基于微震監(jiān)測(cè)的地壓災(zāi)害預(yù)警參數(shù)分析研究①

覃 敏， 劉 暢

（1.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙410012； 2.金屬礦山安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙410012）

巖體差異性和復(fù)雜性使得巖體在失穩(wěn)破壞時(shí)具有一定先兆特征，之后在巖體與外在環(huán)境的相互作用下誘發(fā)形成地壓災(zāi)害。 原巖狀態(tài)下礦體、圍巖體受到采掘擾動(dòng)，其承載的應(yīng)力場(chǎng)會(huì)重新分布，局部或區(qū)域位置產(chǎn)生應(yīng)力集中，積聚的彈性能超過(guò)極限時(shí)巖體就會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變、變形，誘發(fā)微破裂，直至開(kāi)裂、失穩(wěn)及破壞等，形成一系列能量釋放的宏觀表現(xiàn)形式。

地壓災(zāi)害不可能完全消除，只能進(jìn)行預(yù)防和控制，預(yù)防地壓災(zāi)害的有效手段是現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。 監(jiān)測(cè)方式主要有應(yīng)力監(jiān)測(cè)、位移監(jiān)測(cè)、聲發(fā)射監(jiān)測(cè)和微震監(jiān)測(cè)［1］。微震監(jiān)測(cè)技術(shù)目前處于快速發(fā)展和相對(duì)成熟的階段，已在多個(gè)礦山得以應(yīng)用［2-6］。

本文基于云南馳宏鋅鍺股份有限公司下屬麒麟廠已建成的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，建立有效微震事件庫(kù)，依據(jù)地壓活動(dòng)性預(yù)警原則，結(jié)合開(kāi)采實(shí)際，對(duì)微震時(shí)間序列、空間分布與演化、定量地震學(xué)參數(shù)等指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析與研究，確定麒麟廠范圍內(nèi)多參量預(yù)警閥值，以實(shí)現(xiàn)地壓災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警的目標(biāo)。

1 麒麟廠微震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)布置

云南馳宏鋅鍺股份有限公司會(huì)澤礦業(yè)分公司始建于1951 年［7］，麒麟廠是其下設(shè)礦山之一。 麒麟廠主要采用豎井開(kāi)拓，提升井1＃豎井和2＃豎井組成井下二段豎井接力提升系統(tǒng)。 1＃豎井為混合井，采用塔式提升，位于礦山廠和麒麟廠中間，井口地表標(biāo)高+2 538 m，井底標(biāo)高+1 677 m。 井下與1＃豎井連接的主運(yùn)輸中段為1 751 m 中段，連通2＃盲豎井。 2＃盲豎井亦為混合井，井口標(biāo)高+1 750.6 m，井底標(biāo)高+961 m，開(kāi)拓深度超1 500 m。 隨著礦山不斷向深部延伸，地應(yīng)力不斷增大，導(dǎo)致井下地壓活動(dòng)日益顯現(xiàn)，多處出現(xiàn)了片幫冒頂、巷道擠壓變形、巖爆等現(xiàn)象。 為了對(duì)地壓災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)警，在麒麟廠1 751～1 031 m 水平建立了1 套38 通道的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［7］。 該系統(tǒng)由7 臺(tái)數(shù)據(jù)采集儀（包括3 臺(tái)8 通道的數(shù)據(jù)采集儀和4 臺(tái)4 通道數(shù)據(jù)采集儀）和32 個(gè)傳感器（包括3 個(gè)三分量傳感器和29 個(gè)單分量傳感器）組成。

2 基于微震的地壓活動(dòng)性預(yù)警原則

參考國(guó)內(nèi)外科研工作者地震?微震?聲發(fā)射研究成果［8-9］，并結(jié)合監(jiān)測(cè)實(shí)踐，基于微震地壓活動(dòng)性預(yù)警的原則為：

1） 時(shí)間序列。 一定區(qū)域、一段監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)微震事件的能級(jí)與頻次持續(xù)高于平均值或快速上升，且無(wú)明顯交替釋放過(guò)程，可定義為活躍期，需要進(jìn)行預(yù)警。

2） 空間分布與演化。 一定時(shí)間區(qū)間、區(qū)域內(nèi)微震事件的能級(jí)與集中程度快速上升，可定義為活躍區(qū)域，需要進(jìn)行預(yù)警。

3） 定量地震學(xué)參數(shù)。 根據(jù)具體指標(biāo)參數(shù)變化，擬合現(xiàn)場(chǎng)地壓顯現(xiàn)記錄，首先總結(jié)高低值特征，其次總結(jié)其變化規(guī)律，提出相應(yīng)的預(yù)警閥值。

多參量預(yù)警在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中很容易發(fā)生沖突，造成顧此失彼或以偏概全，為保證預(yù)警指標(biāo)結(jié)果一致性、提高預(yù)警準(zhǔn)確性與效率，原則上，時(shí)間序列、空間分布與演化、定量地震學(xué)參數(shù)三者中任一指標(biāo)觸發(fā)閥值，綜合預(yù)警，現(xiàn)場(chǎng)可能會(huì)發(fā)生地壓災(zāi)害。

3 麒麟廠地壓災(zāi)害多參量預(yù)警規(guī)律分析

3.1 建立有效微震事件數(shù)據(jù)庫(kù)

作為后續(xù)基于微震監(jiān)測(cè)地壓活動(dòng)性分析基礎(chǔ)，有效微震事件庫(kù)中的數(shù)據(jù)連續(xù)性至關(guān)重要。 保證其連續(xù)性根本且唯一的方法是維持當(dāng)前微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主結(jié)構(gòu)完整、分支單元運(yùn)行正常。 其次，為了盡可能提高有效微震事件庫(kù)可靠性，微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)臺(tái)網(wǎng)布置中傳感器位置及其密度都有較高要求，理論上形成包絡(luò)狀橢球體，從而達(dá)到精確控制誤差、剔除誤差置信區(qū)間外的微震事件數(shù)據(jù)庫(kù)［10-11］。 包絡(luò)狀橢球體誤差控制模型如圖1 所示，麒麟廠數(shù)據(jù)篩選對(duì)比如圖2 所示。 2018年7 月1 日～10 月9 日期間，有效微震事件庫(kù)基本情況為：篩選前有效微震事件411 次，篩選后有效微震事件402 次；振級(jí)M為-2.40～0.30，地震矩對(duì)數(shù)（lgM）為7.7～10.6，能量對(duì)數(shù)（lgE）為1.2～5.2。

圖1 包絡(luò)狀橢球體誤差控制模型

圖2 微震事件監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)篩選

3.2 篩選后有效微震事件統(tǒng)計(jì)

振動(dòng)能量是描述礦巖體失穩(wěn)的彈性能釋放強(qiáng)度及應(yīng)力場(chǎng)遷移演化規(guī)律的常見(jiàn)強(qiáng)度參量；振級(jí)是以其包含的部分體積波的振幅來(lái)表征振動(dòng)尺度的常見(jiàn)參量。本文根據(jù)處理后的微震事件庫(kù)從振級(jí)和振動(dòng)能量?jī)蓚€(gè)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，初步判定礦山地壓活動(dòng)狀況。 麒麟廠微震事件分級(jí)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 麒麟廠微震事件能量與振級(jí)分級(jí)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

由表1 可知，麒麟廠整體地壓活動(dòng)事件能級(jí)較小，所占比例較大，相對(duì)較大事件（M≥0）數(shù)量較少，僅占3.48%；從輻射能量方面來(lái)看，整體上以小能量事件為主，主要分布在100 ～100 000 J 區(qū)間，占91.54%，較大輻射能量事件（E≥10 000 J）占27.61%，其中輻射能量E≥100 000 J 的事件6 次。 麒麟廠范圍內(nèi)的微震事件呈一般微震強(qiáng)度特征。

3.3 時(shí)間、空間和強(qiáng)度因子的演化規(guī)律

3.3.1 時(shí)間序列及其強(qiáng)度因子

巖體破裂事件與礦山生產(chǎn)活動(dòng)息息相關(guān)，每日的采掘活動(dòng)直接影響到礦山微震事件的活動(dòng)情況，通過(guò)掌握微震事件每日的振動(dòng)頻率和振動(dòng)能量意義較大。麒麟廠范圍內(nèi)微震事件累積釋放能量與頻次統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如圖3 所示。 由于能量區(qū)間差別較大，能量因素采用對(duì)數(shù)處理。

由圖3 可知，該時(shí)間區(qū)間內(nèi)，麒麟廠日累積釋放能量平均水平為10 000 J，日頻次平均4 次，結(jié)合時(shí)間序列分布，能量與頻次總體變化較為平緩（變化區(qū)間較小，除部分空值外），呈交替狀時(shí)間分布，根據(jù)活躍期判定，2018 年7 月9～11 日、7 月23～25 日、7 月27～29日、8 月5～8 日處于微震活動(dòng)活躍期，需加強(qiáng)監(jiān)測(cè)與安全巡視，甚至實(shí)施地壓控制等措施。

圖3 麒麟廠日累積釋放能量與頻次統(tǒng)計(jì)分析

時(shí)序集中度用來(lái)衡量微震事件在時(shí)間序列中的活動(dòng)強(qiáng)度。 在有效監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)，微震事件振動(dòng)越頻繁，即時(shí)序越集中，則發(fā)生地壓災(zāi)害的可能性越大；反之，可能性越小［9］。 定義時(shí)序集中度指標(biāo)為：

式中ΔT和Var（T）分別為時(shí)間區(qū)間內(nèi)相鄰微震事件發(fā)生時(shí)間間隔的平均值和方差。Q時(shí)＝0 表示周期性產(chǎn)生微震事件；0 ＜Q時(shí)＜0.5 表示準(zhǔn)周期性產(chǎn)生微震事件；0.5 ≤Q時(shí)≤1 表示以平穩(wěn)的齊次泊松方式產(chǎn)生微震事件；1 ＜Q時(shí)＜+∞表示以叢集方式產(chǎn)生微震事件。 根據(jù)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例，試件塑性破壞、現(xiàn)場(chǎng)巖體失穩(wěn)往往發(fā)生在時(shí)序集中度Q時(shí)＞1 時(shí)，因此評(píng)價(jià)時(shí)間序列強(qiáng)度因子時(shí)，時(shí)序集中度Q時(shí)處于明顯高值區(qū)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)需進(jìn)行預(yù)警。 計(jì)算時(shí)序集中度如圖4 所示。

圖4 麒麟廠時(shí)序集中度分布

從圖4 可以看出，2018 年9 月底出現(xiàn)指標(biāo)峰值，10 月初也出現(xiàn)高值區(qū)，根據(jù)預(yù)警原則，預(yù)計(jì)后續(xù)時(shí)間區(qū)間會(huì)出現(xiàn)時(shí)間集中度的叢集過(guò)程，即現(xiàn)場(chǎng)地壓顯現(xiàn)可能性較大。

3.3.2 空間演化及其強(qiáng)度因子

利用微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件，對(duì)麒麟廠采集的有效微震事件從空間分布角度研究其活動(dòng)變化過(guò)程，便于掌握礦山地壓活動(dòng)的顯現(xiàn)位置規(guī)律。 麒麟廠微震事件空間分布演化過(guò)程如圖5 所示。

由圖5 可以看出，時(shí)間區(qū)間內(nèi)微震事件主要分布在深部1 211～1 091 m 中段，1 571 m、1 751 m 中段僅7 月份監(jiān)測(cè)到有效微震事件，分布離散；較大微震事件主要分布于1 151 m 和1 211 m 中段。 結(jié)合礦山生產(chǎn)實(shí)際情況，微震事件的集中程度與對(duì)應(yīng)中段相吻合。

圖5 麒麟廠空間分布演化過(guò)程

空間震中程度用來(lái)衡量微震事件在三維上的活動(dòng)強(qiáng)度。 在固定三維空間方位內(nèi)，微震密集分布時(shí)，微震活動(dòng)性強(qiáng)，地壓災(zāi)害可能性大，如果正常離散分布，則微震活動(dòng)性弱，地壓災(zāi)害可能性小。 定義震源集中程度指標(biāo)Q空為：

式中λ1，λ2，λ3均為協(xié)方差矩陣的特征根。Q空越小，橢球體越小，表征微震事件集中程度越高，微震活動(dòng)性強(qiáng)，地壓災(zāi)害可能性越大；反之亦然。 根據(jù)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例，試件塑性破壞、現(xiàn)場(chǎng)巖體失穩(wěn)往往發(fā)生在震中集中程度Q空低值區(qū)，因此評(píng)價(jià)空間集中度因子時(shí)，震中集中程度Q空處于明顯低值區(qū)，即Q空≤100 作為預(yù)警閥值，現(xiàn)場(chǎng)需進(jìn)行預(yù)警。 根據(jù)以上定義的空間演化強(qiáng)度因子數(shù)學(xué)模型，由麒麟廠有效微震事件庫(kù)計(jì)算震中集中度，結(jié)果如圖6 所示。

圖6 麒麟廠震中集中度分布

從圖6 可以看出，在2018 年9 月底、10 月初Q空出現(xiàn)低值區(qū)，根據(jù)預(yù)警原則，預(yù)計(jì)后續(xù)時(shí)間區(qū)間有可能會(huì)出現(xiàn)地壓顯現(xiàn)問(wèn)題。

3.3.3 地震學(xué)參數(shù)分析

b值反映微震事件庫(kù)中較大能級(jí)事件所占比例大小，b值越大，能量較大事件所占比例越小；反之所占比例越大［9］。 對(duì)麒麟廠范圍的a、b進(jìn)行計(jì)算統(tǒng)計(jì)，擬合計(jì)算結(jié)果如圖7 所示，變化曲線如圖8 所示。

圖7 麒麟廠總體a、b 值

圖8 麒麟廠b 值變化曲線

由圖7 ～8 可以看出，在此監(jiān)測(cè)時(shí)間區(qū)間內(nèi)，麒麟廠總體a＝3.480 5、b＝0.407 1，大部分b值皆低于總體b值，但交替狀明顯，其中8 月中下旬、9 月上旬、9 月下旬、10 月上旬呈低b值特征，表征麒麟廠范圍內(nèi)在該時(shí)間區(qū)間地壓顯現(xiàn)可能性相對(duì)較大。 結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)采掘與地壓顯現(xiàn)情況，確定麒麟廠b≤0.20 為預(yù)警閥值。

βn值反映礦山監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)一段時(shí)間中微震活動(dòng)率的變化情況。βn越大，表征微震活動(dòng)率大，微震誘發(fā)地壓災(zāi)害可能性也就越大。 對(duì)麒麟廠范圍在該時(shí)間區(qū)間內(nèi)的βn值進(jìn)行計(jì)算，變化曲線見(jiàn)圖9。

由圖9 可以看出，βn高值區(qū)主要集中在2018 年7月份，說(shuō)明在該時(shí)間段微震活動(dòng)率較大，地壓顯現(xiàn)可能性較大。 結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)采掘與地壓顯現(xiàn)情況，確定麒麟廠βn≥1.5 為預(yù)警閥值。

圖9 麒麟廠βn 值變化曲線

η值是度量振級(jí)?頻次曲線與G?R直線偏離程度的一種地震學(xué)參數(shù)，并作為大振級(jí)事件的預(yù)警指標(biāo)。根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)，預(yù)警區(qū)間（后續(xù)的災(zāi)害時(shí)間段）幾乎全部發(fā)生在高η值期間，低η值意味著礦山巖體破裂系統(tǒng)由無(wú)序向有序轉(zhuǎn)化。 對(duì)麒麟廠范圍在該時(shí)間區(qū)間內(nèi)的η值進(jìn)行計(jì)算，變化曲線見(jiàn)圖10。

圖10 麒麟廠η 值變化曲線

由圖10 可以看出，在此監(jiān)測(cè)時(shí)間區(qū)間內(nèi)，η高值區(qū)主要集中在2018 年7 月上中旬、8 月上中旬，說(shuō)明在該時(shí)間段內(nèi)礦山巖體破裂呈無(wú)序特征，存在地壓顯現(xiàn)的可能。 結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)采掘與地壓顯現(xiàn)情況，確定麒麟廠η≥1.1 為預(yù)警閥值。

4 結(jié) 論

基于已建立的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有效微震事件庫(kù)，根據(jù)地壓活動(dòng)性預(yù)警原則，結(jié)合麒麟廠開(kāi)采實(shí)際，對(duì)麒麟廠的微震時(shí)間序列、空間分布與演化、定量地震學(xué)參數(shù)等指標(biāo)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)、分析與研究，確定了麒麟廠范圍內(nèi)多參量預(yù)警閥值：

1） 根據(jù)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例，試件塑性破壞、現(xiàn)場(chǎng)巖體失穩(wěn)往往發(fā)生在時(shí)序集中度Q時(shí)處于明顯高值區(qū)，當(dāng)時(shí)序集中度Q時(shí)＞1 時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)需進(jìn)行預(yù)警。

2） 試件塑性破壞、現(xiàn)場(chǎng)巖體失穩(wěn)往往發(fā)生在震中集中程度Q空低值區(qū)，當(dāng)Q空≤100 時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)需進(jìn)行預(yù)警。

3） 根據(jù)地震學(xué)參數(shù)研究分析，當(dāng)b≤0.20、βn≥1.5和η≥1.1 時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)需進(jìn)行預(yù)警。