基于微震監測的自然崩落采礦法采場頂板崩落規律研究

摘要：自然崩落采礦法開采過程中，頂板崩落情況直接影響礦山的安全生產。為了研究某礦山自然崩落采礦法開采過程中頂板的崩落規律，基于礦山微震監測數據，從微震事件的時空演化特征、能量指數與累積視體積關系曲線2方面進行分析。結果表明：在拉底爆破的影響下，受到擾動的范圍主要為首采區中心拉底區域上層頂板；隨著時間推移，拉底空間變大，巖體破裂在空間上逐漸向上發展，同時，巖體崩落高度逐漸降低；隨著空間高度的增加，可能發生大尺度巖體破裂的時間逐漸推遲。研究結果可為后期頂板崩落預警工作提供理論基礎。

關鍵詞：自然崩落采礦法；微震監測；頂板崩落；爆破擾動；拉底爆破；巖體破裂

[中圖分類號：TD853.36+4 文章編號：1001-1277（2025）03-0040-04 文獻標志碼：A doi：10.11792/hj20250307 ]

引言

自然崩落采礦法因生產成本低、工藝簡便在國內外得到了廣泛應用，但隨著開采空區跨度的增大，巷道頂板發生崩落的幾率也逐漸增大［1］。在開采過程中，地質條件、巷道斷面形狀、采動等因素都會使礦體巷道頂板發生崩落，但崩落速度、崩落面積較難把控，崩落速度快、大面積崩落將嚴重威脅井下人員與設備的安全［2-7］。因此，及時掌握巷道頂板崩落規律，結合出礦量控制頂板崩落情況對安全生產具有極其重要的意義。

近年來，微震監測技術因其大尺度、高精度、安裝簡便等優點在海內外礦山領域得到了廣泛應用［8-14］。1986年，北京門頭溝煤礦率先將微震監測技術用于監測礦山頂板微破裂事件，這是多通道微震監測系統在國內地下礦山的首個應用案例［15］；1993年，CHEN等［16］將微震監測技術用于自然崩落采礦法開采中的頂板崩落監測，并通過監測所得的巖爆數據證明了微震監測技術可用于自然崩落采礦法巖石力學演化機制的研究。也有很多學者對微震各參數展開了討論，徐奴文等［17］對巖質邊坡破裂前后微震事件的b值特征進行了研究，尚仕科等［18］通過分析微震事件的震級、能量等多個參數的變化，總結了巖爆的發生規律。這些研究不僅推動了微震監測技術的進一步發展，也為礦山安全監測和地壓災害預警提供了有力支持，但這些成果仍具有一定局限性，并不能完全適用于采用自然崩落采礦法開采的礦山。因此，本文從微震事件的時空演化特征、能量指數與累積視體積關系曲線2方面進行分析，總結出某礦山自然崩落采礦法開采頂板崩落的發展規律，進而為后續礦山各區域頂板穩定性監測及有效預警奠定基礎，也為同類型礦山指導安全生產提供理論依據。

1礦山微震監測系統構建

某礦山礦產資源豐富，采用自然崩落采礦法開采，主要有4#、5# 兩大礦體，礦體在平面上呈巨大透鏡狀，沿傾斜方向呈似板狀。目前，生產工程劃分為530 m中段和410 m中段分期回采。當前530 m中段回采工作已接近尾聲，礦山主要生產作業已逐步轉為410 m中段，包括410 m運輸水平、434 m出礦水平、447 m拉底水平及副層水平。

4# 礦體天然地質條件較為復雜，存在多條斷層橫切礦體，巖體節理裂隙發育，導致礦床圍巖完整性、穩固性差，同時，受到采礦工藝的影響，作業過程中巷道經常有片幫、冒頂等現象發生，嚴重影響生產作業安全。

為了有效控制頂板穩定、保障生產安全，礦山根據自身地質條件建立了一套微震監測系統。該系統通過在巖體中布置傳感器，再采用算法對捕捉到的微震信號進行反演推算，既能得出產生微破裂的位置、時間等信息，亦可根據微震事件的聚集區域等信息宏觀判斷巖體的破裂狀態［19］，進而及時發現頂板冒落前兆，防止發生進一步地壓災害。

微震監測系統建立于礦山主要生產區域410 m中段至530 m中段。其中，447 m拉底水平以上120 m范圍主要用于監測頂板的崩落情況，即崩落區。該設計方案采用了更靈敏的加速度型傳感器，于4# 礦體447 m拉底水平以上120 m范圍共布置10個傳感器。其中，464 m水平布置4個，494 m水平布置2個，530 m水平布置4個。礦山4# 礦體464 m水平、494 m水平、530 m水平微震監測臺網布置如圖1所示。

2基于微震事件時空演化特征的頂板崩落規律研究

微震監測系統能夠實時監測頂板在裂隙發育過程中產生的微震事件，并通過一定算法準確定位出微震事件發生的位置［20］。因此，通過分析微震事件的時空演化，能夠了解頂板破裂演變過程，進而為礦山各區域頂板穩定性監測及有效預警奠定基礎。

2023年7—11月4# 礦體崩落區微震事件投影于447 m拉底水平的俯視圖如圖2所示（圖2中球體即為微震事件，發生時間遠近由綠色—紅色來表示）。由圖2可知：水平方向上，隨著時間的推移，微震事件空間聚集區域由15巖—21巖向19巖—27巖推進，其他區域微震事件分布較為零散。經查閱礦山拉底記錄，微震事件聚集區域符合礦山實際拉底進展情況，表明除首采區中心的拉底區域上層頂板受到擾動外，其他區域相對穩定，也說明了采用微震監測技術來監測頂板崩落情況是可行的。

為了更好地觀測崩落區內微震事件的發展情況，需要對崩落區進行空間邊界約束，該空間邊界約束覆蓋礦體447 m拉底水平以上120 m范圍，基于礦山464 m、494 m、530 m水平分別建立464～494 m、494～530 m、530～584 m 3個不同高度的塊體模型，以便于對不同高度范圍內微震事件的分布進行分析。具體約束情況如圖3所示。

2023年7—11月4# 礦體崩落區微震事件正視圖如圖4所示。由圖4可知：豎直方向上，除10月份微震事件數量相對較少、規律不明顯外，其他月份464～494 m高度微震事件量明顯多于494～530 m、530～584 m高度，這說明在447 m水平拉底爆破的影響下，較靠近拉底層的頂板區域受到的擾動較大。同時，根據不同微震事件發生的時間來看，464～494 m高度微震事件球體多為綠色，即發生時間較早，494～530 m高度綠色球體與紅色球體數量則相對均衡，而530～584 m高度紅色球體數量明顯多于綠色球體，即發生時間普遍較晚。隨著時間的推遲、拉底空間的變大，巖體破裂呈現逐漸向上發展的趨勢。

根據不同時間段內礦體上部覆巖內微震事件推測出了巖體崩落高度（如圖4所示）。由圖4可知，7—11月，崩落高度由571 m降至545 m，呈現隨時間推移逐漸降低的趨勢。

3基于能量指數與累積視體積關系曲線的頂板垮塌風險研究

能量指數與累積視體積關系曲線常用來表征礦體圍巖應力與應變之間的演化關系。能量指數的上升、下降體現了圍巖應力的變化，如果能量指數下降，意味著能量進行了釋放；反之，上升則說明能量處于積蓄的過程。累積視體積的上升、下降體現了圍巖應變的變化，如果累積視體積突然上升，意味著圍巖內發生了較大的變形，發生地壓災害的概率就會增大。故能量指數下降，同時累積視體積突然上升，可以作為判斷巖體是否會發生大尺度破裂的依據。

以2023年7—11月的微震數據為基礎，對464～494 m、494～530 m、530～584 m塊體內微震事件的能量指數與累積視體積關系曲線進行分析，進而得出頂板崩落的演化規律。各塊體內微震事件生成的能量指數與累積視體積關系曲線如圖5所示。

這說明在這些時間段，464～494 m塊體可能會發生大尺度巖體破裂，而現場477 m高度底盤沿脈聯絡巷在10月中旬產生了開裂。同理，由圖5-b）可知：在8月底、9月初、9月中旬、10月下旬、11月中旬出現了能量指數下降，同時累積視體積上升的現象，這說明494～530 m塊體在這些時間段可能會發生大尺度破裂。而530～584 m塊體則在10月中旬、10月下旬、11月下旬可能會發生大尺度破裂（如圖5-c）所示）。經現場巡查，554 m高度406穿東側頂盤在12月初裂縫發展較為明顯，現場情況如圖6所示。由此可以看出，隨著空間高度的增加，可能發生大尺度巖體破裂的時間也逐漸推遲，顯示出了很好的時空相關性。

4結論

本文通過對微震事件的時空演化特征、能量指數與累積視體積關系曲線等進行分析，驗證了采用微震監測技術進行自然崩落采礦法頂板崩落監測的可行性、準確性和先進性，并得出了以下結論：

1）在拉底爆破的影響下，受到擾動的范圍主要為首采區中心的拉底區域上層頂板，其他區域相對穩定。

2）隨著時間的推移、拉底空間的變大，巖體破裂在空間上逐漸向上發展；同時，巖體崩落高度7—11月由571 m下降至545 m，呈現隨時間推移而逐漸降低的趨勢。

3）隨空間高度的增加，可能發生大尺度巖體破裂的時間逐漸推遲，該現象體現了很好的時空相關性，現場具體顯現情況（554 m高度406穿東側頂盤在12月初裂縫發展較為明顯）也與該規律相契合。

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