異?；钴S地壓的微震監測預警研究

冷修寧，黃英華

(1.江西省修水香爐山鎢業有限責任公司， 江西 九江市 332400；2.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012)

1 工程背景

香爐山鎢礦在1994 年至2009 年一直采用全面采礦法對礦體進行開采，由于歷史原因，形成了不規則采空區，據統計采空區體積達290 萬m3、分布范圍長800 m、寬600 m，高5～40 m，頂板累計暴露面積達25 萬m2，體積巨大、形狀復雜、相互連通、部分相互堆疊，形成400 多個形狀尺寸不規則的礦柱，礦柱數量及其復雜程度為國內外罕見[1?3]，另外該礦空區上方存在重要的宗教建筑物等保護設施，屬于典型的“三下開采”。自2013 年起，礦山采用膠結充填對東部殘采區與西部規則采區的采空區進行充填治理。回采東部殘礦資源對香爐山鎢礦有重要的意義，但是礦山繼續開采會面臨嚴重的地壓災害問題：局部區域礦柱片幫垮塌、頂板冒頂；大范圍的應力轉移集中與整體地壓；多米諾骨牌效應的大范圍礦柱垮塌；井下開采可能導致地表重要宗教建筑物破壞；采空區的治理問題[4]。為了保證礦山能夠繼續生產，針對礦山存在的實際地壓問題，于2010 年8 月份建成投入使用48 通道微震監測系統，先后于2011 年8 月和2013 年6 月將多通道微震監測系統通道總數從48 通道擴充到60 通道與84 通道[5?7]，擴大應用于東部殘采區0-14 勘探線區域與該礦西部采區的16-20 勘探線區域，微震傳感器類型為單軸加速度型，工作頻率為50～5000 Hz[8]。

2 頂板冒頂區域的工程地質[9?11]

香爐山背斜是礦區的基礎構造，呈北東向橫貫礦區，在成巖成礦過程中起著主導作用，控制著礦床賦存形態，導致巖體、礦床形態與背斜構造高度協調。香爐山背斜屬寬緩型傾伏背斜，傾伏角為10°～25°，兩翼巖層傾角為10°～35°，南翼略陡，核部產狀近乎水平，傾角小于10°。斷裂對礦床的影響不大。礦區地層由震旦系上統陡山沱組和燈影組、寒武系下統王音鋪組和觀音堂組、寒武系中統楊柳崗組、寒武系上統華嚴寺組以及第四系組成。礦區地層整合接觸，均遭受熱液變質，轉變為角巖及角巖化巖石。

香爐山鎢礦礦體埋深為40～300 m，礦體賦存于山坡中上部，礦體似層狀，緩傾斜，礦體產狀與香爐山背斜一致，軸部傾伏角為10°～25°，北西翼平均傾角為7°，南東翼平均傾角為38°。礦體沿走向長1250 m，傾斜長576 m，礦體厚2.6～45.6 m，平均品位為0.705%。礦體形態較簡單、礦巖界限清晰。直接頂板為灰巖，局部有炭質泥巖，礦體為角巖，底板為花崗巖，礦巖均堅硬致密完整[12]。礦區內無湖、河等地表水體，礦床主要充水來源為大氣降水，礦體及圍巖的含水性弱，巖溶不發育，礦床水文地質條件簡單，開采工程技術條件非常好。

礦體及其圍巖的強度較高，見表1。通過節理裂隙調查，獲得了礦體開采區域內的節理裂隙發育特征，灰巖的體積裂隙數稍大，為10.5～12.0 條/m3，礦體和花崗巖的體積裂隙數都較小，一般小于8.0條/m3。炭質頁巖節理裂隙發育，體積裂隙數達13.5條/m3，全部為弱裂隙性巖體[13]。大理巖和灰巖的綜合巖體分級為Ⅱ級、角巖和花崗巖巖體為Ⅰ級。礦體賦存于山坡體內，埋深淺，以上覆巖層自重應力為主。

表1 香爐山鎢礦巖石物理力學參數

本文研究的頂板冒頂異常地壓活躍區為東部殘采區597 采場，其回采現狀平面見圖1，典型的橫剖面見圖2。在礦山實際開采中，沒有留設護頂層，角巖礦體基本回采耗盡，將節理裂隙較為發育、完整性稍差的頂板灰巖與炭質泥巖完全揭露出來。空區跨度為15～25 m，空區高度為1～35 m，點柱直徑為4～20 m 不等，膠結充填體高度為1～15 m，剩余空頂高度為4～9 m。典型的空區與點柱照片見圖3。

圖1 頂板冒落區域597 采區回采現狀平面

圖2 597 采場典型剖面

圖3 典型空區與點柱

3 地壓異?；钴S期的微震監測預警

在2018 年9 月22 日至10 月30 日近一個月的時間內，井下產生了多達32 次的微震定位事件，分布在東部殘采區與西部正規采區。一些微震定位事件中有明顯的地壓顯現，如礦柱開裂、片幫、頂板冒落等，另一些微震定位事件中則沒有明顯的地壓顯現現象，甚至微震定位事件發生前附近的微震傳感器也沒有接收到明顯增多的單通道觸發事件。上述微震定位事件及其對應的預警案例具體見表2。多年的微震監測實踐經驗表明，香爐山鎢礦采區內產生微震定位事件或較多的出現微震定位事件時，在這些區域內有應力調整（重分布）導致的地壓增大、片冒增多，甚至產生局部較大的地壓顯現。

表2 微震監測預警案例

表2 預警案例中，2018 年10 月27 日凌晨發生在東部殘采區597 采場的頂板冒頂最為劇烈，在不到3 h 的時間內，微震監測系統共監測與定位處理17 個微震定位事件，其定位結果見圖4，頂板冒落后的現場勘察所拍攝的照片見圖5，監測到的典型微震波形見圖6 與圖7。本次597 采場劇烈地壓活躍事件中，微震定位事件率達到了17 個/天，而在2018 年度及歷史其他時期內，每天的微震定位事件率基本在1～2 個/天的水平，顯示了這次頂板冒落的劇烈程度。待微震定位事件趨于平穩后，礦山組織技術管理人員進入597 采場進行了現場實地勘察，發現頂板發生了較大規模的冒落，冒落巖體體積約100 m3，冒落面積約60～70 m2，具體見圖5。

圖4 頂板冒落期的微震定位事件位置分布

圖5 頂板冒落前后的現場照片

圖6 微震事件典型波形（一）

圖7 微震事件典型波形（二）

4 頂板冒頂產生的微震波形時頻特征分析

為了詳細深入地分析此次頂板冒落巖體破裂過程中產生的微震波形的時頻特征，選擇了兩個典型的微震定位事件案例進行了分析，對波形的初至到時、最大振幅幅值、初至波極性、波形主頻及定位精度等進行了詳細分析，總結一些頂板冒落所激發的微震信號特征，為有效信號辨識、監測預警及機制機理分析提供有效數據。

4.1 案例1

2018 年10 月27 日01 時52 分45 秒，597 采場發生微震定位事件，16#、20#、29#、30#、40#、42#和35#共7 個傳感器參與了定位，系統自動拾取P 波計算得到的定位誤差僅有8 m，而且微震事件發生在20#傳感器附近。該微震定位事件在各傳感器上的參數見表3，監測波形的振幅值分布在9～4097 mV，各傳感器振幅值與震源震級、傳播路徑及傳播距離相關；初至波極性表示起跳點的方向是向上或向下，與地震波傳播方向和傳感器的取向有關，各傳感器的初至波極性正負值都有。參與定位的傳感器接收到的波形清晰，均為P 波特性的波形。

表3 案例1 的各微震通道監測波形時頻參數統計表

各傳感器監測波形的主頻，各波形的P 波頻率都在1000 Hz 以上，最大的達到了2000 Hz，所有傳感器接收到的波形頻率都較高。由于頻率較高，波長約為3～5 m，傳播輻射能力較弱，是巖體破裂發生的典型頻率范圍，另外，通過震相分析，僅有較為單純的體波P 波，這與頂板冒落的事實相符：單純的拉伸破壞僅產生體波P 波，而沒有剪切波成分，由此可以綜合推斷，這是一起典型的巖體拉伸破裂事件。

4.2 案例2

2018 年10 月27 日3 時06 分26 秒，597 采場發生微震定位事件，共有18 個傳感器接收到微震信號并參與了定位，主要傳感器為24#、23#、9#、10#、27#、84#、27#、57#、60#和68#等。該微震定位事件在各傳感器上的參數見表4，監測波形的振幅值分布在18～87 mV。

表4 案例2 的各微震通道監測波形時頻參數統計表

各傳感器監測波形見圖7，其波形主頻一般在100 多Hz，最大303 Hz，由于頻率較低，波長較長，約為25 m，所以具有較強的傳播能力，使得較大范圍內較多的傳感器都能接收到震源往外輻射的地震波。所有傳感器接收到的波形頻率很低，已經不可能是較小尺度巖體破裂釋放的地震波的頻率范圍，可以據此明確推斷此次事件是因為頂板冒落下來的巖塊撞擊底板產生的沖擊震動，這與現場的實際地壓顯現是吻合的。

在定位精度方面，微震監測系統自動處理給出的理論定位誤差達到143 m，顯然誤差較大，通過人工重新處理、重新選擇參與定位的傳感器及其初至到時，其理論定位誤差縮小到41 m。

5 結論

（1）本次地壓活躍期在礦山的微震監測歷史上是少見的，近一個月時間內發生了32 次微震定位事件，而594 采場的頂板冒落劇烈、地壓顯現事件更是產生了17 次/3 h 的微震峰值，遠遠高于設定的預警值1 次/d 的水平，相比而言，2012 年6 月份的大面積冒落也是發生在雨季，監測到的微震定位事件僅為2 個。本次地壓活躍期、特別是頂板冒落異?；钴S期，通過微震定位事件發生頻度，進行了有效的監測預警。

（2）從本次地壓活躍期的微震定位事件震源分布的結果來看，整體上震源點的分布范圍遍及整個東西部采區，各震源集聚點較為分散，絕大部分微震定位事件發生在正在開采的采場范圍內，空間分布還不能斷定不同震源點之間有內在的地壓聯系，目前來看各震源集聚點相互之間是獨立的，僅在時間上集聚，在空間上沒有形成惡化整體礦山地壓的趨勢。

（3）頂板冒落的異常地壓活躍期內，頂板巖體拉伸破裂的波形時頻特征：頻率在1000～2000 Hz，地震波傳播距離較近，僅能觸發周邊6～7 個傳感器，最大振幅值在9～4097 mV，波形震相以體波P 波為主；頂板冒落下的巖石在底板產生的沖擊震動波形的時頻特征：頻率在100～300 Hz，地震波傳播距離較遠，僅能觸發周邊12 個以上傳感器，最大振幅值在18～87 mV 之間。上述典型波形的時頻特征可以為今后有效信號辨識、監測預警及機制機理分析提供有效數據。