強(qiáng)化開采地壓災(zāi)害微震監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用研究

李安平

(新疆阿舍勒銅業(yè)股份有限公司， 新疆 哈巴河縣 836799)

新疆阿舍勒銅礦于2002年4月全面開工建設(shè)，2004年投產(chǎn)。主采礦體Ⅰ號(hào)礦體為厚大急傾斜礦體，根據(jù)礦體的開采技術(shù)條件，礦山自上而下，分別采用無底柱分段崩落法、下向進(jìn)路水平充填法、分段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ê痛笾睆缴羁壮涮罘ㄟM(jìn)行開采。

礦山600 m水平以下大直徑深孔開采過程中，由于礦體埋深較深，地應(yīng)力大，受重復(fù)采動(dòng)影響，礦體上、下盤沿脈巷道及穿脈巷道都出現(xiàn)了不同程度的變形和破壞。2008年500中段6號(hào)、10號(hào)采場發(fā)生大面積垮塌，2012年1月，礦山爆破后600～633分段出現(xiàn)大面積垮塌，給礦山后續(xù)開采造成極大困難，為了保證礦山的安全生產(chǎn)，防止災(zāi)害性地壓活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不良地壓活動(dòng)的有效監(jiān)控，礦山建立了一套多通道微震監(jiān)測系統(tǒng)。

1 微震監(jiān)測臺(tái)站的布置

阿舍勒銅礦目前主要在600中段以下進(jìn)行開采活動(dòng)，為了提升礦山生產(chǎn)能力，礦山采用多中段同時(shí)強(qiáng)化開采方式，采礦方法以大直徑中深孔和深孔采礦為主，致使地壓活動(dòng)在采場區(qū)域比較活躍，特別是在350中段、450中段和600中段表現(xiàn)明顯。同時(shí)，礦山800中段以上采場采用無底柱崩落法回采，留下了一些采空區(qū)，由于賦存比較淺，圍巖有一定程度風(fēng)化，造成上部采空區(qū)局部失穩(wěn)破壞。因此，為了有效監(jiān)控采場及采空區(qū)的地壓活動(dòng)，確保礦山安全生產(chǎn)，需要合理布置微震監(jiān)測系統(tǒng)的臺(tái)站，達(dá)到監(jiān)測600 m中段以下采場和800 m中段以上采空區(qū)的目的。

1.1 傳感器優(yōu)化布置

在充分考慮微震監(jiān)測目的、監(jiān)測對(duì)象、研究范圍、客觀環(huán)境背景和監(jiān)測系統(tǒng)的投資5個(gè)因素的基礎(chǔ)上，確定了在450中段、500中段、600中段、800中段、813中段、827中段和840中段七個(gè)中段分別布置24通道傳感器。微震監(jiān)測系統(tǒng)硬件由監(jiān)測計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)中心、采集儀和傳感器4部分組成。其中監(jiān)測計(jì)算機(jī)布置在地面上，其余3部分分別布置在井下。微震監(jiān)測系統(tǒng)包括1臺(tái)監(jiān)測計(jì)算機(jī)、1個(gè)微震數(shù)據(jù)控制中心、4臺(tái)數(shù)據(jù)采集儀和24個(gè)單分量傳感器，其中每臺(tái)數(shù)據(jù)采集儀攜帶6個(gè)傳感器。在450中段、500中段、600中段和813中段4個(gè)中段分別布置1個(gè)數(shù)據(jù)采集儀，在450中段、500中段和600中段各布置6個(gè)傳感器，上下盤各布置3個(gè)，在800中段和813中段中段各布置一個(gè)，在827中段和840中段中段各布置2個(gè)。

1.2 微震監(jiān)測布置臺(tái)站靈敏度分析

根據(jù)本微震監(jiān)測系統(tǒng)布置方案，在軟件JDI中運(yùn)用sigma-optimal方法分別對(duì)450、500 m和600 m中段進(jìn)行靈敏度分析，800 m中段以上布置較分散，不單獨(dú)分析。對(duì)每個(gè)中段分析區(qū)域尺寸劃分為600 m×600 m×50 m，然后創(chuàng)建中間網(wǎng)格平面，網(wǎng)格單元尺寸為20 m×20 m，演示分析監(jiān)測區(qū)域是否能夠達(dá)到監(jiān)測要求。通過合理布置傳感器臺(tái)站，在礦山確定了微震監(jiān)測系統(tǒng)的有效監(jiān)測精度，即有效誤差為10 m，達(dá)到了礦山監(jiān)測監(jiān)控的目的。從圖1～圖3可以看到深色區(qū)域表示不大于10 m的誤差，而深色區(qū)域正是主要監(jiān)測區(qū)域。

圖1 450 m中段定位誤差云圖

圖2 500 m中段定位誤差云圖

圖3 600 m中段定位誤差云圖

2 微震系統(tǒng)調(diào)試及定位分析

由于波速在不同礦山傳播的介質(zhì)和路徑不相同，不能準(zhǔn)確的設(shè)定波速就會(huì)對(duì)微震監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測地壓活動(dòng)位置產(chǎn)生較大的偏差，影響微震事件的定位精度，因此，設(shè)置縱波和橫波的傳播速度要盡量準(zhǔn)確。實(shí)際操作步驟：首先根據(jù)金屬礦山地震波傳播的速度區(qū)間選取一個(gè)適當(dāng)值，然后再反復(fù)調(diào)試和驗(yàn)證，使之滿足礦山對(duì)微震事件定位精度的要求。在阿舍勒銅礦設(shè)定的初始縱波波速為4720 m/s，橫波波速為2770 m/s；然后通過2次人工爆破處理波形來驗(yàn)證波速的合理性，結(jié)果最小誤差為13.9 m，根據(jù)處理分析結(jié)果又對(duì)地震波波速進(jìn)行微調(diào)，再通過3次人工爆破來驗(yàn)證波速設(shè)定的合理性，結(jié)果達(dá)到了定位精度要求，有效控制了定位誤差，即10 m左右的有效誤差范圍。最終重新設(shè)定縱波波速值為4650 m/s，橫波波速值為2700 m/s。具體爆破位置和監(jiān)測定位統(tǒng)計(jì)見表1。

3 微震事件預(yù)報(bào)預(yù)測

3.1 微震事件預(yù)報(bào)

微震系統(tǒng)在監(jiān)測過程中，各個(gè)活動(dòng)性都記錄在時(shí)間進(jìn)程中。微震時(shí)程分析的主要目的是定量評(píng)估將要發(fā)生的巖體失穩(wěn)。評(píng)定過程中有不同的活動(dòng)性可以參考，在阿舍勒礦主要依據(jù)施密特?cái)?shù)和輻射能比(Es/Ep)的變化作出評(píng)估。頻繁發(fā)生的大事件通常有以下前兆：首先應(yīng)力增大，隨后應(yīng)力減小并且同震變形加速增大。因此，微震粘滯性減小，擴(kuò)散性增大，在失穩(wěn)發(fā)生前可以看到施密特?cái)?shù)急劇減小的現(xiàn)象。當(dāng)介質(zhì)性質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，他們的比值發(fā)生變異，通常表現(xiàn)為輻射能比降低(見圖4)。

從圖4可知，施密特?cái)?shù)和輻射能比Es/Ep隨時(shí)間進(jìn)程變化基本一致，都可以預(yù)報(bào)出微震事件，由于不同活動(dòng)性側(cè)重點(diǎn)不一樣，敏感度會(huì)有差異，因此結(jié)合兩個(gè)活動(dòng)性分析結(jié)果相對(duì)要更加準(zhǔn)確。在圖4同時(shí)急劇減小的時(shí)間有2012年11月22日、2012年11月29日、2012年12月19日和2013年1月15日，其中2013年1月15日減小急劇，變化劇烈。微震系統(tǒng)對(duì)監(jiān)測區(qū)域的預(yù)報(bào)出相對(duì)大震級(jí)的事件和時(shí)間進(jìn)程分析基本是一致的，可以對(duì)將要發(fā)生的較大震級(jí)進(jìn)行預(yù)報(bào)。微震系統(tǒng)在正常監(jiān)測期間內(nèi)，監(jiān)測出震級(jí)不小于1.0的微震事件共5個(gè)，其中最大事件震級(jí)為1.5(見圖5)。

3.2 微震監(jiān)測預(yù)測分析

(1) 頻次分析。從圖6可知，在過去的3個(gè)月內(nèi)，巖體中地壓活動(dòng)突出發(fā)生在0～1點(diǎn)區(qū)段，其次是15～17點(diǎn)區(qū)段，其他時(shí)間段所產(chǎn)生的微震事件數(shù)差不多。因此，中短期預(yù)測在0～1點(diǎn)間和15～17點(diǎn)間要注意地壓活動(dòng)情況，及時(shí)預(yù)報(bào)分析，避免地壓災(zāi)害。

表1 人工爆破精度調(diào)試結(jié)果

圖5 微震預(yù)報(bào)事件立體圖

圖6 礦山微震事件24小時(shí)累積分布

(2) 計(jì)算b值。通過對(duì)礦山3個(gè)月的監(jiān)測數(shù)據(jù)分類，每間隔半個(gè)月計(jì)算一個(gè)b值。根據(jù)古登堡-里克特的頻度震級(jí)關(guān)系式，即：lgN=a-bM，b值計(jì)算結(jié)果見表2，變化趨勢見圖7。從圖7可以看到，在11月下半個(gè)月b值開始減小，到12月前半月又開始升高，隨后又減小，到一月份b值慢慢再上升，可以預(yù)測隨后將要發(fā)生的大震級(jí)事件比例會(huì)有所減少。

表2 b值計(jì)算結(jié)果

圖7 b值變化趨勢

4 結(jié) 論

微震監(jiān)測技術(shù)是一種監(jiān)測及預(yù)警地壓災(zāi)害的先進(jìn)技術(shù)，尤其是在礦山安全管理中可發(fā)揮重要的作用。微震監(jiān)測系統(tǒng)根據(jù)一段時(shí)間的監(jiān)測數(shù)據(jù)可分析和預(yù)測潛在的不穩(wěn)定區(qū)，預(yù)測巖層破壞趨勢，有助于了解巖層破壞機(jī)理，為礦山采取相應(yīng)的安全管理、開采設(shè)計(jì)、安全防范和處理措施提供了科學(xué)根據(jù)。

本套微震監(jiān)測系統(tǒng)為IMSI公司第七套多通道全天侯、全數(shù)字型微震監(jiān)測系統(tǒng)。充分利用該微震監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，進(jìn)行深入研究，對(duì)阿舍勒銅礦的采場和采空區(qū)監(jiān)測及預(yù)警起到了重要的指導(dǎo)作用。當(dāng)然，要建立起能夠有效地長期指導(dǎo)礦山安全生產(chǎn)的微震監(jiān)測系統(tǒng)是一項(xiàng)艱巨的工作，在處理分析微震系統(tǒng)所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)并利用分析結(jié)果對(duì)礦山生產(chǎn)作業(yè)進(jìn)行合理指導(dǎo)方面，今后還有許多工作要做。

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