微震監測技術在鎢礦殘礦回采過程中的應用

摘要：贛南地區鎢礦殘礦回采中，采空區分布復雜、地壓顯現等情況嚴重制約該區域殘礦資源安全、高效回采。為明確殘礦回采期間采空區圍巖及底部結構地壓顯現特點，本研究在某鎢礦殘礦回采區域建立微震監測系統，監測殘礦回采過程中采空區圍巖體及底部結構微震活動的時空特征。研究表明，殘礦回采過程中，微震事件矩震級主要集中在-4.2～-0.7，平均值為-2.1，微震事件釋放的能量較?。徊煽諈^及底部結構累積視體積成核及視應力集中區域隨著回采過程發生變化，31132礦體的回采使得附近31131礦體底部產生較多的微震事件，導致31131礦體底部結構區域應力發生較大集中，且應力集中區域隨著回采過程發生動態移動。微震監測技術相比傳統點式監測具有很大的優勢，為后續殘礦回采過程的采空區治理及底部結構加固提供技術參考。

關鍵詞：殘礦；采空區；微震；視應力；累積視體積

中圖分類號：TD76 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2023）07-00-07

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2023.07.011

Application of Microseismic Monitoring Technology in the Recovery of Residual Tungsten Ores

XU Qian1，2，3

（1. BGRIMM Technology Group; 2. BGRIMM Intelligent Technology Co.， Ltd.; 3. Beijing Key Laboratory of Nonferrous Intelligent Mining Technology， Beijing 100160， China）

Abstract： In the recovery of residual tungsten ores in the Southern Jiangxi， the complex distribution of goafs and the appearance of ground pressure seriously restrict the safe and efficient recovery of residual ore resources in the region. In order to clarify the appearance characteristics of ground pressure in the surrounding rock and bottom structure of the goafs during the recovery of residual ores， this study establishes a microseismic monitoring system in the mining area of a residual tungsten ore to monitor the spatiotemporal characteristics of microseismic activity in the surrounding rock and bottom structure of the goafs during the recovery of residual ore. The research shows that in the recovery of residual ore， the moment magnitude scale of microseismic events is mainly -4.2～-0.7， with an average value of -2.1， and the energy released by microseismic events is small; the cumulative apparent volume nucleation and apparent stress concentration area of goaf and bottom structure change with the recovery process， and the recovery of the 31132 ore body results in more microseismic events at the bottom of the nearby 31131 ore body， resulting in a significant concentration of stress in the bottom structure area of the 31131 ore body， and the stress concentration area moves dynamically with the recovery process. Microseismic monitoring technology has great advantages compared to traditional point monitoring， providing technical reference for goaf treatment and bottom structure reinforcement in the subsequent residual ore recovery process.

Keywords： residual ore; goaf; microseismic; apparent stress; cumulative apparent volume

贛南地區是我國著名的黑鎢礦產地，開采歷史悠久，為我國經濟建設做出巨大貢獻。該地區鎢礦的地質類型復雜，礦體多為急傾斜薄礦脈，巖石節理、裂隙較為發育，巖性以硬脆為主。當地主要采用空場法開采，經過幾十年的開采，形成大量采空區，致使不同規模的地壓活動時有發生。部分地壓災害具有代表性。1960年，大吉山鎢礦發生一次大面積地壓活動，冒落體積達百萬立方米，造成礦山停產和資源損失；1967年，盤古山鎢礦發生大范圍的地壓活動災害，導致礦山生產系統遭到破壞，資源損失近千萬元；1970年，下壟鎢礦樟斗礦區及漂塘鎢礦大龍山礦區采空區發生地壓災害活動，1979年，鐵山垅鎢礦的多中段發生地壓活動，均不同程度地給礦山帶來危害并造成資源損失。據不完全統計，贛南地區鎢礦山[1-3]受地壓災害影響的采礦損失率超過40%，加劇資源開采與需求增加的矛盾，使得許多礦山企業對大量殘礦資源的回收有迫切需求。

空場法開采形成的大量采空區是贛南地區鎢礦殘留礦體資源安全開采的主要制約因素。目前，采空區安全監測預警與評價主要有兩種方法，即點式監測和區域式監測。點式監測采用應力、位移等監測方式，因殘礦回采，不可能在采空區大范圍建立點式監測系統，只能在回采區域關鍵部位布設監測點，監測采空區圍巖變形破壞的演變過程；區域式監測采用微震的監測方式，微震監測能夠獲取巖體變形和破壞過程中微裂隙的發育，可以實現微裂隙的三維空間展示，結合微震數據處理、解釋，能夠實現采空區圍巖體穩定性評價。目前，許多研究將不同型號的微震監測系統應用于礦山開采中，從而保障礦山安全生產[4-8]。微震監測技術是一種監測巖體破裂失穩過程及構造活化狀態的有效方法。本文以贛南地區某鎢礦殘留礦體回采為工程背景，采用現場微震監測技術，構建采空區圍巖穩定性監測預警系統，評價采空區圍巖的破裂程度，從而為殘礦回采的采空區穩定性預測和防控提供科學依據。

1 工程概況

該鎢礦處于山地，北高南低，最低標高為320 m，高差為657 m，礦體賦存高程為200～750 m，礦區地層為寒武系，巖性主要為變質巖、砂巖、板巖及互相耦合具有復雜成分的巖體。礦區內對礦體構造影響較大的是F2斷層，該斷層破碎帶兩側有密集節理發育。該鎢礦山礦區中西部采用分段空場法進行開采，崩落頂板進行礦柱回收，造成地表塌陷，礦區中西部地表已塌陷至556 m標高的11號勘探線處。最近幾年，礦區地壓活動受構造及開采活動影響比較明顯，地壓顯現的區域是在礦區內部兩個采區的交接處，造成井下巷道出現局部變形和裂縫。礦山原有616 m中段平硐口、原有556 m中段平硐口已產生錯動，已無法進出人員和材料，496 m中段運輸巷道部分被錯動，對礦區安全生產構成威脅。地壓活動可能導致采場冒頂和運輸巷道坍塌，其現場圖如圖1所示。

礦區東部礦體是低品位資源，主要為448 m中段11號線以東區域以上礦體，標高為448 m中段至616 m中段。受品位低、早年無法形成效益等因素影響，開采速度較慢，使得東部礦體與中西部礦體形成階梯狀，導致東部低品位資源開采位于中西部已采區域的移動影響范圍內，使得東部礦體開采區域存在安全隱患，易造成資源損失。

近年來，受鎢礦資源價格攀升及降低鎢資源損失等因素驅動，該鎢礦針對礦區東部低品位礦體確定開發利用方案，提高低品位礦體資源的回收率。本文以位于礦區東部的3113采場的殘礦、低品位貧礦為研究對象，研究采動影響范圍內、地壓災害多發區域殘礦回采的采空區圍巖穩定性，為贛南地區鎢礦山類似殘礦、低品位貧礦開發利用提供技術參考。

2 微震監測系統

2.1 傳感器選擇及布置

根據該鎢礦巖體圍巖堅硬、普氏系數較高的特點，3113采場殘礦開采選用速度型傳感器，該傳感器響應頻率為20～2 000 Hz，靈敏度為52 V/（m·s），傳感器具有狀態自動檢測的功能。根據3113采場殘礦開采圍巖體地質情況及附近采空區位置，安裝的傳感器要考慮礦體爆破時沖擊波或飛石對傳感器及其線纜的損壞，為此，傳感器安裝圍繞3113采場且兼顧附近采空區進行布置，滿足采場殘礦回采周期內的安全監測需求。共采用8支單向傳感器，分別安裝在388 m中段、488 m中段，每個中段分別布置4個傳感器，每個中段傳感器安裝布置如圖2和圖3所示。同時，開展傳感器靈敏度分析，經判斷，傳感器安裝在388 m中段、488 m中段能夠實現3113采場殘礦回采過程的采空區穩定性監測分析。

2.2 系統網絡架構

微震監測系統主要由傳感器、數據采集分站、時間同步設備、微震服務器等組成。其中，傳感器安裝于圍巖的巖體內約10 m處，用于獲取巖石內部斷裂產生的微弱震動信號；數據采集分站對微震傳感器感知的信號進行重建、濾波、去噪等預處理，完成微震信號的預觸發及傳輸；時間同步設備主要用于保證各數據分站之間的時間誤差處于幾十納秒范圍，以保障微震時間的定位精度；微震服務器用于安裝微震數據采集軟件、微震數據分析軟件、微震三維定位展示軟件等。該系統利用礦區建設的工業網絡實現監測數據傳輸到地表監控室微震監測服務器。微震監測系統構成的拓撲結構如圖4所示。

2.3 微震數據處理

殘礦回采過程中，微震監測系統會接收鉆孔施工、爆破、巖體破裂及設備碰撞等信號。其中，巖體受應力擾動發生破裂信號的波形，與其他幾種信號的波形在波形持續時間、信號起伏程度等方面有明顯區別。依據上述區別，人工篩選出巖體破裂產生的波形，并劃定縱波或橫波的起始時間，進而進行巖體破裂微震事件定位、震源能量、矩張量、地震矩等震源參數的計算，后續可以結合殘礦回采過程，利用微震數據進行采空區穩定性分析。

3 微震監測數據分析

388～448 m中段范圍內，構建的3113采場31131礦體、31132礦體及其井巷工程如圖5（a）所示。其中，31132礦體采用分段鑿巖階段出礦空場法回采，東西向布置采場，采場長度約為43 m，高度約為61.1 m，分4個鑿巖分段，每段平均高度約為15.3 m，控制在9.7～12.9 m。采場切槽是一次爆破形成的，底部切槽切井南端部分與上分段切槽同時爆破，礦房爆破分4次完成。31132礦體回采后，采用激光掃描儀進行空區掃描，建立采空區三維模型[9]，如圖5（b）所示。3113采場31131礦體、31132礦體與采空區掃描模型的疊加如圖5（c）所示。

根據圖5（c）31132礦體與采空區三維模型可知，殘礦分布主要包括上部頂柱、下部底柱及側部間柱。由采空區3D激光掃描模型與礦體實體模型復合結果可知，頂柱超爆現象較為嚴重，頂板界線起伏較大；底部塹溝結構里留有存窿礦石，未全部放出；間柱厚度上小下大，間柱上部需要重點保護。31132礦體殘礦按照頂板、底柱及間柱的流程進行回采。回采時間是2014年12月26日至2017年3月13日。

3.1 微震事件可視化

微震監測周期是2015年3月23日至2017年5月18日。在進行微震監測數據分析時，剔除微震監測系統受傳感器通信線路砸斷、系統時間不同步、傳感器連接盒電路板燒毀等因素影響的數據。

31131礦體、31132礦體微震監測區域分析如圖6（a）所示。其中，灰色表示31131礦體、31132礦體及巷道工程，紅色區域表示該區域的采空區，藍色四面體為傳感器布置位置。監測周期內微震監測數據如圖6（b）所示，共有3 221個監測數據（微震事件）。這里特指監測周期內觸發傳感器數目大于4的微震事件，球體的顏色代表事件發生的時間，球體的大小代表微震事件的矩震級，球體越大表明事件的震級越大。經統計，監測區域內，監測周期每年監測到的微震事件數如表1所示。由表1可以看出，采集的數據質量較高，為后續處理分析奠定基礎。

2015年、2016年及2017年微震監測數據三視圖分別如圖7、圖8和圖9所示。2015年，微震監測數據主要集中在底部結構及其巷道；2016年，微震監測數據整體向左及底部結構外部巷道擴散；2017年數據顯示，微震事件主要分布于采場底部結構左側。由微震監測數據分布及數量可知，隨著采場殘礦開采推進及出礦，采場底部結構應力及采空區圍巖受力處于動態變化過程，尤其在388 m中段與采空區底部之間的微震事件較為集中，這與采礦活動不斷推進導致礦柱或圍巖受力狀態改變是相符合的。

3.2 采場底部結構視應力分析

監測區域視應力（lgAS）分布可以采用能量指數間接表示，能量指數是微地震領域內的一個監測指標，該指標越大，能夠反映微震發生時震源的驅動應力越大，代表巖石的視應力比較大。該指標為某事件的輻射微震能量與監測區域內所有微震時間的評價微震能量的比，可以采用能量指數對監測區域內視應力分布進行分析。因此，通過統計獲取微震事件的多少及其震級大小，運用定量地震學原理，研究區域內視應力的空間分布[10-12]。

對于包含31131礦體、31132礦體的3113采場底部結構，388 m中段的視應力分布云圖如圖10所示。在31132礦體開采過程中，隨著3113采場采空區暴露面積的增加，采場底部結構及采空區圍巖內部應力產生集中，受開采過程影響，其應力集中程度處于集中、轉移再集中的動態過程。2015年，最大應力分布在388 m中段31131礦體和31132礦體的前側；2016年，最大應力分布在31131礦體和31132礦體底部的后側；2017年，最大應力分布在31131礦體和31132礦體底部的后側。由圖10可知，最大應力分布和位置處于動態變化中，最大應力由2015年31131礦體和31132礦體底部的前側逐漸轉移到2017年礦體底部的后側，同時視應力集中變化區域也在變動。

3.3 采場底部結構視體積分析

采動過程中，圍巖巖體失穩破壞是一個逐漸發生的過程，表現為失穩范圍由小到大，失穩程度由弱到強，巖體非彈性應變，即視體積，伴隨著該過程逐漸積累增大。視體積表示震源非彈性變形區巖體體積，它是一個穩健的表示巖體破壞的震源參數。因此，可以采用視體積表示區域內應變分布。對于包含31131礦體、

31132礦體的3113采場底部結構及采空區圍巖，其視體積分布云圖如圖11所示。2015年，最大位移分布在388 m中段31131礦體底部中間偏后的位置；2016年，最大位移分布在388 m中段31131礦體底部中間偏前的位置；2017年，最大位移分布繼續向31131礦體前部移動。另外，2015年、2016年、2017年累計視體積為190 mm左右。由圖11可知，開采過程中，累積視體積的變化顯示采場底部結構及圍巖非彈性應變發生變化，圍巖巖體發生非彈性變形的位置也處于動態變化中。

4 結論

微震監測系統能夠定量監測殘礦開采過程的采場底部結構及采空區圍巖體破裂情況，并獲取圍巖體破裂演化趨勢，較傳統點式巖體監測技術具有非常大的優勢，為殘礦的安全回采提供很好的技術支撐。通過監測周期內微震事件的矩震級能量及平均值的統計分析，殘礦回收過程中，圍巖體破裂程度較低。根據微震事件空間分布，微震事件主要集中在采空區下方與底部結構之間。通過監測周期內采場周圍微震累積視體積和視應力分析，31132礦體的回采使得附近31131礦體底部產生較多的微震事件，導致31131礦體底部結構區域應力發生較大集中，使得底部結構累積視體積具有成核的趨勢，同時，應力集中區域隨著回采過程發生動態移動。

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