誤差，沒有形成規(guī)范的識別機制，因此，在人為拾取的有用波形中，對其進行頻譜分析，掌握其不同于其它信號的特點，從而加強微震信號拾取的濾噪能力，形成較好的自動識別功能，并最終實現(xiàn)自動預警，仍需進行大量的研究及探索。

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