錫林礦業采空區穩定性微震監測可行性研究

2021-03-07 08:06:52武建東彭府華

湖南有色金屬 2021年1期

武建東，彭府華

（1.內蒙古興業集團股份有限公司，內蒙古赤峰 024000；2.長沙礦山研究院有限責任公司，湖南長沙 410012）

錫林礦業朝不楞礦區鐵鋅多金屬礦位于內蒙古自治區東烏珠穆沁旗東北部。礦山從2002年開始開采，1＃、2＃號豎井主要開采北礦帶19＃和23＃礦體。礦山現有5個生產中段，中段高度40 m，從上到下分別為1～5中段，中段之間留有6 m厚的頂柱。礦房寬度25～35 m，礦柱寬度6～15 m。采用無底柱淺孔留礦法開采，平底底部結構，通過出礦進路出礦，出礦水平位于中段運輸巷道水平。通過前期多年開采，3中段以上主礦體已經開采結束，目前正在回采4、5中段［1］。

由于礦山自建礦以來一直采用淺孔留礦法開采，在上部中段留下了大量的采空區未作處理。據前期空區掃描結果顯示，3中段以上空區已接近50×104m3，并且隨著下部中段的開采，井下空區體積逐漸增大，將成為影響礦山安全生產及礦區人員財產安全最主要的危險源。與此同時，在開采過程中留下了大量的高品位間柱與頂柱，并且相對4、5中段礦石品位較高，價值較大，更是突顯了這部分殘礦回收的重要價值。如何高效回收殘礦資源，處理空區隱患，是企業目前面臨的重要問題。

1 采空區分布及地壓問題

1.1 采空區分布情況

3中段以上主礦體已經開采結束，經過前期采空區調查統計，3中段以上采空區總的暴露面積為17 818 m2，采空區體積為472 632 m3，匯總表見表1。采空區暴露面積從112～917 m2不等，從井下現場實際觀察來看采空區穩定性情況相對良好。

表1 3中段以上空區體積匯總表

1.2 面臨的地壓問題

為了回采前期預留的間柱和頂柱，目前對4中段以上部分采空區（C301、C304、C306、C310、C312、C314、C402、C404、C406等采空區）進行了充填處理。下一步計劃對已充填的空區間柱和頂柱進行回采，下一步回采殘礦面臨以下地壓問題：

1.間柱和頂柱回采過程中自身穩定性。間柱和頂柱回采前作為保安礦柱，承受了上覆巖層的壓力，起到支撐上部巖層作用。間柱和頂柱采斷過程中，局部巖體可能受應力集中影響，導致間柱和頂柱發生失穩。

2.殘采礦柱對其它相鄰礦柱穩定性影響。某一間柱和頂柱回采結束后，受應力調整和重分布影響，其它相鄰礦柱受力可能會增加，導致礦柱出現破壞。

3.上覆巖層移動變形和整體來壓。按照后期殘采計劃，對井下大部分間柱和頂柱進行回采再嗣后充填，大體積充填體將取代原生礦柱來支撐上覆巖層，充填體的強度遠遠小于原生巖體強度，再加上充填過程中的充填不接頂等因素影響，可能導致上覆巖層發生整體變形，繼而導致大面積來壓，造成地表沉降變形，同時給井下深部開采帶來安全風險。

鑒于錫林礦業下一步殘采存在的殘采過程礦柱穩定性和上覆巖層和整體地壓問題，有必要對殘采過程采區穩定性進行有效的監測。根據礦山的地壓問題和國內外現有的技術，可采用目前國內外最為先進的微震監測技術對采區進行實時、立體和動態監測，保證下步殘采的安全，同時通過對殘采過程的地壓監測分析，給出地壓發展規律，為下一步殘采方案提供技術支撐。

2 多通道微震監測技術特點

微震監測技術是目前國際上最先進的地壓監測技術之一，在國內外礦山得到了較為廣泛的應用。微震監測技術和常規應力、位移監測技術相比具有實時、立體監測、高精度定位和豐富監測信息等優點［2～7］。

2.1 全天候實時監測

采用先進的通訊技術，微震監測技術可將目標區域安裝的傳感器接收到的信息實時地傳輸到監控室，從而實現監測區域的全天候實時監測。

2.2 大范圍立體監測

傳統的應力位移監測屬于“點”監測，監測結果只反應監測點的應力位移變化情況。微震監測技術是通過傳感器采集監測區域巖體破裂產生的應力波，因此，微震監測技術是在空間概念上的時間過程監測，可以實現目標區域的大范圍立體監測。

2.3 高精度空間定位

微震監測技術可以通過布置的多個傳感器對同一破裂源進行監測，將監測采集的數據進行后處理，采用走時差原理對破裂源的空間位置進行計算，可實現震源的高精度空間定位。

2.4 微震事件物理多參數分析

微震監測技術可以對微震事件多物理力學參數進行分析，比如事件數、微震事件能量、微震震級、微震視應力、震源半徑等。多參數分析可以為巖體穩定性分析提供豐富的信息，實現災害的精確監測。

多通道微震監測系統除了可以對微震事件進行波形（波譜）、總事件數與事件率的分析外，還能進行能量、震級、視應力、動應力降、靜應力降、震源半徑等物理量的量化分析，實現多參數巖體穩定性分析和地壓災害的預警研究。

2.5 遠程監測和專家會診

利用網絡通訊技術可實現全球范圍內查看監測信息，實現目標區域的遠程監控，也方便專家進行遠程會診，大大提高了監測的便捷性和實時性。

2.6 減輕監測人員的工作危險性與勞動強度

微震監測系統可以對地壓情況惡劣的區域實行無人監測，不需要地壓人員進入危險區域，避免了監測人員的工作危險性，也大大減輕了監測人員的現場監測勞動強度。

3 多通道微震監測技術方案

微震監測技術方案遵循整體包絡、重點監測的原則［8］。1＃、2＃井目前有5個開采中段，因此，微震系統建設應首先達到采區整體監測的目的，再根據局部采空區實際監測需求程度不同進行重點監測。

根據1＃、2＃井采區現有開采范圍，綜合考慮到地壓監測需求，設計1＃、2＃井采區微震監測系統為18通道，即3臺數據采集儀，每臺數據采集儀由6個通道組成，共有18個通道，攜帶18個單軸傳感器。可實現對1＃、2＃井開采范圍的全天候、實時和立體監測。

整個微震監測系統設置4個分站點，分別為2中段數據采集站點、3中段數據采集站點、4中段數據采集站點和地表辦公區地壓監控站。傳感器監測到的信號通過信號電纜分別傳輸到2中段、3中段和4中段數據采集站點。井下2中段、3中段和4中段數據采集站點通過光纜將微震信號數據傳輸至辦公區地壓監控站。監測系統的主服務器（監測分析系統）布置在辦公樓的地壓監測站內，整個系統由主服務器通過GPS實現各采集儀同步授時。并且通過互聯網，該監測系統可以實現遠距離監控功能。

采區微震監測系統的基本結構組成如圖1所示。

考慮到1＃、2＃井采區采空區、殘采礦柱的賦存特征，同時為了保證其監測效果，所布置的傳感器需形成一定密度三維立體式包陣列，對監測區域形成有效的包絡區。1＃、2＃井采區布置18個傳感器，設計2中段、3中段和4中段分別布置6個傳感器，布置平面圖如圖2～圖4所示，剖面圖如圖5所示。

4 系統監測定位效果

圖1 微震監測系統結構組成圖

圖2 2中段傳感器布置平面圖

圖3 3中段傳感器布置平面圖

圖4 4中段傳感器布置平面圖

圖5 傳感器布置剖面圖

圖6 微震事件監測定位平面圖

圖7 微震事件監測定位立體圖

經過現場安裝調試后，錫林礦業微震監測系統于2020年5月投入使用。系統運行后，通過一段時間的監測可以看出，該系統對采區微震事件定位精度較高，監測效果較好。圖6～圖8為2020年6月份爆破事件監測定位結果，可以看出，微震監測系統本月定位爆破事件個數269個，主要集中在2中下斜和5中下斜作業區域。爆破事件震級在-1.5～0.5之間，定位精度較高，定位誤差主要集中在0～24 m范圍內，在8～12 m范圍內比重最高。