深部金屬礦采場頂板滑移冒落微震時空演化規律

劉 建 坡 魏 登 鋮 師 宏 旭 王 永 昕

（東北大學深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室，遼寧 沈陽 110819）

微震（Microseism，MS）監測技術是利用巖體受力變形和破壞過程中釋放出的彈性波來監測工程巖體穩定性的技術方法。由于微震信號的產生與巖體內部微破裂的萌生和擴展密切相關，因此每一個微震信號都包含著巖體內部狀態變化的豐富信息。相對于傳統的應力、變形等局部“點、線、面”觀測范圍來說，微震監測技術可以為巖體力學工作者提供更為全面的三維實“體”數據。南非、加拿大、澳大利亞等國家的金屬礦山進入深部開采階段的時間較早，自20世紀80年代，國外開始開展微震監測技術的研發及應用研究，并將其應用到礦山安全生產輔助管理方面。進入21世紀，微震監測技術逐步應用于我國深部礦山開采圍巖穩定性評估與地壓災害防控［1-6］，同時在深埋隧洞、水電站、高陡邊坡等巖石工程地質災害監測與預警中發揮了越來越重要的作用［7-9］。

深部金屬礦山由于提升、運輸、充填等開采過程成本高，為保證開采經濟性，往往以規模換效益，開采規模顯著增大，例如思山嶺鐵礦、馬城鐵礦等深部礦山設計年開采規模均超過1 000萬t，甚至達到1 500萬t。對于大規模開采的礦山，深孔或中深孔回采一次炸藥用量可以達到數百千克甚至數噸。大規模的爆破回采作業，對于附近圍巖造成強烈的擾動影響，極易誘發圍巖發生失穩破壞。李夕兵等［10］認為開采過程中造成礦巖體不穩定的因素主要來自礦體被采出時的瞬態卸荷作用及臨近采場爆破、鑿巖、出礦等動載荷擾動。紅透山銅礦（我國最深的有色金屬礦山之一）在進入1 000 m開采深度時，由爆破振動引發長達20多米巷道發生破壞；谷家臺鐵礦爆破擾動誘發采場大體積塌方，停產6 a，經濟損失嚴重；錦屏二級水電站深埋隧洞受爆破擾動發生時滯性巖爆，巖爆破壞范圍高2～4 m，長30 m，最大坑深達0.9 m。

采場頂板冒落破壞規模大，會造成嚴重的礦石貧化并影響開采進度，是深部開采中需要重點防控的巖體災害之一。本研究以阿舍勒銅礦深部采場頂板冒落為例，系統分析爆破擾動誘發采場頂板滑移性破裂過程的微震時空演化特征，揭示災害孕育誘發因素與發生機制，為同類地壓災害防控提供借鑒。

1 阿舍勒銅礦開采現狀及深部采場冒落過程

阿舍勒銅礦位于新疆維吾爾自治區，銅工業儲量近92萬t，為我國第2大銅礦，目前開拓深度1 200 m，開采深度為900 m，日產礦石量6 000 t。地應力測試結果表明：該礦一定深度范圍內以構造應力控制為主，且隨著埋深增加而增加。埋深800 m處的最大主應力超過30 MPa，水平構造應力接近垂直應力的1.5倍。采礦方法主要為大直徑深孔空場嗣后充填采礦法（VCR法），單次爆破炸藥從數百千克到數噸不等。在初始高地應力和強開采擾動條件下，采場圍巖多次發生片幫、冒落等地壓災害，對工作人員的安全構成了極大威脅，嚴重干擾了礦山正常生產。因此，該礦于2017年構建了高精度微震監測系統，實時捕捉深部開采誘發圍巖破裂的時空分布及演化信息，為深部開采地壓災害防控提供數據支撐。微震設備采用中科微震監測系統，采樣頻率為0.25～4 kHz，傳感器靈敏度為（80±5%）V/m/s，可實現監測數據自動收集、自動分析和自動定位。監測過程共采用28個傳感器（其中24個單向傳感器，4個三向傳感器），根據現場巷道實際情況布置在0 m、50 m、150 m、200 m和350 m 5個中段（圖1）。

0 m中段No.2采場位于阿舍勒銅礦深部開采區域（采深約900 m），采場長27 m，寬12 m，高50 m，采用垂直礦體走向的采場布置方式。該采場于2016年末完成回采工作，但是由于現場回采銜接出現一些問題，采場完成礦體開采和礦石運搬工作后，未進行及時充填，長時間處于空場狀態（4個多月）。在采場頂板長時間空場暴露過程中，附近采場（No.4采場距離No.2采場約50 m）回采過程中的爆破作業對該采場造成強烈的擾動，加之No.2采場處于礦巖交界帶邊緣等原因，該采場于2017年4月17日頂板發生大規模的冒落，冒落體積約2 600 m3，質量超過1萬t（圖1）。No.2采場冒落前，No.4采場共進行了6次回采爆破作業，爆破時間和炸藥使用量見表1。

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2 冒落過程微震時空演化規律

2.1 微震時序特征和空間分布

No.2采場圍巖產生的微震事件與No.4采場的回采爆破活動密切相關（圖2）。在No.4采場回采工作開始前，No.2采場每天產生的微震事件數較少（5個左右）。當No.4采場于2017年4月5日開始回采后，在大多數爆破當日No.2采場產生的微震事件數均出現顯著增長現象，并在4月11日達到了最高值（當日產生25個微震事件）。其中15日的微震事件數較少，可能與當日炸藥使用量較小有關。在采場冒落前（4月16日和17日），微震事件數并沒有出現明顯的增加，但是所釋放的能量顯著增大，這說明巖體內產生了較大尺度的破裂。在采場發生頂板冒落當天，No.2采場圍巖所釋放的能量達到最大值。從微震事件的空間分布圖（圖3）可以看出，微震事件主要集中在采場頂板區域。從頂板冒落的發展過程來看，前期微震事件的能級較小。隨著爆破擾動次數增加，巖體內部破裂逐漸擴展和貫通，采場冒落前大能級的微震事件增加較為明顯。

采場冒落前，巖體內的微震活動出現明顯減弱現象，與室內試驗得出的巖石破壞前的聲發射“平靜期”類似。文獻［11］在研究巖石破裂聲發射活動特征時，認為在巖石破壞前小尺度裂紋合并貫通形成大尺度裂紋，雖然聲發射率下降，但能量釋放率增強，出現聲發射率“平靜”而聲發射能量“不平靜”的現象。另外，按照地震臨界點理論［12］，巖體在破壞前其內部儲存的能量會出現冪率加速釋放現象。因此，采用微震能量的快速釋放作為判據，對于巖體的失穩破壞預測更具意義。

2.2 冒落前圍巖變形規律

對于一個給定的地震事件，常用視體積測量具有同震非彈性變形的巖體體積。視體積依賴于地震矩和發射的能量，而且由于其為標量的性質，可以容易以累積或等值線圖的形式處理，從而深入研究同震變形率的分布。根據雙力偶剪切位錯震源模型，由標量地震矩定義式可得沿斷層的平均滑動位移。該定義式為［13］

式中：M0為地震矩；μ為震源區介質剪切模量；A為破裂滑移面積且為震源半徑）。地震矩M0和震源半徑r0均可由波形信號獲得。

在獲得單個微震事件的滑動位移后，采用球面差分方法對巖體變形進行網格化，以云圖方式顯示。云圖采用每5 d的微震數據繪制，并采用2 d間隔滑動，如圖4所示。從圖中可以看出，No.2采場處于空場狀態時，由于內部缺少礦體支撐，在No.4采場回采爆破擾動下其圍巖變形逐漸增大。在4月17日采場冒落前，礦巖體內累積的應變能大量釋放，大尺度的破裂導致圍巖變形顯著增加，充分展現了No.2采場頂板圍巖的松脫式漸進破壞過程。另外，No.2采場處于阿舍勒銅礦深部采區的礦巖交界區域，礦體和圍巖的物理力學性質存在明顯的差異性（表2）。在回采爆破擾動下，巖體和礦體變形不協調，礦巖接觸帶逐步弱化，并最終導致No.2采場頂板礦體沿著礦巖界面滑落。

3 采場滑移冒落發生機制

在斷層滑移或者剪切破壞過程中，微震事件輻射的S波能量要遠大于P波能量。通過分析不同的ESEP值分布范圍，可以獲得巖體破壞類型，如張拉型破壞、剪切型破壞和混合型破壞。P波和S波的輻射能量可由下式求得：

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式中：EP,S為P波和S波能量；ρ為巖體密度，t/m3；vP,S為P波和S波波速，m/s；R為距震源的距離，m；t為震源持續時間，s為經遠場輻射形態修正的P波或S波速度脈沖的平方。

文獻［14］研究表明，斷層滑移或剪切類型誘發的地震事件通常ES/EP≥10；而對于非剪切形式的破壞，如拉伸破壞、體積應力變化等誘發的事件，ES/EP接近或小于3。文獻［15］基于現場微震監測和數值模擬驗證了剪切事件滿足ES/EP>10。因此，本研究基于ES/EP能量比判定震源破裂機制的準則為：ES/EP>10，剪切破裂；3≤ES/EP≤10，混合破裂；ES/EP<3，張拉破裂。

圖5為No.2采場冒落前不同類型破裂機制的微震事件空間分布圖。從圖中可以看出，張拉破裂事件多分布在采場頂板位置，形成了以張拉型破裂為主的非剪切破壞區，主要是由于采場頂板冒落造成礦體斷裂所致；剪切破裂事件主要分布在礦巖交界帶附近區域，誘因來自于采場頂板冒落所造成的礦巖體間剪切滑移。

在冒落發生前，共捕捉到196個微震事件，其中張拉型破裂事件36個、剪切型破裂133個、混合型破裂27個，占比分別為18%、68%、14%。文獻［16］在研究深部礦山兩個典型破壞機制區域內的微震數據時，發現與斷層有關的剪切破壞區域內約70%的微震事件ES/EP>10，而以卸荷裂隙導致的拉伸破壞超過85%的微震事件ES/EP<10。本研究所得結論與文獻［16］中關于剪切破壞區發生機制的研究結果相一致（圖6）。若按文獻［17］研究的剪切破裂事件滿足ES/EP>20作為震源破裂機制準則，阿舍勒銅礦No.2采場約有45%的微震事件ES/EP>20，剪切事件并不占據主導位置，與現場實際圍巖破裂形式不一致。因此，在工程巖體破壞機制反演中，還需要補充更多的巖體破壞案例，以建立適用于不同開采技術條件下的巖體破裂機制ES和EP比值統一判定準則。

基于前述關于微震時空演化規律和圍巖破裂機制的研究，No.2采場頂板礦體滑移冒落發生的誘發因素主要包括兩個方面。其一為冒落區處于深部采區礦巖接觸帶兩側的礦體和巖體物理力學性質存在明顯差異性特征。由于礦體的容重、強度、彈性模量和黏聚力均明顯高于凝灰巖，在破壞時礦體和巖體變形出現明顯的不協調。基于空區掃描結果分析可以發現，冒落區的左右兩側邊界與No.3采場礦體的形態基本一致，表明礦體沿礦巖No.3采場左右兩側礦巖交界面發生滑落（圖7中A、B兩個區域）。其二是附近采場強烈的回采擾動。由于阿舍勒銅礦采用的是大直徑深孔空場嗣后充填采礦法，爆破炸藥用量和回采規模大。強烈的回采卸荷效應和爆破動力擾動會引發回采區域附近圍巖的物理力學性質發生變化。在這種擾動條件下，No.2采場頂板的礦巖交界帶逐漸松動弱化，當頂板礦體的質量超過自身抗拉強度和礦巖交界帶的共同承載能力時，頂板礦體沿礦巖交界面發生滑移破壞。因此，深部金屬礦山礦體邊界區域進行回采過程中的安全問題應引起足夠重視，在采場回采完畢后應盡快充填，避免采場長時間處于空場狀態。附近采場回采過程中應降低炸藥用量，減小爆破擾動效應。同時，應加強安全監測工作，對于采場冒落等地壓災害的孕育發生過程進行實時監測，為制定和實施相關防控措施提供依據。

4 結 論

本研究分析了阿舍勒銅礦深部開采爆破擾動誘發采場頂板滑移性破裂過程的微震時空演化特征和災害孕育發生機制，所得結論如下：

（1）微震時空演化規律直觀反映了采場頂板冒落過程中巖體內部裂紋的產生和演化過程。在采場冒落前，微震活動性出現明顯減弱現象，但微震能量呈現冪率加速釋放態勢。采用微震能量的快速釋放作為判據，對于巖體的失穩破壞預警更具意義。

（2）冒落發生前的196個微震事件中，剪切型破裂事件133個，占比達68%。剪切破裂事件主要分布于礦巖交界帶附近區域，頂板則為以張拉型破裂為主的非剪切破壞區，表明此次冒落災害是采場頂板礦體沿礦巖接觸帶滑移引發的頂板張拉斷裂所致。

（3）采場頂板滑移性冒落主要是由于礦巖物理力學性質差異性和臨近采場強烈回采爆破擾動共同作用造成的。在進行深部金屬礦體邊界區域回采時，應加強地壓災害孕育發生過程的實時監測，并采用及時充填和減小爆破擾動等措施，降低采場頂板冒落發生風險。