某深井礦山地壓災害綜合監測技術研究*

胡文達 ,劉曉輝 ,王貽明

(1.北京科技大學 土木與環境工程學院， 北京 100083； 2.中色非洲礦業有限公司， 北京 100083)

0 引 言

由于淺部金屬礦產資源即將消耗殆盡，目前我國大部分金屬礦山已經或即將進入深部開采[1]。隨著開采深度的延伸，礦山回采將遇到高應力、大變形等一系列地壓問題，這些問題是造成深部開采動力災害的主要原因[2]。因此，對深井開采地壓活動規律的監測與研究顯得尤為必要，目前礦山動力災害的監測手段主要包括常規的壓力-位移監測，聲發射監測以及微震監測技術。應用情況表明[3,4]：微震監測技術對大范圍開采巖體地壓活動規律的實時監測具有顯著的優勢，但對局部小范圍關鍵工程的控制精度仍難以滿足生產的要求。而巖體壓力-位移數據的監測盡管是間斷和靜態的，但仍具有重要的工程實用價值，是對微震監測系統的有益補充。

某深井礦山采深超過1300 m，為了控制和防止深部資源開采過程中采動災害的發生，礦山在建立常規壓力-位移監測網絡的同時，引進了微震監測系統[5]。本文利用ISS微震監測系統獲取開采區域的巖體活動信息，同時配合靜態壓力-位移監測，通過對多種手段獲得的監測結果進行多元耦合分析，及時掌握開采區域圍巖穩定性變化，指導礦山安全生產。

1 工程背景

礦體賦存于下石炭統擺佐組上部粗晶白云巖中，礦體頂、底板與圍巖界限清楚，沿層產出。礦體產狀與地層一致，走向北20°～40°東；傾向南東，傾角61°～63°。礦體水平厚度2.5～18.8 m，平均水平厚度9.93 m。平面上為中部厚大，沿走向端部變薄或分枝尖滅；剖面上為上部薄或分支尖滅；向深部逐漸變厚。礦體工業儲量位于1571 m以下，儲量計算底界標高1167 m。工程地質調查結果顯示，開采區域巖體穩定性較差，且具有中等-強烈的巖爆傾向性，在開采過程中應注意巖爆等采動災害的防治[6,7]。

采用上向水平進路膏體充填采礦法進行回采，階段高60 m，分層高3 m，礦體被采出后，利用高濃度尾砂膠結充填處理空區[8]。每分層沿礦體走向布置2～3個盤區，長約60～80 m，寬為礦體厚度。對于中間厚大礦體，按照先礦房后礦柱兩步驟回采，采場垂直礦體走向布置；對于兩端薄礦體，則布置沿礦體走向的進路一次性回采。

2 監測系統構建

2.1 微震監測系統的構建

微震監測系統包括硬件和軟件兩部分，硬件系統由地震傳感器、數據采集單元地震儀、井下通信控制中心、地面監測控制中心及終端用戶計算機等組成。軟件系統包括實時監測軟件RTS，地震學分析軟件JMTS及地震活動可視化解釋分析軟件JDI[9]。系統通過傳感器采集微震信號并進行前置放大，信號經電纜傳輸傳至井下數據交換中心，再由光纖轉發器傳輸至地表監控室，最后通過終端計算機內安裝的JMTS及JDI等軟件實現對微震信號的量化處理及可視化分析。系統監測核心范圍為1451～1331 m中段，同時兼顧1511～1451 m中段，經過人工震源定位測試，系統定位精度的最大誤差為8 m，最小誤差僅為0.3 m，可保證監測數據的真實性和可靠性[10]。

2.2 常規應力位移監測網絡

巖體壓力監測采用振弦式鉆孔應力計，安裝時將傳感器設置于Φ45 mm鉆孔中2 m深位置處。應力計所監測的不是巖體中的絕對應力，而是反映巖體中的應力隨時間的變化值。巖體位移監測采用多點位移計，所觀測的參數是沿埋設多點位移計鉆孔的軸向位移[11]。

由于礦體底部出礦工程巷道斷面大，布置形式復雜，受回采擾動的影響大，而且承擔礦體頂板的壓力。因此，應力位移監測工作的重點為底部出礦工程。根據此原則，地壓監測測點布置如下：在1331,1345,1369,1391 m水平兩端出礦巷道附近分別布置兩個監測區域，每個區域安裝3套鉆孔應力計及2套多點位移計，其中1#，2#，3#應力計分別監測巖層走向，鉛垂方向以及垂直巖層走向上的壓力；1#，2#位移計分別監測巖層走向及垂直走向上的位移變化。

3 基于微震監測信息的地壓活動分析

微震活動是礦巖變形、裂紋擴展過程中的伴生現象，它與礦巖的力學行為密切相關。因此，微震信號中包含了大量關于圍巖受力破壞以及地質缺陷活化過程的有用信息[12]。

3.1 地壓活動區圈定

微震監測系統可對大范圍開采區域巖體的地壓活動規律進行動態的實時監測，接收到的地震事件通過JDI軟件在地層模型中三維顯示，如圖1所示，球體表示地震事件，球的位置為地震震源位置，球的顏色由深到淺分別表示地震事件發生的先后時間。

圖1為2007年8～12月系統監測情況，從圖中可觀察到地震事件主要集中在兩個區域。區域1中微震活動主要分布于1565 m水平附近，而區域2中微震事件則集中在1331～1391 m水平，同時1261 m水平也產生了少量微震事件。對比井下采掘計劃可知，研究期間內井下正在回采1565 m中段以及1331中段，同時，1261 m中段有少量采準工程正在施工。由此可知，微震活動主要與井下采掘活動緊密相關，礦體開采導致局部巖體應力集中，從而引起其內部裂隙的貫通、擴展，并以地震波的形式釋放。本文中主要針對區域2中的微震活動進行分析，利用系統JDI軟件對該區域進行圈定，并過濾其它數據的干擾，如圖1所示。

圖1 地震事件集中區的圈定

3.2 地壓活動規律分析

針對圈定活動區內微震事件，利用系統后處理程序JMTS對事件進行地震學量化分析，從而得到一系列的微震參數，如微震事件數N，微震能量E，視在體積(Apparent volume)VA，能量指數EI等[10]。N表示一定時間域內系統記錄到的微震活動次數，其值越大，表示微震活動越活躍;視體積VA用于對巖體的同震非彈性變形進行精確描述，其值越大，則區域巖體的變形越大。實際應用情況表明：上述兩參數對于不同地質情況均具有較好的適應性，一般通過對其累計量的時間序列曲線CNE(Cumulate number of events)以及CAV(Cumulate apparent volume)的變化特征來研究井下地壓活動規律[13-14]。1331 ～1391 m水平在2007年8 -12月之間微震活動的CNE及CAV曲線(見圖2)。基于現場采掘活動及聲發射理論分析可知：其變化具有以下三種特征，并分別對應不同的巖石破壞階段。

(1) 平靜期。在此期間內，微震活動較少，CNE及CAV曲線呈恒定不變的趨勢。該過程等同于巖體的初始受載階段，即開采活動導致原巖應力變化，圍巖應力集中，但由于受載較小，僅造成其內部裂隙閉合，而不產生新的裂隙，因此微震活動較為平靜。此時巖體是穩定的。

(2) 穩定期。某些時段微震活動表現平穩增加的特點，即微震事件隨機發生且相互獨立，其具體表現為CNE及CAV曲線隨時間呈線性增加。如圖2中10 月13～20日，這表明隨著回采進路向前推進，空區面積變大，從而導致圍巖應力集中加劇，其內部裂隙開始發展，貫通，同時伴隨一定量的微震活動。該過程相當于巖石的彈性變形階段，屬于巖體裂隙的穩定擴展階段，此時巖體是穩定的。

(3) 突發期。微震活動并不總是保持平穩狀態，有些時候微震事件會頻繁發生，呈現出突然增大的特征，其反映了區域內某一局部巖體應力的增強變化。圖2中9月6～13日及12月12～16日，微震活動表現較為平靜后以震群的形式密集發生，CNE及CAV曲線明顯變陡，且持續近一周的時間。這種突發特征是巖體裂紋發生貫通的前兆特征，即巖體處于裂隙的不穩定擴展階段，巖體即將發生宏觀破壞。

以上分析表明：微震活動與巖體受載過程中的性狀變化緊密相關，通過觀察微震活動在時間上的變化趨勢，可以推斷巖體所處的破壞階段，進而對其穩定性做出評價。但由于井下工程布置復雜，地質條件多變，微震活動存在一定的隨機性，同時，由于系統固有誤差，微震技術對于大范圍巖體活動的監測具有優勢，而對于局部關鍵工程的控制精度仍難以滿足生產的要求。

圖2 2007年8～12月CNE及CAV曲線

4 壓力位移監測結果分析

對1369 m分段在2007年8～12月間的壓力位移監測信息進行了統計，并制作了相應的時間序列曲線，如圖3所示。

由圖3(a)可知，三個方向上的壓力在監測初始階段上下波動，起伏較大，經過一段時間后呈總體增加的趨勢。其中，沿礦體走向的應力變化最為明顯，這說明開采活動中，圍巖在走向方向受到的影響最大，究其原因，主要是由于采場垂直構造主應力(礦體走向)布置，使得圍巖周邊應力分布極不均勻，從而產生了較大的水平壓力，并導致圍巖在走向方向上產生了較為明顯的位移，如圖3(b)所示。為改善圍巖的受力狀態，應將進路方向調整為與構造主應力方向一致，即沿走向布置。

由圖3(a)可知，監測過程中，壓力值出現了幾次先增大再減小的反復變化，這可能是由于開采后利用膏體充填處理空區，導致巷道圍巖的應力集中情況得到改善，從而表現出壓力值降低。但隨著上分層礦體的回采，圍巖應力集中加劇，壓力值再次增大。在如此反復加載過程中，圍巖內部損失逐漸累積，并表現出一定的位移變化，如圖3(b)所示，觀察發現，在12月之前，應力量雖有起伏，但位移量平穩增加，說明巖體活動是穩定的；但此后壓力值持續減小，而位移值呈現出陡增的趨勢，這種變化趨勢預示著巖體已經進入失穩破壞階段，應立即采取加強支護等相應措施。

圖3 監測數據的時間序列分析

研究表明：通過對“壓力-位移”監測數據的時間序列分析，可以在一定程度上推斷巖體活動的變化規律。但由于其具有間斷、靜態監測的缺點，往往導致巖體穩定性評價滯后，對實際生產的意義不大。

5 監測信息耦合分析

通過對微震信息及壓力-位移數據的綜合分析來判斷巖體的穩定性是更為準確可行的方法。根據前述研究結果，結合礦山地震學理論[15-17]，提出了4個基于“微震-應力”耦合關系來評價巖體穩定性的判別模式。

5.1 “微震-應力”耦合模式

(1) “平靜-升壓”模式。該模式中應力升高，但微震活動較為平靜。這時雖然巖體應力不斷升高，但還沒有超過歷史最大應力，因此巖體內部并沒有新的損傷擴展，微震活動較少，CNE及CAV曲線表現為恒定不變，此時巖體較為穩定。

(2) “穩定-升壓”模式。該模式下圍巖應力不斷升高，微震活動相對活躍，CNE及CAV曲線呈線性增加。此時巖體內部壓力增大，但還沒有達到巖石的極限承載力，其內部裂隙呈穩定擴展，巖體是穩定的。

(3) “突發-卸壓”模式。巖體在該監測期內，應力持續下降，而微震活動卻非?；钴S，CNE及CAV曲線呈陡增趨勢。這說明此時巖體中的應力已超過了歷史最大應力，巖體本身已破壞，因而承載力不斷下降，故監測到的巖體內部應力值也持續下降。此時要特別巖體的位移變化，若位移出現突然加速趨勢，說明巖體即將進入失穩階段。

(4) “平靜-卸壓”模式。該模式中，監測到的壓力值不斷減小，微震活動也較為“平靜”，這相對于巖體加載后的卸載過程，在實際生產中則對應于采場充填后圍巖應力集中得到改善，由此可以判定巖體是穩定的。

5.2 巖體穩定性評價的一般模式

根據研究結果，建立了通過微震活動及應力位移監測信息進行巖體穩定性評價的一般模式。首先，通過監測系統獲取大范圍微震活動的空間分布，并利用系統可視化工具圈定地壓活動集中區。然后對集中區內微震事件進行量化處理，分析其地震學參數的時間變化過程，同時結合關鍵工程處的應力位移信息，通過對多元監測信息的耦合分析，判斷區域巖體的穩定性。

5.3 應用實例

2007年12月左右，研究實例的巖體內壓力持續降低，而微震活動較為活躍，CNE及CAV曲線出現突增的異常，同時，圍巖位移也表現出明顯增大的趨勢。綜合分析后推斷：1369 m水平巷道與出礦道相交的丁字口區域在近期可能發生失穩破壞，提出采用管縫錨桿及長錨索進行加強支護。結果在12月9日早班，該區域出現了局部小規模的冒落現象，且頂板巖體出現斷裂。應用實踐表明：該方法綜合考慮了巖體破壞過程中的微震及應力應變信息，避免了單種監測手段的局限性和偶然性，有效提高了采動災害的預警精度。

6 結 論

(1) 生產礦山微震活動與采掘活動緊密相關，并呈平靜期、穩定期及突發期3種特征交替變化，其分別對應圍巖裂隙壓密、彈性變形以及失穩破壞的破壞階段。

(2) 開采活動中，圍巖在走向方向受到的影響最大，為改善圍巖的受力狀態，應將回采進路方向調整為與構造主應力方向一致，即沿走向布置。

(3) 提出了4種基于“微震-壓力”耦合關系來評價巖體穩定性的判別模式。其分別為：“平靜-升壓”、“穩定-升壓”、“突發-卸壓”以及“平靜-卸壓”模式，其中“突發-卸壓” 模式說明巖體即將進入失穩階段，可以作為采動災害的預警標志。

(4) 該聯合監測方法綜合考慮了巖體破壞過程中的微震及應力應變信息，避免了單種監測手段的局限性和偶然性，有效提高了采動災害的預警精度。

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