眼前山鐵礦采區(qū)穩(wěn)定性微震監(jiān)測可行性研究

陳曉云，彭府華，任海龍，劉顯鋒，張洪昌

（1.鞍鋼集團礦業(yè)有限公司眼前山分公司，遼寧 鞍山 114000；2.長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 長沙 410012；3.金屬礦山安全技術國家重點實驗室，湖南 長沙 410012）

隨著我國露天礦山淺部資源的開采，越來越多的礦山將進入露天轉地下開采階段。露天轉地下開采是一項復雜的系統工程，會面臨諸多采礦安全和巖石力學的技術難題。國外關于露天轉地下開采的研究相對較早，從20世紀60年代開始，對露天轉地下開采的合適時期選擇、過度時期的生產系統與產量銜接、露天轉地下開采保安礦柱、露天邊坡穩(wěn)定性等問題進行了系統性研究，并積累了豐富的工程經驗［1］。國內開展露天轉地下開采的研究相對較晚，從20世紀90年代開始，國內部分露天礦山開始轉入地下開采，目前在露天開采極限深度、過度期銜接、露天轉地下開采工藝、覆蓋層厚度等方面進行了大量的研究工作，謝勝軍等采用主客觀組合權重法研究得出南芬鐵礦露天轉地下開采的最優(yōu)采礦方法為無底柱分段崩落法［2］。李海英等針對小汪溝鐵礦露天轉地下過渡期的實際生產條件［3］，系統地研究了地下開采與巖移特點，提出了應用誘導冒落技術控制掛幫礦地采巖移的方法，有效解決了露天轉地下過渡期產量銜接的難題。張欽禮、楊明財、杜逢彬等采用數值模擬分析方法［4-6］，得到了露天轉地下開采隔離層最優(yōu)厚度。李長洪、張亞民、徐帥等采用理論分析與數值計算方法［7-9］，對露天轉地下開采引起的地表巖移變形機理進行了研究。

綜合來看，目前國內外露天轉地下開采的研究內容的焦點主要集中在露天轉地下開采時期選擇、露天轉地下開采工藝、過度時期產量銜接、覆蓋層厚度、地下開采影響程度和范圍等。目前對露天轉地下開采采區(qū)穩(wěn)定性、地下采場圍巖及上覆巖體動態(tài)變形破壞演化特征現場監(jiān)測研究較少，對露天轉地下動態(tài)開采過程中地下采場圍巖及其上覆巖體的應力分布、移動破壞模式及其穩(wěn)定性有何影響，影響到何種程度，未形成定量的認識，不能實現對采區(qū)巖體動力災害的監(jiān)測預警，無法為露天轉地下開采后采場地壓管理與控制及露天邊坡的安全維護提供定量的科學依據與指導。本文針對鞍鋼集團眼前山鐵礦露天轉地下開采問題，采用現場微震監(jiān)測技術，對露天轉地下開采過程中上覆巖層的移動變形特征、地下采區(qū)穩(wěn)定性等問題進行研究，為礦山安全生產管理提供技術支撐。

1 工程背景

眼前山鐵礦主要礦體為Fe1，呈厚層狀產出，礦體走向延長1686m，傾向延伸105～895m，平均延伸629m，水平厚度28～225m，平均115m，礦石TFe品位18%～59.75%，平均品位27.87%。礦石類型以磁鐵礦石、碳酸鐵礦石為主，少量赤鐵礦石、假象赤鐵磁鐵礦石和硅酸鐵礦石。礦體傾向SW，傾角74°～86°礦體頂底板圍巖主要為千枚巖和混合巖，礦石較堅硬。但礦床內斷裂構造較發(fā)育地段，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石破碎。總體上礦體及頂、底板圍巖穩(wěn)定性一般。礦區(qū)三維圖如圖1所示。

圖1 礦區(qū)三維示意圖

眼前山鐵礦開采分三個階段：（1）露天開采階段，礦山早期采用露天開采，設計生產能力為250～300萬t/a，2012年完成了露天開采，形成露天境界長約1400m，寬500～700m，露天最底標高-183 m；（2）過渡期開采階段，從2012年開始，掛幫礦體開采范圍為：西端幫21～-183m間礦體；東端幫-69～-183m間礦體；北幫-123～-183m間礦體；南幫-159～-183m間礦體；（3）地下開采階段，在完成過渡期開采后，轉入地下開采，地下開采階段是指露天底-183m以下XVI～IX＋100勘探線間礦體，確定開采深度為-500m。設計采用無底柱分段崩落法開采，分段高度18m，進路間距20m。設計采用豎井、主斜坡道聯合開拓方式。-183m以下深部礦厚度在20～194m間，平均厚度為120m。目前礦山開采水平為-195m、-213m。

2 面臨的地壓問題

2.1 大范圍巖層移動變形問題

眼前山鐵礦工程地質條件相對較差，Fe1礦體下盤圍巖為太古代花崗巖，礦體上盤圍巖為綠泥千枚巖、綠泥石英片巖，Fe2、Fe3礦體上、下盤圍巖均為綠泥千枚巖，并且礦區(qū)斷層、節(jié)理較為發(fā)育。加上礦區(qū)巖層已經經過前期露天開采擾動影響和現階段崩落法開采二次擾動影響，目前礦區(qū)地壓顯現較為明顯，比如露天邊坡沉陷較為明顯，東、北幫錯動范圍已超出設計，地表顯現的錯動范圍已經大于一期終了的錯動范圍。地表照片如圖2所示。

圖2 地表照片

2.2 局部巖層穩(wěn)定性問題

受巖體自身條件影響及井下采動影響，井下多個區(qū)域巷道出現大變形及冒落垮塌現象，如Fm-1斷層附近巷道、2＃主溜井等。

3 微震監(jiān)測方案

3.1 微震監(jiān)測系統方案

根據采區(qū)現有開采范圍，設計采區(qū)微震監(jiān)測系統為48通道，即8臺數據采集儀，每臺數據采集儀由6個通道組成，共包括48個單軸傳感器。可實現對開采范圍的全天候、實時和立體監(jiān)測。

整個微震監(jiān)測系統設置五個分站點，分別為-633水平數據采集站點、-321水平數據采集站點、-213水平數據采集站點、-123水平數據采集站點和地表辦公區(qū)地壓監(jiān)控站。傳感器監(jiān)測到的信號通過信號電纜分別傳輸到各水平數據采集站點。數據采集站點通過光纜將微震信號數據傳輸至辦公區(qū)地壓監(jiān)控站。監(jiān)測系統的主服務器（監(jiān)測分析系統）布置在辦公樓的地壓監(jiān)測站內，整個系統由主服務器通過GPS實現各采集儀同步授時。并且通過互聯網，該監(jiān)測系統可以實現遠距離監(jiān)控功能。

采區(qū)微震監(jiān)測系統的基本結構組成如圖3所示。

圖3 采區(qū)微震監(jiān)測系統拓撲圖

3.2 傳感器布置方案

微震傳感器優(yōu)化布置來源于地震監(jiān)測領域，最初采用數值計算方法對地震監(jiān)測震源誤差進行研究。目前采用D值優(yōu)化理論，對傳感器的布置方式進行優(yōu)化。D值優(yōu)化理論中定位誤差橢球體體積與震源參數協方差矩陣式大寫成正比［10-13］。

微震監(jiān)測系統采用P波初次接收的時間進行定位，震源傳播到傳感器的最短時間可由式（1）表示：

式中：H＝（x0，y0，z0）和Xi＝（xi，yi，zi）分別為震源和第i個傳感器的坐標；V為P波的波速；t0為發(fā)震時刻；ti為讀入的P波到達時刻，i＝1，2，…n。

對于均勻各向同性速度模型，從震源H到第i個傳感器的走時為式（2）：

為進行震源定位，目標函數可以寫成式（3）：

式中：ri為殘差，即觀測值ti與P波計算到時值Ti（H，V，Xi）＋t0之差。通過求解（3）式的最小值，所求的參數值θ^為參數θ的最小二乘估計，為了估計θ^，通常先提供嘗試矢量θ（n），并減少目標Θ的值，對走時Ti（H，V，Xi）應用一階泰勒式線性化后，在每次迭代過程中如式（4）：

式中：δr（n）為在空間內點θ（n）上的時間殘差矢量，A為在θ（n）上計算的（1）式對參數θ的（n×4）偏微分矩陣，如式（5）：

A.Kijko和M.Sciocatti認為傳感器位置的優(yōu)化取決于協方差矩陣Cθ（X），如式（6）：

其中，對角矩陣W 中的對角元素可表示為式（8）：

Kijko定義震中位置標準差為平面圓的半徑，該圓的面積等于在（x0，y0）處標準誤差橢圓的面積，由此，確定震中誤差σxy，如式（9）：

式中：Cθ（X）ij為協方差矩陣的特征值Cθ（X）的元素。

根據傳感器的空間布置方案，對其定位效果進行必要的理論分析，即通過傳感器空間布陣列相對關系及定位原理進行仿真計算，反演出在該布陣設計方案條件下監(jiān)測精度范圍云圖，據此來評估該設計布置傳感器方案的合理性，用來優(yōu)化傳感器的布置。傳感器布置方案定位精度云圖如圖4所示，由圖4可以看出，這種傳感器布置方式具有較好的定位效果，采區(qū)微震事件定位精度在20m以內，可以滿足實際工程監(jiān)測需要。

圖4 定位精度反演圖

4 結語

1.眼前山鐵礦在露天轉地下開采過程中面臨大范圍巖層移動變形和采區(qū)局部巖層穩(wěn)定性等地壓問題，結合多通道微震監(jiān)測技術特點，制定了微震監(jiān)測系統方案。

2.采用D值最優(yōu)設計理論，對傳感器進行了優(yōu)化布置，優(yōu)化后監(jiān)測區(qū)域范圍定位誤差在10～15m以內，可保證采區(qū)實時在線和高精度監(jiān)測。

3.系統建設運行后，如何結合礦山的實際特點開展上覆巖層變形特征分析、采區(qū)穩(wěn)定性分析和動力災害的監(jiān)測預警，還需要做大量的工作。