中色非礦微震活動(dòng)與爆破擾動(dòng)的相關(guān)性研究

張金鐘， 劉芳芳， 楊清平， 趙承佑， 王京偉， 崔志華， 張 君

(1.中色非洲礦業(yè)有限責(zé)任公司， 北京 100089； 2.長沙迪邁數(shù)碼科技股份有限公司， 湖南 長沙 410012；3.長沙施瑪特邁科技有限公司， 湖南 長沙 410083)

1 前言

根據(jù)國內(nèi)深部礦山的開采經(jīng)驗(yàn)，深部開采階段地壓活動(dòng)劇烈，容易出現(xiàn)較多的地壓災(zāi)害，如沖擊地壓、巖爆、地表塌陷、采空區(qū)冒頂?shù)取Ｗ?0世紀(jì)90年代以來，微震監(jiān)測技術(shù)[1-3]在礦山地壓監(jiān)測中得到普遍應(yīng)用，一般用微震活動(dòng)用來評(píng)價(jià)巖體的穩(wěn)定性情況。國外專家對(duì)礦山開采擾動(dòng)與微震活動(dòng)之間的響應(yīng)關(guān)系進(jìn)行了大量研究，如針對(duì)波蘭煤礦、南非金礦、加拿大鎳礦和澳大利亞銅等的研究顯示礦山地震活動(dòng)與開采工藝過程、爆破及開采強(qiáng)度等開采參數(shù)之間存在密切關(guān)系，在國內(nèi)例如冬瓜山銅礦、新疆西拓銅礦、華峰煤礦等礦山主要針對(duì)地震活動(dòng)與開采過程及工程空間位置關(guān)系開展了研究。其中張君[4]針對(duì)冬瓜山銅礦采用累積地震視體積和能量指數(shù)來比較不同時(shí)段地震活動(dòng)與開采的響應(yīng)特性，提出相應(yīng)的參數(shù)來表征地震活動(dòng)與開采速率之間的響應(yīng)關(guān)系；張達(dá)等[5]基于能量分布特征開展了礦山微震和爆破信號(hào)自動(dòng)識(shí)別研究工作；唐禮忠[6]等針對(duì)冬瓜山銅礦深井開采誘導(dǎo)地震活動(dòng)，對(duì)地震視應(yīng)力和位移在礦區(qū)開采過程中的時(shí)空特征開展研究，發(fā)現(xiàn)地震活動(dòng)具有區(qū)域性分布特征，其時(shí)空分布與開采活動(dòng)及礦區(qū)礦柱分布具有較強(qiáng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系；雖然國內(nèi)外研究人員對(duì)于礦山地震活動(dòng)的響應(yīng)特性有了很多認(rèn)識(shí)，但是由于受到礦山地質(zhì)條件和開采活動(dòng)復(fù)雜性的影響[7-9]，目前的研究還處于初步階段，特別是在建立地震活動(dòng)與開采響應(yīng)定量關(guān)系方面，更需要深入研究。中色非礦謙比希東南礦體是典型的深埋礦山，存在較高的地應(yīng)力，礦體相對(duì)厚大，隨著采掘活動(dòng)的進(jìn)行采空區(qū)規(guī)模不斷增加，存在地壓災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，特別是隨著深部礦體的開采還伴隨著巖爆災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)，本文基于微震監(jiān)測數(shù)據(jù)、開采活動(dòng)及地質(zhì)開采條件，對(duì)東南礦體開采活動(dòng)引起的采場采空區(qū)頂板圍巖失穩(wěn)垮落活動(dòng)、南采區(qū)的頂板沉降活動(dòng)、北采區(qū)深部高應(yīng)力活動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測與分析，為日常監(jiān)測活動(dòng)分析和指導(dǎo)礦山安全生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

2 礦山概況

東南礦體是中色非礦謙比希銅礦的三個(gè)礦區(qū)之一，位于主礦區(qū)東南約7 km處，是一座大型地下開采銅礦，典型層狀礦床，緩傾斜中厚礦體，建設(shè)規(guī)模年采選礦石330萬t，生產(chǎn)銅精礦5.68萬t。礦體埋深在500～1 040 m，傾角5°～30°不等，平均厚度9.6 m，礦石主要為硫化礦。東南礦區(qū)設(shè)計(jì)采用分條空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法為主、房柱法及上向水平分層充填法為輔的采礦方法，初步設(shè)計(jì)以900 m為界，900 m以上水平為南采區(qū)，900 m以下水平為北采區(qū)。結(jié)合礦山地質(zhì)開采條件，根據(jù)國內(nèi)外深井金屬礦山開采經(jīng)驗(yàn)，目前礦山生產(chǎn)過程中存在的地壓風(fēng)險(xiǎn)有：

(1)南采區(qū)大范圍充填采礦工藝的不充分接頂造成頂板沉降和地表塌陷，從而影響地表公路設(shè)施的安全。

(2)首采區(qū)頂板巖層含水層發(fā)育，隨著開采擾動(dòng)會(huì)誘發(fā)裂隙開裂貫通，從而導(dǎo)致上覆含水層發(fā)生透水事故，影響井下生產(chǎn)安全。

(3)采空區(qū)回填之前容易受到周圍爆破擾動(dòng)影響以及應(yīng)力分布不均勻作用，造成采空區(qū)頂板垮塌，從而影響生產(chǎn)活動(dòng)正常有序進(jìn)行。

(4)北采區(qū)埋深較大，存在較高的地應(yīng)力，巖爆風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)上升。

3 微震監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建

3.1 系統(tǒng)概況

針對(duì)東南礦體實(shí)際生產(chǎn)情況和采空區(qū)分布特征，建設(shè)一套適合謙比希東南礦體的地壓監(jiān)測系統(tǒng)以掌握東南礦體地下開采的地壓活動(dòng)規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對(duì)南采區(qū)680 m水平至800 m水平采空區(qū)、北采區(qū)1 080 m水平至980～960 m水平采空區(qū)地壓活動(dòng)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，根據(jù)規(guī)劃目前采用微震監(jiān)測和常規(guī)地壓監(jiān)測聯(lián)合監(jiān)測的方式。

微震監(jiān)測系統(tǒng)主要由微震檢波器、數(shù)據(jù)采集基站、時(shí)間同步授時(shí)器、微震服務(wù)器和微震數(shù)據(jù)采集軟件和分析軟件組成，中色非礦東南礦體微震監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖2所示，一共包括28支微震檢波器、4臺(tái)微震采集基站、1臺(tái)時(shí)間同步服務(wù)器和1臺(tái)微震服務(wù)器，4臺(tái)采集基站分別布設(shè)在1 080 m中段、980 m/960 m中段、800 m中段和680 m中段。

圖1 礦體三維模型圖

圖2 微震監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)圖

3.2 監(jiān)測區(qū)域

微震監(jiān)測臺(tái)網(wǎng)的設(shè)計(jì)對(duì)于監(jiān)測效果至關(guān)重要，合理的監(jiān)測臺(tái)網(wǎng)有利于保證微震事件定位的精度和整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)的靈敏度[10]。根據(jù)東南礦體采礦工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行臺(tái)網(wǎng)布設(shè)，監(jiān)測臺(tái)網(wǎng)基本覆蓋了生產(chǎn)區(qū)域，如圖3所示，東南礦體微震有效監(jiān)測區(qū)域?yàn)?80～1 080 m中段相關(guān)圍巖和采空區(qū)頂板。依據(jù)《巖體工程微震監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》中臺(tái)網(wǎng)設(shè)計(jì)要求，本次設(shè)計(jì)臺(tái)網(wǎng)定位誤差范圍在10 m以內(nèi)，滿足高精度定位的要求。

圖3 微震系統(tǒng)監(jiān)測區(qū)域

4 微震活動(dòng)與爆破擾動(dòng)的相關(guān)性分析

4.1 信號(hào)識(shí)別

微震監(jiān)測系統(tǒng)，其基本原理就是通過傳感器檢測周圍環(huán)境的振動(dòng)信號(hào)，并進(jìn)行相關(guān)計(jì)算處理，但振動(dòng)信號(hào)包含的種類較多，如微震事件信號(hào)、爆破事件信號(hào)、機(jī)械振動(dòng)信號(hào)、溜井放礦等信號(hào)。從爆破震源機(jī)理上來判斷，爆破一般產(chǎn)生的能量較大，因此波形振幅較大；爆破采用微差爆破方式，會(huì)形成多個(gè)振動(dòng)疊加信號(hào)；爆破信號(hào)頻率成分復(fù)雜，同時(shí)以低頻信號(hào)為主，信號(hào)特征如圖4所示。微震事件指的就是巖石破裂或者斷層滑移等礦山巖體地壓活動(dòng)事件，其本身破壞機(jī)理較為復(fù)雜，中色非礦微震事件頻率范圍一般分布在20～1 500 Hz，具有較為明顯的P/S波特征，微震事件波形衰減較慢、尾波發(fā)育，信號(hào)特征如圖5所示。

圖4 爆破信號(hào)特征

圖5 微震信號(hào)特征

4.2 數(shù)據(jù)分析

為了研究微震活動(dòng)與開采生產(chǎn)活動(dòng)之間的關(guān)系，本文選取北采區(qū)2021年6月至2021年8月的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，從時(shí)間、空間、強(qiáng)度三個(gè)維度揭示微震活動(dòng)與爆破活動(dòng)之間的相關(guān)特性。

1)時(shí)間特征分析

微震事件與爆破事件相關(guān)性分析從時(shí)間角度出發(fā)，主要是進(jìn)行事件發(fā)生時(shí)段的比較。圖6所示為北采區(qū)2021年6月至2021年8月的微震事件和爆破事件總體活動(dòng)率演化曲線，其中橫軸表示的是日期、左側(cè)縱軸表示的是事件每日發(fā)生數(shù)量、右側(cè)縱軸表示的是累計(jì)發(fā)生的事件數(shù)量。從圖6可以看出中色非礦北采區(qū)的爆破事件活動(dòng)比較規(guī)律、穩(wěn)定，曲線近乎直線，微震事件分布落后于爆破事件分布，因?yàn)楸剖录?duì)地壓活動(dòng)的影響有一定的延遲。微震事件是伴隨著爆破事件發(fā)生的，表明其巖層穩(wěn)定性對(duì)外界擾動(dòng)比較敏感，而爆破事件的穩(wěn)定說明了微震事件的發(fā)生與爆破總體水平無關(guān)、與局部關(guān)鍵爆破有關(guān)。

圖6 微震事件和爆破事件頻數(shù)直方圖

通過統(tǒng)計(jì)一段時(shí)間內(nèi)以天為區(qū)間24 h中微震事件頻次與能量的分布特征，可有效掌握礦山監(jiān)測區(qū)域內(nèi)微震事件的分布特征，在每天的地壓監(jiān)測實(shí)踐中針對(duì)性的分析時(shí)間區(qū)間內(nèi)微震活動(dòng)性，從而提高微震預(yù)警效率。圖7所示為北采區(qū)2021年6月至2021年8月的微震事件和爆破事件時(shí)辰分布圖，其中橫軸表示的是24時(shí)、縱軸表示的是每個(gè)時(shí)辰內(nèi)微震事件發(fā)生數(shù)量。

從圖7可以看出，中色非礦6—8月期間受井下采空區(qū)穩(wěn)定性及采掘活動(dòng)影響，微震事件活動(dòng)主要集中時(shí)段為7：00—9：00時(shí)段、19：00—21：00時(shí)段，爆破事件活動(dòng)主要集中時(shí)段為7：00—9：00時(shí)段、19：00—20：00時(shí)段，微震事件活動(dòng)主要集中時(shí)段與爆破活動(dòng)發(fā)生時(shí)段基本一致，這表明爆破活動(dòng)是導(dǎo)致微震事件活動(dòng)發(fā)生的主要原因。

圖7 微震事件和爆破事件日分布圖

2)空間特征分析

微震事件空間分布規(guī)律是指微震事件在空間上的三維分布規(guī)律和演化規(guī)律，而為了對(duì)不同區(qū)域地壓變化進(jìn)行區(qū)分，通過建立空間過濾體進(jìn)行針對(duì)性分析，依據(jù)中色非礦實(shí)際情況分別對(duì)北采區(qū)采場頂板圍巖體、底板圍巖體、隔離礦柱進(jìn)行針對(duì)性分析，空間過濾體完全包絡(luò)采場及空區(qū)，具體如圖8所示。

圖8 微震事件分析空間過濾體

圖9、圖10所示分別給出了中色非礦北采區(qū)2021年6月至2021年8月微震事件和爆破事件的空間分布圖，其中球體的顏色表示的是事件發(fā)生的時(shí)間，球體的位置就是對(duì)事件的定位。從圖9可以看出6—8月份期間監(jiān)測到的微震事件空間分布整體比較分散，相對(duì)比較集中區(qū)域主要分布于960 m中段和1 080 m中段之間的960- 1MU、980- 1MU、100- 1MU、1020- 1MU、1040- 1MU采場的頂板圍巖，980- 3MU采場、1000- 3MU采場、1020- 3MU采場、1040- 3MU采場的底板圍巖，960- 0XC、960- 1XC、960- 3XC隔離礦柱巖體。圖10所示爆破活動(dòng)主要分布在980 m中段的960ML- 1MU、960MLS- 1、1000ML- 1MU、1020ML- 1MU、960ML- 5MU、980ML- 5MU、980ML- 7MU、1000ML- 7MU、1020ML- 7MU采場，爆破類型主要為采場爆破、其次是巷道爆破。整體來看，微震事件與爆破事件的分布區(qū)域有較高重合性，表明微震事件與爆破事件的空間相關(guān)性較強(qiáng)，微震事件主要受生產(chǎn)活動(dòng)影響。

圖9 微震事件空間分布圖

圖10 爆破事件空間分布圖

3)強(qiáng)度特征分析

圖11所示為北采區(qū)2021年6月至2021年8月的微震事件和爆破事件震級(jí)分布情況，其中橫軸表示的是24個(gè)時(shí)辰、縱軸表示的是每個(gè)時(shí)辰內(nèi)微震事件發(fā)生數(shù)量和震級(jí)分布情況。通過分析震級(jí)分布情況可以看出，微震事件與爆破事件的日分布圖特征相似，二者變化趨勢相同，表明了微震的震級(jí)與爆破的強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系。

圖11 微震事件和爆破事件震級(jí)分布圖

能量- 地震距(E-M)關(guān)系表示的是微震事件地震參數(shù)釋放的能量和地震矩之間的相關(guān)性分析，可以表征分析區(qū)域內(nèi)巖體的剛度值相對(duì)變化趨勢，擬合值d值越大巖體剛度越大，圍巖抵抗變形能力越強(qiáng)。

圖12所示為監(jiān)測區(qū)域內(nèi)北采區(qū)6月—8月的E-M關(guān)系擬合曲線，6月份d值0.6，7月份d值2.5，7月份相對(duì)于6月份北采區(qū)巖體剛度大大增強(qiáng)，穩(wěn)定性提高，8月份d值為1.8，相較于7月份巖石穩(wěn)定性小幅度下降。具體統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 北采區(qū)d值統(tǒng)計(jì)分析

圖12 能量- 地震矩關(guān)系散點(diǎn)圖(E-M)

5 結(jié)論

通過實(shí)時(shí)監(jiān)測地壓活動(dòng)情況，從時(shí)空強(qiáng)角度分析礦山微震事件與爆破事件之間的變化規(guī)律，通過長期的對(duì)比研究，總結(jié)動(dòng)力災(zāi)害事件發(fā)生的前兆規(guī)律，對(duì)礦山巖體穩(wěn)定性及地壓活動(dòng)規(guī)律監(jiān)測意義重大，為深部規(guī)模化開采地壓控制技術(shù)研究提供參考。本文通過對(duì)中色非礦北采區(qū)微震監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用和數(shù)據(jù)分析，得出以下結(jié)論：

(1)通過時(shí)空強(qiáng)三個(gè)角度的分析可知，微震活動(dòng)與礦山開采活動(dòng)存在明顯的相關(guān)性。爆破活動(dòng)是導(dǎo)致微震事件活動(dòng)的主要外因，內(nèi)因是隨著開挖的進(jìn)行巖體穩(wěn)定性的自我調(diào)整產(chǎn)生的地壓活動(dòng)。

(2)大多數(shù)微震事件是發(fā)生在爆破作業(yè)之后，而爆破事件的發(fā)生具有穩(wěn)定性，這說明了微震事件的發(fā)生或聚集受特定區(qū)域關(guān)鍵爆破活動(dòng)影響，與整體爆破水平無關(guān)，因此要調(diào)整爆破參數(shù)以減少爆破對(duì)隔離礦柱和巷道穩(wěn)定性的影響。

(3)采場頂板暴露面積和時(shí)間需要進(jìn)行優(yōu)化考慮，通過加強(qiáng)浮石管理、支護(hù)和充填管理進(jìn)而控制地壓活動(dòng)。