基于微震的地壓災(zāi)害預(yù)警體系構(gòu)建與應(yīng)用研究

郭曉強(qiáng) 王 果 唐紹輝 皇甫風(fēng)成 栗盼平 鐘志強(qiáng)

（1.紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司，福建 上杭 364200；2.新疆哈巴河阿舍勒銅業(yè)股份有限公司，新疆 哈巴河 836500）

大量非煤礦山隨著開采深度的增加，深部礦巖體處于“三高一擾動(dòng)”的不利力學(xué)環(huán)境中，導(dǎo)致開采過(guò)程中諸如巷道變形開裂、采場(chǎng)冒頂垮塌甚至巖爆等現(xiàn)象頻發(fā)，影響礦產(chǎn)資源的安全開采、制約礦山經(jīng)濟(jì)效益的提高［1-3］，為此出于自身需要與國(guó)家政策要求，普遍開展了地壓監(jiān)測(cè)，但應(yīng)用效果參差不齊，結(jié)合礦山地壓特點(diǎn)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析、達(dá)到預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)地壓災(zāi)害是當(dāng)前主要研究目標(biāo)。

為了達(dá)到預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)深部開采中的地壓災(zāi)害，基于微震監(jiān)測(cè)，眾多學(xué)者和研究人員采用多種理論和方法進(jìn)行了大量研究。竇林名等［4-5］基于動(dòng)靜載理論，分別構(gòu)建了時(shí)間與空間序列的沖擊變形能指數(shù)，提出了短臨預(yù)測(cè)時(shí)空動(dòng)載的“沖擊變形能”預(yù)警方法；唐禮忠等［6-8］采用地震學(xué)理論擬合對(duì)比某銅礦深部微震數(shù)據(jù)，研究了部分定量地震學(xué)參數(shù)與巖爆的相關(guān)性，建立了礦山巖爆的礦山地震剛度預(yù)測(cè)方法；楊承祥等［9］采用量化地震學(xué)原理圈定地壓集中區(qū)，揭示時(shí)空變化規(guī)律，預(yù)警隔離礦柱和采場(chǎng)的地壓活動(dòng)狀況；劉建坡等［10］在紅透山銅礦對(duì)微震活動(dòng)性與采礦活動(dòng)之間的關(guān)系、空間規(guī)律進(jìn)行了分析，并采用累積視體積和能量指數(shù)對(duì)巖爆活動(dòng)進(jìn)行了預(yù)測(cè)研究；張楚旋等［11］基于微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)提出了兩組定量地震學(xué)參數(shù)，配合b值等參數(shù)建立微震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)的一般模式，應(yīng)用到某磷礦巖體穩(wěn)定性預(yù)測(cè)。

上述研究立足于礦山現(xiàn)場(chǎng)，采用動(dòng)靜載、突變、分形等理論分析，建立了多種以地震學(xué)參數(shù)趨勢(shì)特征、前兆規(guī)律為基礎(chǔ)的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法與模型，并進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，不同程度地達(dá)到了預(yù)警地壓災(zāi)害的預(yù)期目標(biāo)；但普遍存在采用單個(gè)或有限的幾個(gè)參量用于判定是否符合預(yù)警條件與模型，而單個(gè)參量旨在突出某個(gè)因素，采用其他參量時(shí)不一定滿足預(yù)警條件，造成以偏概全。因此本項(xiàng)目在以上研究基礎(chǔ)上，構(gòu)建的基于微震的預(yù)警體系綜合考慮時(shí)間、空間以及定量地震學(xué)參數(shù)的活動(dòng)性規(guī)律、預(yù)警前兆，并結(jié)合礦山實(shí)際發(fā)生的地壓災(zāi)害進(jìn)行應(yīng)用效果檢驗(yàn)，為同類型深井地壓災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)提供參考和依據(jù)。

1 工程背景

阿舍勒銅礦隸屬紫金礦業(yè)集團(tuán)新疆哈巴河阿舍勒銅業(yè)股份有限公司，是集采選為一體、儲(chǔ)量大、品位高、采礦方法先進(jìn)、機(jī)械化程度高的國(guó)內(nèi)知名礦山，主采黃鐵礦型銅、鋅、鉛多金屬，主、副豎井及斜坡道聯(lián)合開拓方式，主要采用大直徑深孔空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ā⒅猩羁追侄舞弾r階段出礦嗣后充填法采礦。該礦經(jīng)過(guò)十多年的開采，主采區(qū)域開采深度達(dá)到900 m，地壓顯現(xiàn)逐漸突出，根據(jù)國(guó)家相關(guān)政策要求與自身安全管理方面的需要，2012年在一期工程引進(jìn)了澳大利亞IMS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，2016年在二期工程安裝了中科微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)、連續(xù)、在線監(jiān)測(cè)開采擾動(dòng)導(dǎo)致的地壓活動(dòng)，為礦山安全高效開采提供保障。

在微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行有效微震事件波形特征分析，建立了有效微震事件庫(kù)，2017-04-16—2017-12-31基本統(tǒng)計(jì)：有效微震事件數(shù)6 571，震級(jí)M=-5.98～0.92，地震矩對(duì)數(shù)lgM=6.2～11.4，能量對(duì)數(shù)lgE=-4.2～6.2。

礦山開采是地壓活動(dòng)致災(zāi)最直接的誘發(fā)因素，對(duì)采動(dòng)影響下礦巖體活動(dòng)致災(zāi)機(jī)理進(jìn)行研究，可以奠定地壓災(zāi)害發(fā)展過(guò)程前兆信息辨識(shí)的理論基礎(chǔ)。

根據(jù)采動(dòng)誘發(fā)采場(chǎng)區(qū)域微震力源類型［12-13］，礦巖體活動(dòng)誘發(fā)地壓災(zāi)害可基于力源對(duì)其所起直接、間接關(guān)系分為兩類：一類是采動(dòng)影響下采場(chǎng)礦巖系統(tǒng)所承受應(yīng)力、所積聚彈性能超過(guò)其極限從而直接造成巖體斷裂、冒落等，即礦巖體穩(wěn)態(tài)誘災(zāi)；另一類是采動(dòng)影響下采場(chǎng)礦巖體系統(tǒng)處于擾動(dòng)后依然穩(wěn)定，但是應(yīng)力重新平衡中導(dǎo)致覆巖層運(yùn)動(dòng)、礦柱破壞、斷層活化等形成的遠(yuǎn)場(chǎng)動(dòng)載荷擾動(dòng)，其以球形應(yīng)力波形式往外圍傳播，沖擊動(dòng)載荷與原礦巖系統(tǒng)靜載荷疊加后致使平衡被打破，從而間接造成采場(chǎng)巖體斷裂、冒落等，即礦巖體動(dòng)態(tài)誘災(zāi)。

阿舍勒銅礦礦巖體呈強(qiáng)礦體/下盤、弱上盤的強(qiáng)度特征，而且相對(duì)其他硬巖礦山，其礦、圍巖體強(qiáng)度普遍偏低，呈次硬巖特征。結(jié)合“三準(zhǔn)則”分析［14］，阿舍勒銅礦在采動(dòng)影響下，會(huì)呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)誘災(zāi)模式為主、穩(wěn)態(tài)誘災(zāi)模式為次、受爆破影響明顯的特征，且動(dòng)力災(zāi)害強(qiáng)度相對(duì)較弱。

因此，對(duì)于采動(dòng)影響下的微震活動(dòng)性規(guī)律研究是地壓災(zāi)害預(yù)警的關(guān)鍵。

2 微震活動(dòng)性因素分析

對(duì)阿舍勒銅礦有效微震事件庫(kù)進(jìn)行微震時(shí)空強(qiáng)活動(dòng)性分析研究，主要考慮時(shí)間序列及其強(qiáng)度因子、空間演化及其強(qiáng)度因子、定量地震學(xué)參數(shù)。為便于后續(xù)預(yù)警體系的構(gòu)建，選取時(shí)間、空間與定量地震學(xué)分析的各種因素，并根據(jù)各因素的定義、數(shù)學(xué)模型、物理意義，確定其趨勢(shì)特征，總結(jié)其高低值特征揭示的地壓活動(dòng)性規(guī)律。

2.1 時(shí)間序列及其強(qiáng)度因子

從微震時(shí)間序列角度分析其日累積釋放能量與頻次的變化規(guī)律，對(duì)礦山巖體穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)意義重大，強(qiáng)震誘發(fā)地壓災(zāi)害顯現(xiàn)現(xiàn)象往往發(fā)生在持續(xù)高值或急劇上升的活躍期：時(shí)間區(qū)間內(nèi)微震能量與頻次持續(xù)3 d及以上高于平均值，且無(wú)明顯交替釋放過(guò)程。典型活躍期見圖1。

為量化并評(píng)價(jià)有效微震事件在時(shí)間序列中的強(qiáng)度因子，引入時(shí)序集中度指標(biāo)［15-16］。一定時(shí)間區(qū)間內(nèi)，微震事件在時(shí)間序列上的密集程度與地壓災(zāi)害可能性呈正相關(guān)關(guān)系。為量化并評(píng)價(jià)該前兆信息，通過(guò)計(jì)算相鄰微震事件發(fā)生的時(shí)間間隔來(lái)定義時(shí)序集中度：

Q時(shí)=0為周期性發(fā)震，0

2.2 空間演化及其強(qiáng)度因子

從微震空間演化過(guò)程來(lái)分析其三維空間—中段平面的變化規(guī)律，可以提高對(duì)地壓災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警的效率，強(qiáng)震誘發(fā)地壓災(zāi)害顯現(xiàn)現(xiàn)象往往發(fā)生活躍區(qū)域：時(shí)間區(qū)間內(nèi)區(qū)域微震強(qiáng)度與集中程度上升趨勢(shì)急劇。典型活躍區(qū)域見圖3。

微震在空間分布上愈密集表征地壓災(zāi)害可能性愈大，為了量化微震集中程度這一前兆信息，引入震中集中度指標(biāo)［17-18］。

假設(shè)∑為震中坐標(biāo)參量x、y、z的協(xié)方差矩陣，X=（x，y，z）T，各參量組成的期望矩陣u=（u1，u2，u3）T。

式中，d為常量。

若u=0，則

式中，λ1、λ2、λ3為∑的特征根，Y1、Y2、Y3為其主成分。則式（3）為（x、y、z）正態(tài)分布的等概率密度橢球體方程，橢球體積越大，包絡(luò)震中樣本越離散，反之亦然。

結(jié)合式（3）、式（4）可知，Q空越小，橢球體越小，震中樣本越集中，地壓災(zāi)害可能性越大。

時(shí)間區(qū)間內(nèi)空間上震中集中度分布見圖4，其中Q空低值區(qū)表征現(xiàn)場(chǎng)地壓顯現(xiàn)可能性較大。

2.3 定量地震學(xué)參數(shù)

由于微震機(jī)制類似于地震［13］，采用定量地震學(xué)參數(shù)對(duì)礦山微震進(jìn)行研究合理可行，并逐漸成為礦山微震研究的一個(gè)主流方向，常用的參數(shù)如b值、βn值、η值、CUFIT模型等［19］。

2.3.1 b值

b值是研究微震活動(dòng)性規(guī)律最常用的預(yù)警指標(biāo)。揭示地震頻次和震級(jí)之間冪率關(guān)系的Gutenburg-Richter公式：

式中，b值表征大小地震事件的比例關(guān)系。因此在礦山微震研究中，b值越小，大震級(jí)礦震所占比例大，礦震強(qiáng)度高，誘發(fā)地壓顯現(xiàn)的可能性就會(huì)越大。采用最小二乘法計(jì)算：

式中，m為震級(jí)分檔總數(shù)；Mi為第i檔震級(jí)；Ni為第i檔震級(jí)的實(shí)際頻次。

時(shí)間區(qū)間內(nèi)b值分布見圖5，其中低b值區(qū)表征現(xiàn)場(chǎng)地壓顯現(xiàn)可能性較大。

2.3.2 βn值

包含異常活動(dòng)性的微震事件序列全過(guò)程可以看作是具有強(qiáng)度函數(shù)λ（t）的非齊次泊松過(guò)程。引入統(tǒng)計(jì)量βn（t，δ），描述λ（t）在某子區(qū)間和其余部分之間微震活動(dòng)率的差異程度，定義βn的數(shù)學(xué)模型為

式中，Δt為子區(qū)間［t-Δt，t］的時(shí)間長(zhǎng)度；n（t，Δt）為子區(qū)間中的微震頻次；N為微震總數(shù)。

將區(qū)間［0，t］歸一化處理為［0，1］，則Δt小于1，且Δt=1時(shí)，βn=0。由式（7）可知，Δt＜0.5時(shí)，區(qū)間越小、微震頻次高時(shí)，βn越大，表征微震活動(dòng)率大，地壓災(zāi)害可能性也就越大。

時(shí)間區(qū)間內(nèi)βn值分布見圖6，其中高βn值區(qū)表征現(xiàn)場(chǎng)地壓顯現(xiàn)可能性較大。

2.3.3 η值

對(duì)于震級(jí)—頻次曲線與G-R直線偏離程度可以引入η值［20］進(jìn)行評(píng)價(jià)，定義η值的數(shù)學(xué)模型為

式中，X=M-Mmin，Mmin為微震事件集合中震級(jí)最小值。

礦山巖體破裂呈無(wú)序化時(shí)，η值越大表明偏離程度越大，大震級(jí)事件越多，地壓災(zāi)害可能性也就越大。

時(shí)間區(qū)間內(nèi)η值分布見圖7，其中高βn值區(qū)表征現(xiàn)場(chǎng)地壓顯現(xiàn)可能性較大。

2.3.4 CUFIT模型

為了描述并評(píng)價(jià)微震事件序列中累積能量與釋放過(guò)程的分布特征，提出CUFIT模型［19］，定義CUFIT的數(shù)學(xué)模型為

式中，Ej為第j個(gè)微震事件的能量；為時(shí)間區(qū)間內(nèi)的平均微震能量；（ai-1-bi-1）表示對(duì)CUSUMi前所有值作擬合的趨勢(shì)項(xiàng)。

根據(jù)已有研究，強(qiáng)震發(fā)生前后，CUFIT值明顯偏離平均變化率，表征微震活動(dòng)性偏離正常水平，為異常特征。

時(shí)間區(qū)間內(nèi)CUFIT模型分布見圖8所示，其中CUFIT值急劇積累至高值區(qū)后下降符合預(yù)警趨勢(shì)，表征現(xiàn)場(chǎng)地壓顯現(xiàn)可能性較大。

3 預(yù)警體系構(gòu)建與效果檢驗(yàn)

根據(jù)微震活動(dòng)性分析中涉及的時(shí)間、空間、定量地震學(xué)參數(shù)，構(gòu)建基于微震的地壓災(zāi)害預(yù)警體系。

3.1 時(shí)間因子f1

包含活躍期判定因素x1，時(shí)序集中度Q時(shí)判定因素x2，該指標(biāo)的數(shù)學(xué)模型為

式中，A1為根據(jù)微震活動(dòng)性分析中時(shí)序集中度Q時(shí)分布特征預(yù)設(shè)的臨界值。

3.2 空間因子f2

包含活躍區(qū)域判定因素y1，震中集中度Q空判定因素y2，該指標(biāo)的數(shù)學(xué)模型為

式中，A2為根據(jù)微震活動(dòng)性分析中震中集中度Q空分布特征預(yù)設(shè)的臨界值。

3.3 定量地震學(xué)因子f3

包含b值判定因素z1，βn值判定因素z2，η值判定因素z3、CUFIT模型判定因素z4，該指標(biāo)的數(shù)學(xué)模型為

式中，A3、A4、A5分別為根據(jù)微震活動(dòng)性分析中b值、βn值、η值分布特征預(yù)設(shè)的臨界值。

3.4 綜合判定函數(shù)

對(duì)于是否進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)地壓災(zāi)害預(yù)警，綜合考慮以上時(shí)間因子f1、空間因子f2、定量地震學(xué)因子f3，提出基于微震監(jiān)測(cè)的地壓災(zāi)害預(yù)警判定目標(biāo)函數(shù)：

F=0，綜合決策結(jié)果為微震活動(dòng)性正常，不需要預(yù)警；F≠0，綜合決策結(jié)果為微震活動(dòng)性異常，需要預(yù)警；且F值越大，表征預(yù)警等級(jí)越高，現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生地壓災(zāi)害的可能性更大。

構(gòu)建的基于微震的地壓災(zāi)害預(yù)警體系見圖9。

根據(jù)阿舍勒銅礦微震活動(dòng)性因素分析，以半月為時(shí)間區(qū)間進(jìn)行預(yù)警體系的應(yīng)用，并綜合決策進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警，見表1。

其中各因素的預(yù)設(shè)臨界值即預(yù)警預(yù)設(shè)值的確定原則與方法：①根據(jù)其定義、數(shù)學(xué)模型、物理意義，在微震活動(dòng)性因素分析中確定的趨勢(shì)特征、總結(jié)的高低值特征揭示的地壓活動(dòng)性規(guī)律；②根據(jù)其分布情況與現(xiàn)場(chǎng)地壓顯現(xiàn)情況進(jìn)行時(shí)間區(qū)間上的擬合，結(jié)合已有的實(shí)驗(yàn)室研究與分析者經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步確定。結(jié)果見表2。

結(jié)合礦山現(xiàn)場(chǎng)地壓臺(tái)賬記錄，在2017年5月下、6月上、10月下、11月上、11月下分別于350 m下盤主沿脈、150 m下盤0#～北2#穿脈、200 m下盤0#穿脈處發(fā)生過(guò)不同程度的巷道變形開裂、采場(chǎng)冒頂垮塌甚至弱巖爆等地壓災(zāi)害現(xiàn)象，其中5月下、10月下地壓災(zāi)害程度相對(duì)較強(qiáng)，即除2017年8月下未能正確預(yù)警外，其余5次預(yù)警全部正確，可見該體系預(yù)警效率高、應(yīng)用效果好。

4 結(jié)論

（1）基于現(xiàn)場(chǎng)微震監(jiān)測(cè)的有效事件庫(kù)，進(jìn)行了時(shí)空強(qiáng)微震活動(dòng)性因素分析，選取了多種物理意義清晰、數(shù)學(xué)模型明確的分析因素：時(shí)間序列及其強(qiáng)度因子Q時(shí)、空間演化及其強(qiáng)度因子Q空、定量地震學(xué)參數(shù)如b值、βn值、η值、CUFIT模型。

（2）結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)微震數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)各參數(shù)的分析，總結(jié)了各因素的高低值、趨勢(shì)特征及其揭示的地壓活動(dòng)性規(guī)律與預(yù)警特征：時(shí)序活躍期、Q時(shí)高值、空間活躍區(qū)域、Q空低值、低b值、高βn值、高η值、CUFIT模型符合急劇積累至高值后呈下降趨勢(shì)都表征現(xiàn)場(chǎng)地壓顯現(xiàn)可能性較大。

（3）綜合考慮多項(xiàng)時(shí)間、空間、定量地震學(xué)參數(shù)的預(yù)警因素，構(gòu)建了基于微震的地壓災(zāi)害預(yù)警體系，通過(guò)綜合判定函數(shù)F與各因素相關(guān)性及其預(yù)警方法進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用，預(yù)警效率高、應(yīng)用效果好。