天湖鐵礦地壓監(jiān)測系統(tǒng)建立及其應(yīng)用研究*

張龍，石峰 ，趙宗義，王平 ，白登榮

(1.新疆大明礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司， 新疆 哈密市 839000；2.礦冶科技集團(tuán)有限公司， 北京 100160；3.中國-南非礦產(chǎn)資源開發(fā)利用聯(lián)合研究中心， 北京 102628)

0 引言

在采礦活動(dòng)中，由于人為原因，井下原始應(yīng)力平衡被破壞，井下巖體易產(chǎn)生應(yīng)力集中，進(jìn)而引發(fā)片幫、冒頂、巖爆等一系列地壓災(zāi)害，造成設(shè)備損壞，人員傷亡等。對巖體進(jìn)行穩(wěn)定性監(jiān)測是提前預(yù)測巖體是否發(fā)生大范圍破壞，并進(jìn)行地壓管控的重要技術(shù)手段。目前，常用的巖體穩(wěn)定性監(jiān)測手段主要有應(yīng)力位移監(jiān)測[1?2]、空孔監(jiān)測[3?4]、微震監(jiān)測[5?9]等。通過對比上述監(jiān)測手段可知，應(yīng)力位移監(jiān)測、空孔監(jiān)測均屬于點(diǎn)監(jiān)測，只能反映巖體局部狀態(tài)，且具有一定局限性，無法準(zhǔn)確反映采礦過程中的巖體變化。而微震監(jiān)測技術(shù)是一種區(qū)域監(jiān)測，可以較好反映巖體整體裂隙發(fā)展情況，并具有實(shí)時(shí)、定位精度高等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外礦山[10?12]。

天湖鐵礦采礦方法為無底柱分段崩落法，目前開采區(qū)域?yàn)?40m中段的970m、955m分層。經(jīng)過現(xiàn)場勘查，該中段礦巖應(yīng)力相對比較集中，部分巷道已經(jīng)出現(xiàn)了片幫、冒頂?shù)茸冃纹茐模瑖?yán)重威脅井下安全生產(chǎn)。由于礦區(qū)的水平構(gòu)造應(yīng)力和巖體硬度均較大，巖體發(fā)生動(dòng)力災(zāi)害的幾率較高。此外，隨著開采深度的進(jìn)一步延伸，發(fā)生動(dòng)力災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)將逐漸增大，嚴(yán)重威脅礦山的安全生產(chǎn)。因此，基于微震監(jiān)測技術(shù)，建立地壓監(jiān)測系統(tǒng)，對井下巖體穩(wěn)定性進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，對動(dòng)力災(zāi)害進(jìn)行有效預(yù)警迫在眉睫。

1 監(jiān)測方案設(shè)計(jì)與優(yōu)化

針對天湖鐵礦開采過程中地壓活動(dòng)的監(jiān)測需求，結(jié)合實(shí)際開采特點(diǎn)，合理布置數(shù)值傳感器，最終建立了一套可移動(dòng)式、實(shí)時(shí)在線監(jiān)測與預(yù)警的20通道地壓監(jiān)測系統(tǒng)，包含3支三分量傳感器、11支單分量傳感器。微震傳感器的位置確定布置在天湖鐵礦1000m、940m中段，各傳感器分別安裝在脈內(nèi)巷道和脈外運(yùn)輸巷道圍巖體內(nèi)，形成一個(gè)立體的微震監(jiān)測臺網(wǎng)，將主要監(jiān)測的采場包括在其中心，使該系統(tǒng)能夠精確定位采場內(nèi)發(fā)生的微震事件，從而準(zhǔn)確掌握采場地壓活動(dòng)情況。

對目前臺網(wǎng)分析進(jìn)行事件定位誤差和靈敏度分析，其云圖分別如圖1、圖2所示。從圖1、圖2中可知，目前的微震事件定位誤差為10m左右，靈敏度為?2.6震級左右，能夠完全滿足礦山巖體穩(wěn)定性及裂隙發(fā)展需求。

2 基于監(jiān)測結(jié)果的地壓活動(dòng)分析

根據(jù)礦山實(shí)際情況，對940m中段進(jìn)行區(qū)域劃分，以955m水平為基準(zhǔn)，向上每隔15m建立一個(gè)塊體分析模型，長×寬×高為550m×150m×15m，如圖3所示。通過統(tǒng)計(jì)監(jiān)測周期內(nèi)各模塊的微震事件信息分析地壓顯現(xiàn)規(guī)律。

圖2 微震監(jiān)測系統(tǒng)靈敏度云圖

圖3 分析模型

2.1 微震事件空間分布特征

圖4為2019年監(jiān)測系統(tǒng)某周期所監(jiān)測到的微震事件空間分布。由圖4可知，該周955m水平微震事件較少，970m水平微震事件在J4～J13穿脈之間出現(xiàn)聚集，事件產(chǎn)生原因?yàn)椴傻V活動(dòng)及巖體內(nèi)應(yīng)力重分布。基于微震事件空間分布特征，圈定潛在地壓災(zāi)害危險(xiǎn)區(qū)域，經(jīng)過現(xiàn)場勘查，各970m水平采場西側(cè)巖體應(yīng)力集中，破裂比較嚴(yán)重，如圖5所示，表明該區(qū)域微震活動(dòng)較強(qiáng)，與監(jiān)測結(jié)果相一致。

圖4 各水平微震事件空間分布

2.2 重點(diǎn)區(qū)域內(nèi)地壓活動(dòng)分析

基于微震事件空間分布特征可知，970m水平微震事件數(shù)量較多，對該中段巖體穩(wěn)定性進(jìn)行重點(diǎn)分析。

圖5 970m水平采場西側(cè)巷道片幫

（1）累計(jì)視體積、能量指數(shù)分布特征。在地震學(xué)領(lǐng)域中，能量指數(shù)的增大與累積視體積的緩慢增加表明，巖體處于能量積蓄的硬化階段，巖體不易發(fā)生大范圍破壞。當(dāng)應(yīng)力進(jìn)入巖體峰值應(yīng)力之后，巖體內(nèi)部所儲(chǔ)存能量超過所能承受的能力，巖體發(fā)生破壞，表現(xiàn)為能量指數(shù)下降而累積視體積迅速增大。因此，在微震監(jiān)測中，能量指數(shù)和累積視體積能夠很好地反映巖體內(nèi)部裂隙發(fā)展的狀態(tài)和穩(wěn)定性，這兩個(gè)指數(shù)可作為巖體發(fā)生大范圍破壞的預(yù)警指標(biāo)。巖體發(fā)生大范圍破壞，通常伴隨著能量指數(shù)快速下降且累積視體積迅速增長的現(xiàn)象。

如圖6所示，監(jiān)測周期內(nèi)970m中段累計(jì)視體積呈穩(wěn)定增加狀態(tài)，變化較為平穩(wěn)，而能量指數(shù)波動(dòng)較大，表明巖體內(nèi)部能量不斷積聚與釋放，累積視體積沒有突然上升、能量指數(shù)沒有快速下降現(xiàn)象，即巖體內(nèi)部出現(xiàn)小范圍破裂，沒有發(fā)現(xiàn)巖體較大范圍失穩(wěn)前兆。經(jīng)現(xiàn)場勘查，與監(jiān)測結(jié)果相一致。

圖6 累積視體積時(shí)間與能量指數(shù)

（2）基于監(jiān)測結(jié)果的巖體應(yīng)力特征分析。微震事件的能量指數(shù)定義為該事件所產(chǎn)生的能量，與某區(qū)域內(nèi)所有微震事件產(chǎn)生的平均能量相比，能量指數(shù)與巖體破壞時(shí)的驅(qū)動(dòng)力呈正比。能量指數(shù)越大，巖體應(yīng)力越集中，巖體發(fā)生大范圍破壞的可能性越大，可以用微震事件能量指數(shù)來表征巖體受力狀態(tài)。

圖7為970m水平圍巖應(yīng)力分布情況，從圖7可以看出，J18～J20穿脈附近應(yīng)力相對較大，現(xiàn)場巖體破壞嚴(yán)重，表明基于微震事件的巖體應(yīng)力分析，可以較好地反映巖體應(yīng)力狀態(tài)及穩(wěn)定性。

圖7 巖體應(yīng)力分布云圖

3 結(jié)論

（1）基于天湖鐵礦實(shí)際開采特點(diǎn)，建立了定位誤差約為10m，靈敏度為?2.6震級的高精度微震監(jiān)測系統(tǒng)，滿足了礦山現(xiàn)場安全監(jiān)測的需求。

（2）分析各中段微震事件空間分布特征，得出970m水平微震事件在J4～J13穿脈之間出現(xiàn)聚集，圈定危險(xiǎn)區(qū)域，可較好地反映巖體狀態(tài)，與現(xiàn)場巖體破碎情況相一致。

（3）微震事件累計(jì)視體積-能量指數(shù)曲線可以反映巖體穩(wěn)定性，累計(jì)視體積迅速上升且能量指數(shù)迅速下降，可作為巖體大范圍破壞發(fā)生的前兆信息。

（4）微震事件能量指數(shù)云圖可以較好地表征巖體受力狀態(tài)，對巖體是否發(fā)生大范圍破壞進(jìn)行評估，進(jìn)而為地壓管控提供技術(shù)支持。