金屬礦山微震風險管理實踐綜述

張少杰,劉育明,張愛民,郭 雷,楊志國(中國恩菲工程技術有限公司,北京 100038)

1 前言

在地壓顯現劇烈的地下礦山中,微震風險通常被歸類為極端風險,嚴重時可能導致多人傷亡和礦山長時間的關閉,因此,微震風險的主動管理對于在地壓顯現劇烈條件下生產作業(yè)的礦山至關重要[1-6]。本文主要對國外微震風險管理實踐方面的經驗進行概述和介紹,為國內深井礦山微震風險管理實踐提供借鑒參考。

2 微震風險及其管理過程

澳大利亞學者Owen等提出微震風險可用下式表示:微震風險=微震災害×巖體損傷概率×暴露,式中,微震災害是指某震源在給定時間段內發(fā)生某一震級微震事件的平均概率,包含三個要素:微震事件發(fā)生的位置、微震事件的等級和微震事件的發(fā)生概率。

巖體損傷概率是指考慮到局部場地特征和微震災害的鄰近性,在給定位置巖體發(fā)生損傷的可能性。

暴露是指處于風險中的采礦元素,通常指的是礦山勞動力,但也可能包括礦山設備和資源儲量等。

澳大利亞學者Potvin和Wesseloo等將微震風險管理過程劃分為四個層次:(1)數據收集。(2)開采微震響應。(3)控制措施。(4)微震風險評估。每一個層次包含若干個單元,每一單元再包含若干實踐活動(進一步細分為標準實踐活動和高級實踐活動)。

礦山的微震風險管理實踐是礦山現場微震事件強度和復雜性等眾多因素的函數。對于微震風險較低的礦山來說,實施標準實踐活動即可。對于微震風險較高的礦山,則宜實施高級實踐活動。以數值模擬分析為例,其標準實踐活動和高級實踐活動的匯總表見表1。數值模擬分析主要包含三個方面:①對比模型;②反分析;③預測模型。

表1 數值模擬分析的標準實踐活動和高級實踐活動匯總表

2.1 數據收集

需要注意的是,采礦誘發(fā)微震風險的管理需要來自不同數據源、不同類型的多種數據,而不僅僅是微震數據。數據收集層有四個組成部分:地質、采礦、巖土和微震。除微震數據外,所有其他數據通常以某種形式在大多數礦區(qū)已經存在。由于收集這些現有數據的目的不是微震管理,因此,要充分利用這些數據,通常需要解決許多挑戰(zhàn)。

例如,為了探明礦體儲量和資源,在礦山開發(fā)的勘探和早期階段開發(fā)了地質模型。構造地質學家在礦山現場時,他們的工作通常致力于新的勘探目標,對于已有的開采礦體模型的更新、細化工作則往往容易忽視。許多礦山井下巷道廣泛使用噴射混凝土支護,不僅妨礙了巖體條件調查的可視性,而且妨礙了生產礦山結構模型的持續(xù)細化和驗證。地質模型被開發(fā)和維護僅是從礦化角度出發(fā)的,而巖土特性(結構、寬度、填充物特性)則通常被忽略了。

采礦數據可能不完整,缺乏一些細節(jié),這些細節(jié)對微震分析十分重要,但生產人員并不十分重視。對于高級實踐活動來說,則需要記錄每次爆破的坐標、精確啟動時間、使用的炸藥噸數、爆破類型(天井、切割槽、一步或二步采場、拉底和放礦漏斗)。這些數據對于研究爆破微震響應和爆破后作業(yè)人員撤出時間的優(yōu)化至關重要,但由于其對生產目的來說并不重要,因此往往并沒有被完整記錄。

除了爆破信息記錄不完整外,生產停滯數據很少以有用的方式存儲以供分析。生產停滯率通常被用作微震活動的潛在解譯,但該數據并未被記錄,未能被用來正確分析微震活動性和開采率之間的關系。

開采區(qū)域的幾何信息通常未被完整記錄存檔。當前的掘進尺寸和空區(qū)的幾何信息基本上會被記錄存檔,但前幾個月和前幾年的開采區(qū)域的幾何信息則并沒有被普遍地記錄存檔。礦山開采區(qū)域的幾何狀態(tài)信息不僅對微震活動的發(fā)生具有關鍵的影響作用,而且對巖爆孕育、發(fā)生機理的研究分析也具有相當重要的作用。

微震數據的質量保證/質量檢查(QA/QC)對于微震風險管理至關重要。由于微震數據的質量保證/質量檢查對微震分析結果的影響并不總是顯而易見的,因此,微震數據的質量保證/質量檢查經常被忽視。Morkel和Wesseloo發(fā)現,他們調查的20個地點中有19個由于微震系統(tǒng)設置的變化,導致微震震源參數值發(fā)生了較大變化。這些變化不是由巖體的自然變化引起的,而是由較差的QA/QC實踐引入的。微震事件的記錄是一個復雜的過程,該過程可分為以下步驟:(1)波在巖體中的傳播。(2)波被微震傳感器拾取到。(3)波被記錄、傳送至微震服務器。(4)通過算法和人工波形處理計算震源參數。(5)對震源參數進一步可視化和分析。上述每一個步驟都為錯誤和不確定性留有若干空間。因此,微震系統(tǒng)管理人員在確保微震數據質量方面面臨著諸多挑戰(zhàn),記錄的微震數據的系統(tǒng)誤差也并不少見。

擁有一個共同的平臺來實現不同數據庫間的交互和比較也是一個挑戰(zhàn)。數據收集方面的高級實踐將擁有廣泛的數據,在數據庫中進行合理的組織,具有良好的可視化效果,便于在所有數據庫的多個分析中輕松訪問和定期使用。

2.2 開采微震響應

開采微震響應是在采取控制措施將微震風險降低到可接受的水平之前,對礦山現場的震源進行識別、理解,對微震災害進行定量化研究。開采微震響應研究的主要方法有:(1)數值模型分析。(2)地震學模型分析(震源位置、震源參數、震源機制、層析成像)。(3)日常的觀測分析和先前的開采微震響應案例研究。

數值模型分析和地震學模型分析都屬于高度專業(yè)化的領域。礦山企業(yè)非常依賴外部專家顧問來完成這些分析任務。日常觀測和案例研究調查主要由礦山現場人員完成。因此,我們有三個信息來源,通常由三個不同的群體產生,需要整合并轉化為知識。其中兩個來源是模型的結果,第三個來源是觀測結果。由于微震監(jiān)測的間接性質,包括根據理論模型和假設進行的多層次的處理和解釋,因此必須認識到,微震監(jiān)測過程產生的是模型,而不是數據。微震風險管理實踐中常會出現的情況:對微震災害的理解和預測,由三個信息源中的一個主導,而其他兩個信息源的輸入不足。在許多情況下,對微震危險的解釋要么由數值模型主導,要么由地震學模型主導。由于缺乏礦山現場的觀測資源,從案例研究中獲得的觀察結果和經驗教訓通常也相對較差。理想情況是,這兩種模型應該相互比較,更重要的是,與現實(觀測和案例研究)深度關聯(lián),以便在一定程度上了解微震震源以及這些震源對開采的影響。只有這樣,微震危險性的預測才能有一定的可信度。這種情況只能在礦山人員既對數值模擬、地震學分析技術有充分了解,而且對現場觀測也非常熟悉的情況下才會發(fā)生。另外這樣的人員還必須有專門的時間來研究模型,并產生這些基本認知、判斷和模型預測。

采用高級微震風險管理實踐的操作往往強調定期進行調查,并作為對微震事件變化的響應。當發(fā)生重大微震事件時,將使用所有可用數據和分析技術進行辯證分析,以調查微震事件的根本原因,以及根據最近的事態(tài)發(fā)展,判斷當前的控制措施是否足夠。

2.3 控制措施

微震風險控制措施主要有:(1)支護加固。(2)減少作業(yè)人員暴露于危險區(qū)域。(3)礦山設計變更。(4)改善巖體條件。

2.3.1 支護加固

動態(tài)載荷下的支護加固被視為減輕微震事件后果的主要措施。新的支護加固產品被不斷地研發(fā)出來并在礦山現場試驗應用,以提高對動態(tài)載荷下支護加固措施的認識,但動態(tài)載荷下支護加固的理論基礎和設計方法仍不夠完善,仍有待進一步的研究。需要指出的是,微震風險控制的高級實踐應包括在大型微震事件后,必要時對支護加固進行評估和修復。礦山越來越普遍的做法是使用三維激光掃描儀測量大型微震事件發(fā)生前后的位移數據,并將這些測量數據用于估計支護加固系統(tǒng)性能的消耗和殘余,以及重大微震事件后是否需要主動修復。此外,潛在影響支護加固性能的一個重要因素是腐蝕。然而,大多數礦山沒有工具來量化腐蝕對支護加固性能的影響。

2.3.2 減少作業(yè)人員暴露于危險區(qū)域

絕大多數微震活躍礦山防范風險的措施之一是在微震活動加劇期間減少人員暴露于危險區(qū)域,制定人員撤出危險區(qū)域和重返工作面的準則,從而降低風險。有些礦山根據經驗,在時間上將掘進爆破后的重返工作面時間限定為3 h,在空間上限定為從爆破位置延伸半徑30 m。更高級的實踐為基于歷史微震響應的統(tǒng)計分析確定受限時間和受限空間,受限時間和受限空間在礦井的不同區(qū)域可以根據分析研究結果調整變化,并且可以準實時評估后再返回工作面。減少人員暴露于危險區(qū)域的其他做法還包括改變礦井布局,以盡量減少高危險區(qū)域的通道,增加遠程或全自動設備的使用。對工作人員進行更好的教育和培訓,通過提高他們對微震危險加劇跡象的認識來減少暴露于危險區(qū)域。

2.3.3 礦山設計變更

礦山設計變更的目的是通過減少微震危害或后果來降低微震風險。常規(guī)情況下,礦山設計變更中的控制措施通常較難被應用,但在某些情況下,可以非常有效地降低微震風險。礦山設計變更可能直接影響微震災害,例如,通過設計形成有利的應力條件,或者通過創(chuàng)造更多的靈活性,減少人員暴露于危險區(qū)域來間接影響微震風險,減小微震事件帶來的后果。總體降低微震風險應是礦山設計微震控制措施的目標,而不是局部或短期收益。在某些情況下,經歷過非常嚴重微震反應的礦山將成為微震控制礦山,這意味著與最小化微震風險的設計布局相比,礦山設計的傳統(tǒng)驅動因素,成本、生產效率、品位和回收率將成為次要因素。

開采順序優(yōu)化是微震風險控制的常用手段之一。巖土工程師為礦山規(guī)劃提供設計原則,并對擬定的開采計劃進行審查。與微震活動構造相關的風險通常通過開采順序優(yōu)化來減輕。例如,一般遠離斷層而不是朝向斷層進行采礦,并對開采順序進行優(yōu)化,以減小采礦引起的斷層等地質構造上的剪切應力。

2.3.4 改善巖體條件

改善巖體條件的主要措施有卸壓爆破和水力壓裂。通過卸壓爆破或水力壓裂等預處理技術來改變巖石的性質,以改變其對采礦引起的應力變化和微震響應,減小微震事件發(fā)生的可能。可以在巷道上實施卸壓爆破,也可以在崩落法礦山使用較大范圍的水力壓裂或限制爆破。

2.4 微震風險評估

微震風險評估可分為三個層次:(1)個人主觀風險評估。(2)采用專家意見的正式主觀風險評估。(3)定量風險評估。

個人主觀風險評估:巖土工程師采用正式的風險評估技術(如事故樹)進行風險評估,并為事故樹的組成部分分配主觀概率。該風險評估記錄在文檔中,并列出了主觀概率。該文檔支持對風險評估進行審計和專家評估。針對特定場景的事故樹被初始開發(fā)之后,微震風險評估的過程則不再繁重。

采用專家意見的正式主觀風險評估:在巖土工程文檔中被充分記錄的采用專家意見來推導主觀概率的正式風險評估。選擇一個專家小組,并由一名主持者根據完善的流程管理風險評估。

定量風險評估:在基于事故樹的正式風險評估中采用概率論對微震風險進行計算,并對計算過程和風險評估過程進行記錄。

微震風險評估還可以分為短期微震風險評估、中期微震風險評估和長期微震風險評估。

由于微震活動的短期波動性,短期微震風險評最具挑戰(zhàn)性。短期微震風險通常用于評估未來幾個小時或幾天內微震事件發(fā)生的潛在可能性。短期微震風險性評估是在研究各種微震參數隨時間變化的基礎上進行的,有效地尋找“異常”或前兆行為,并將這些異常或前兆行為整合到一個評級系統(tǒng)中。一般可通過對地震密度和頻度分布的空間評估來評估當前的微震風險狀態(tài)。

中期微震風險大約每月評估一次,使用震源參數的趨勢來確定某區(qū)域發(fā)生大型微震事件的潛在可能性。中期微震風險評估的關鍵在于,從過去的微震事件中得出的中期微震危險如何被用來識別將來的高震級微震風險。

長期微震災害受礦區(qū)地質特征和開采參數的控制。長期微震災害通常考慮特定規(guī)模事件發(fā)生的統(tǒng)計意義上的可能性,或特定規(guī)模事件的預期重現期。長期微震風險通常使用根據過去采礦微震響應校準的數值模型進行評估。

3 結論

礦山微震風險管理是一個復雜的過程,最佳實踐由礦山現場具體條件決定。本文對國外微震風險管理實踐方面的研究進行了概述和介紹,簡要討論了實踐活動中一些細節(jié)問題,可為國內礦山微震風險管理實踐提供參考,為制定和評估礦山現場風險管理提供一個有價值的框架。