微震監測技術在玲瓏金礦災害預警中的應用

張雪楣 唐 正 孫道元

（1．山東黃金礦業（玲瓏）有限公司；2．中南大學資源與安全工程學院）

自20世紀80年代以來，資源開采深度逐年遞增，深部巖體的賦存環境變得更加復雜，使深部巖體的受力及其損傷過程與淺部工程有明顯區別，并出現了巖爆等深井動力災害［1］。1738年，人類第一次在英國某錫礦發現了巖爆災害，19世紀開始在南非1 600 m以下采場中頻發巖爆災害［2］。過去一段時間，國內外學者對于巖爆災害的研究工作主要集中在巖爆孕育機制的理論分析、巖爆發生的現場監測以及不同巖石條件和不同應力場環境下圍巖破壞的數值分析等幾個方面，比如李元輝等［3］對巖石破壞聲發射實驗中的b值以及聲發射事件空間分布分形維值進行研究，發現巖石內部微裂紋的擴展和宏觀破壞過程是一致的，并且聲發射事件空間分布分形維值和b值可以作為巖石失穩破壞的2個有效指標。

美國礦業局在20世紀30年代研究礦井巖爆問題時，發現巖石承受應力載荷的過程中會向外釋放聲波，這也是聲發射和微震研究的開端。傳統的采礦和支護技術（工藝）不能有效地控制高應力誘發的巖爆與巖石冒落，當巖體宏觀位移發生時，其內部微裂紋可能已產生了較大的貫通。傳統的位移監測手段難以捕捉巖體工程失穩的前兆信息，而微震監測技術可以實時采集巖體在變形和斷裂破壞過程中釋放出的以彈性波形式的微震事件，并對巖體工程結構穩定性進行有效評估。姜福興等［4］利用新型的微震監測系統對煤礦地壓災害進行預測和防治，并取得了較好的效果。楊承祥等［5］將ISS微震監測系統引入冬瓜山銅礦，并對開采擾動過程中的微震活動規律進行分析，取得了較好的效果。事實證明，微震監測作為一種高科技信息化的地下工程動力監測技術，在礦山地壓災害監測及預警方面已成為一個重要技術手段。

1 工作區概況

玲瓏金礦屬于石英脈型金礦，區域內花崗巖巖石構造致密，極限抗壓強度高，屬堅硬—高度堅硬巖石，破碎蝕變帶巖石破碎，蝕變較強烈，裂隙較發育［6］。自1962年建成投產以來，己有50多年的開采歷史，是我國開采歷史較長的地下金屬礦山，隨著開采深度的不斷增加，礦體賦存狀況、地質條件和圍巖穩定性狀態顯著惡化，地壓顯現加劇，沖擊地壓和巖爆等動力災害現象越發突顯，其中在大開頭礦區和西山礦區已發生過巖爆事故，對礦山的正常生產運營和作業人員的生命安全造成了威脅。微震監測技術作為可以采集巖體破裂所釋放彈性波的一種監測手段，已被廣泛應用于工程安全監測等領域。在同樣的地質背景下，具有較高地應力的巖體，彈性模量也較高，發生巖爆的風險越大。相關資料表明，高地應力的巖石具有比較明顯的脆碎特征［7］。大量實踐表明，隨著開采深度的不斷增加，地應力也不斷增加，使得深井開采中巖爆的發生次數和頻率也明顯增多，災害造成的事故損失也不斷增強。

不同國家的地下工程臨界深度各不相同，通過前期對玲瓏金礦實際發生巖爆地點的巖心取樣測試，得到該礦山花崗巖巖石的基本物理力學參數：巖石干密度為2 628 kg/m3，單軸抗壓強度為170.1 MPa，彈性模量為37.47 GPa，泊松比為0.24，抗拉強度為5.36 MPa，黏聚力為28.03 MPa，內摩擦角為41.02°。根據巖石參數計算得出的理論巖爆發生深度應在760 m左右。玲瓏金礦大開頭礦區現最深已開采至-820 m中段，開采深度已經超過1 000 m，遠大于理論巖爆發生深度，存在較大的巖爆發生風險。

2 微震監測原理及系統構建

2.1 微震監測原理

微震監測技術是通過巖體破壞釋放的彈性波來間接監測巖體工程穩定性的聲學方法，而這種巖石變形破壞釋放的彈性波在地質上又被稱為微震（MS）［8-9］。一個微震事件可以被多個傳感器所監測到，每一個微震信號都包含著豐富的巖體內部狀態變化的信息，通過反演方法就可以推算出巖體工程微破裂發生的時刻、位置及破壞機制［10-11］。通過計算上述參數，并分析微震事件及其震源參數的時空演化規律，進而總結預警判據，對監測區域進行提前預警。

2.2 微震監測系統構建

巖石破裂產生的微震事件包含著豐富的信息，根據響應頻率選取對應的傳感器可以最大程度地捕捉微震信號，能夠得到微震事件發生的時間、位置、能量等震源參數。玲瓏金礦大開頭礦段采用的是由中南大學硬巖災害防控團隊自主研發的DLG微震監測系統，具有采樣率高、動態范圍大、組網靈活、適應多種通用的通信方式、方便耐用的特點，微震監測系統傳感器空間布置如圖1所示。

3 監測結果分析

3.1 微震活動時空分布規律

3.1.1 微震事件活動時間分布

圖2所示為玲瓏金礦大開頭礦區24 h微震事件的時間分布圖，可以看出，玲瓏金礦單日開采作業產生的微震事件可以簡單分為活躍期和平靜期，3∶00—7∶00及19∶00—20∶00這2個時間段，礦山采掘作業較少，產生的開采擾動頻次較低，微震事件的數量處于較低水平，而其余時間礦山的采掘活動較為頻繁，誘發微裂紋在巖體表面及其內部的擴展和發育，當巖體內部儲存的應力得到釋放后，應力分布又會達到動態平衡，在圖2中就表現為微震事件時間分布的平靜期。

3.1.2 微震事件活動區域分布

借助微震監測可視化軟件對大開頭礦段監測到的微震事件在模型上進行投影，三維模型俯視圖、側視圖如圖3所示。

本研究所基于的微震監測系統主要覆蓋大開頭礦段-570～-720 m中段，且微震監測系統所收集到的微震事件主要以傳感器陣列為核心分布，幾個較為集中的微震事件群主要集中于傳感器陣列附近的采空區處，這與礦山部分采掘作業活躍區域基本吻合。通過將微震監測系統采集到的微震事件與礦山開挖活動進行對比，發現兩者位置與時間演化基本吻合，說明微震事件的產生、演化和礦山開采活動直接相關，充分表明了微震監測技術應用于礦山地壓分布及演化規律研究的可行性。

3.2 高應力區域微震活動性分析

3.2.1 微震事件b值前兆特征

在地震活動研究中，完整可靠的地震序列對于獲得更準確的統計結果非常重要。地震序列的完整性直接受最小完整性震級Mmin的影響。只有當確定了特定區域的最小完整性震級大小時，地震活動的研究才具有實際意義。

目前，確定最小完整性震級的方法有2種：一種是地震波形法，另一種是統計法。前者通過分析地震波形獲得最小完整性震級，但由于需要處理大量地震數據，因此通常不采用；選擇后一種方法來計算最小完整性震級，因為它利用Gutenberg-Richter幅度—頻率關系的優點來獲得線性關系的最佳部分，而最小完整性震級恰好是該部分的最小完整性幅度。

采用式（1）所示的Gutenberg-Richter幅度—頻率關系來計算區域中的最小完整性震級Mmin。

式中，Mw是矩震級；N是（M±ΔM）幅度范圍中的地震事件的累積數；a和b是經驗常數，b是衡量區域地震活動水平和描述該區域中大幅度事件和小幅度事件數量的比例關系的重要參數。

3.2.2 微震事件H指數前兆特征

對于一個具有赫斯特統計特性的系統，不需要通常概率統計學的獨立隨機事件假設。H指數反映的是一長串相互聯系事件的結果。

通常，對于某些物理現象，H指數在0.5～1。人們普遍認為當H＞0.5時存在一種持續性，這意味著后者事件與前者事件正相關。類似地，當H＜0.5時，后一事件與前一事件負相關，稱為反持久性。至于地震事件，它們具有長距離相關性，后者事件將受到前者事件的影響。地震事件的發生是不規則的、隨機的，H指數偏離0.5的程度可以測量隨機因子與地震時間分布中某些因子的比例。在H＞0.5的范圍內，H指數的減小意味著隨機因素在地震時間分布中的比例在增加。

3.2.3 微震活動性預警指標分析

通過監測系統采集到微震事件的相對震級分布來衡量巖石未破裂擴展的尺度，用于評估上述現象的參數稱為b值。微震事件的震源機制決定了某一區域內微震事件群b值的變化，研究表明b值大的微震活動區域相對來說風險比較大。即小震級微震事件群的增加使得b值逐漸增大，當微震事件的產生與消退達到平衡時，b值處于動態穩定狀態，而當大震級事件（礦山動力災害）發生時，大震級事件所占的比例上升使得b值降低。故b值可以作為礦山災害預警的參數。

7—11月的b值及H指數如表1所示，從7月開始b值呈現明顯的下降趨勢，說明在該段時間內小震級微震事件所占比例升高，可能在這個過程中發生巖體失穩破壞的現象，經過與礦山垮塌數據對比，發現b值達到最小值的9月份曾發生過2次大小不同的垮塌現象。同時在9月份之后，b值呈現持續上升的趨勢，在微震監測陣列覆蓋范圍內可能會存在有高應力環境誘發的巖體損傷或局部破壞，且該類破壞的風險有不斷增大的趨勢，建議加強該區域微震和常規監測的分析力度，并且對采場和開挖巷道附近采空區等安全性進行實時動態評價。

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4 結論

結合玲瓏金礦大開頭礦區布設的微震監測系統，對傳感器網絡中心周圍200 m區域的微震活動性進行了分析，并結合b值、H指數對微震大震級事件的前兆信息進行驗證。同時通過分析玲瓏金礦微震事件的時間和空間分布規律，發現微震事件發生的時間大部分分布于采場大規模爆破開挖階段，空間位置主要分布在采礦區域和地質構造附近。隨著回采工序的結束，深部采區圍巖儲存的能量釋放，使得巖體內部的應力分布狀態達到了新的平衡，微震事件的活躍度逐漸平穩，這也證明了微震監測技術在一定程度上確實可作為潛在危險區域識別與災害預警的重要手段。