胡靜云，李庶林，林 峰，彭府華，袁節(jié)平，陳際經(jīng)

(1.長沙礦山研究院國家金屬采礦工程技術(shù)研究中心， 湖南長沙 410012;2.湖南柿竹園有色金屬有限責(zé)任公司， 湖南郴州市 423037)

基于微震監(jiān)測的大爆破后誘發(fā)余震特性研究

胡靜云1，李庶林1，林 峰1，彭府華1，袁節(jié)平2，陳際經(jīng)2

(1.長沙礦山研究院國家金屬采礦工程技術(shù)研究中心， 湖南長沙 410012;2.湖南柿竹園有色金屬有限責(zé)任公司， 湖南郴州市 423037)

礦山井下大爆破高強(qiáng)度開采擾動(dòng)使圍巖體中應(yīng)力重分布劇烈且復(fù)雜，因此監(jiān)測和研究大爆破后在復(fù)雜采空區(qū)環(huán)境下礦柱和圍巖體中誘發(fā)的余震特性對(duì)于掌握應(yīng)力重分布特點(diǎn)具有重要意義。利用先進(jìn)的36通道全數(shù)字型微震監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)柿竹園礦一次裝藥量約為437 t的井下中深孔特大爆破過程及余震進(jìn)行了實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測，在監(jiān)測的基礎(chǔ)上研究了大爆破后圍巖體中余震震源的時(shí)空分布特征及能量釋放特性，得到了余震發(fā)生最劇烈的階段為大爆破后0.5 h內(nèi)，應(yīng)力重分布的高應(yīng)力區(qū)是余震事件積聚區(qū)域。同時(shí)通過余震事件波形的P波初動(dòng)分布對(duì)余震事件積聚區(qū)進(jìn)行了震源機(jī)制解答，得到了震源處的破裂類型為剪切型破壞，該破裂類型與現(xiàn)場觀察結(jié)果相一致。通過對(duì)大爆破過程和大爆破誘發(fā)余震特性的監(jiān)測和分析，為柿竹園礦下一步的回采順序提供了合理化建議。

微震監(jiān)測;大爆破;余震特性;震源機(jī)制解答

微震監(jiān)測系統(tǒng)是一個(gè)集數(shù)字化與信息化技術(shù)于一體的礦山地壓監(jiān)測設(shè)備，它以自身強(qiáng)大的功能與特點(diǎn)迅速成為目前全球最先進(jìn)的礦山地壓監(jiān)測技術(shù)，在國外已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。通過國內(nèi)眾多知名學(xué)者與專家的推廣［1］，微震監(jiān)測技術(shù)目前已經(jīng)在我國礦山、水電大壩、深埋隧道等領(lǐng)域得到應(yīng)用，并取得了良好的應(yīng)用效果和豐富的科研成果，微震監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)成為提高礦山勞動(dòng)生產(chǎn)力水平與設(shè)備裝備水平的強(qiáng)有力的數(shù)字信息化設(shè)備。

目前，微震監(jiān)測技術(shù)在礦山復(fù)雜采空區(qū)、高壩等巖體穩(wěn)定性監(jiān)測和深井礦山與深埋隧道巖爆監(jiān)測等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用與研究，但是，關(guān)于微震監(jiān)測技術(shù)在大爆破后余震監(jiān)測方面的相關(guān)研究還很少，特別是對(duì)于礦山井下裝藥量特別大的集中爆破，而這對(duì)于研究復(fù)雜采空區(qū)與圍巖體在高強(qiáng)度開采擾動(dòng)下的應(yīng)力重分布特點(diǎn)意義重大。由于微震監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)破裂源具有高靈敏度和高精度定位功能，以及不受時(shí)間與空間限制的監(jiān)測能力，因此微震監(jiān)測技術(shù)是實(shí)時(shí)不間斷監(jiān)測大爆破后余震特性的最優(yōu)方法。本文將以柿竹園礦井下中深孔特大爆破為對(duì)象來研究大爆破后井下圍巖體中余震的特性。

1 柿竹園礦大爆破背景

1.1 采礦方法演變歷史

柿竹園鎢錫鉬鉍多金屬礦床礦體集中厚大，有用礦物種類繁多，是國家重要的礦產(chǎn)資源基地。礦床自1987年采用分段鑿巖階段礦房法開采以來，因種種原因井下的采空區(qū)(礦房)未能進(jìn)行處理，截止到2002年，井下留下占礦塊約60%的礦柱礦量和近300萬m3的巨大采空區(qū)群，累計(jì)頂板暴露面積達(dá)3萬m2，連續(xù)頂板暴露面積近1萬m2，15 m厚的連續(xù)條帶礦柱多處垮塌。

為了實(shí)現(xiàn)礦山采礦的持續(xù)生產(chǎn)，有效處理采空區(qū)和回采礦柱及頂板富礦，礦山自2002年起與長沙礦山研究院協(xié)作研究，最終確定采用中深孔大爆破的方式回采礦柱和頂板富礦、利用頂板崩落處理采空區(qū)安全隱患的采礦方法［2，3］。

1.2 大爆破特點(diǎn)及歷次經(jīng)歷的大爆破

井下中深孔大爆破一次裝藥量大，裝藥區(qū)域大且集中，爆破前施工組織復(fù)雜且強(qiáng)度大，由于崩礦量大，開采擾動(dòng)使井下地應(yīng)力的重新分布劇烈且復(fù)雜，造成大爆破后井下巖體開裂破壞的地應(yīng)力顯現(xiàn)劇烈且頻繁，對(duì)后續(xù)連續(xù)回采影響較大。在確定了上述崩落式連續(xù)回采采礦方法后，柿竹園礦從2003年開始先后經(jīng)歷了井下中深孔亞洲第一爆、世界第一爆(裝藥量800多t)，以及裝藥量350多t與437 t等多次大爆破［4，5］，截止到2011 年7 月，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)約一半以上的礦柱的回采(見圖1)。

圖1 礦柱回采現(xiàn)狀

1.3 大爆破后余震特性研究的重要性

由于大爆破崩礦量大，開采擾動(dòng)將造成井下地應(yīng)力發(fā)生大幅度的重分布，另外由于柿竹園礦群礦柱和頂板形成了一個(gè)復(fù)雜的受力結(jié)構(gòu)，應(yīng)力重分布與集中的位置較難預(yù)測，因此通過具有高靈敏度和對(duì)破裂源高精度定位功能的微震監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)大爆破后巖體中發(fā)生的破裂源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，獲得余震的時(shí)空、能量變化特性和余震事件波形所攜帶的破裂源的信息，進(jìn)而分析大爆破后應(yīng)力重分布與集中位置和評(píng)價(jià)群礦柱與頂板巖體穩(wěn)定性，對(duì)后續(xù)的采礦生產(chǎn)服務(wù)重要意義。

微震監(jiān)測系統(tǒng)在柿竹園礦投入使用近3年來，多次成功地對(duì)大爆破后的余震進(jìn)行了監(jiān)測，獲得了良好的應(yīng)用效果。關(guān)于柿竹園礦微震監(jiān)測系統(tǒng)的介紹在參考文獻(xiàn)［3～5］中有詳細(xì)介紹，在此不做贅述。本文將以2011年7月9日進(jìn)行的裝藥量約437 t的井下中深孔大爆破作為研究對(duì)象來研究大爆破后的余震特性。

2 大爆破后余震特性研究

2011年7月9日進(jìn)行的大爆破區(qū)域見圖1，高程范圍從620分層到536分層，裝藥量為437 t，崩礦量為130.5萬t，大爆破分為42段微差起爆，從總體上來講按照從南往北、從下往上的起爆順序向自由面崩礦，最大段裝藥量約為21 t。7月9日06時(shí)30分27秒正式起爆，微震監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)全過程進(jìn)行了全自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測，下面對(duì)大爆破的余震特性從時(shí)空、能量方面進(jìn)行詳細(xì)的研究。

2.1 余震事件時(shí)間分布特性

大爆破后0.5 h是井下地壓變化最劇烈的一段時(shí)間，這段時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的余震事件數(shù)最多。圖2是對(duì)大爆破后24 h內(nèi)所有余震事件以0.5 h為時(shí)間單位所描述的變化圖。圖3是大爆破后10 d內(nèi)每天井下產(chǎn)生的余震事件數(shù)隨時(shí)間的變化圖。

圖2 余震事件率及能量的時(shí)間變化

圖3 余震事件率的時(shí)間變化

由圖2可以看出，大爆破后的0.5 h內(nèi)余震事件數(shù)達(dá)到了12個(gè)，隨后余震事件數(shù)快速下降，最多為2 個(gè)/0.5 h，一般為 1 個(gè)/0.5 h，大爆破后 0.5 h內(nèi)余震事件數(shù)占大爆破后24 h內(nèi)總余震事件數(shù)的57%以上，說明大爆破后0.5 h內(nèi)是井下應(yīng)力調(diào)整導(dǎo)致巖體開裂或破壞最劇烈的階段。

另外由圖3可以看出，第一天的余震事件總數(shù)為最大值18個(gè)/d，第二天的余震事件總數(shù)便有較大幅度減少，需要重點(diǎn)說明的是，從7月10日中班(16時(shí)至24時(shí))開始出礦，余震事件率在10日有一個(gè)較大幅度減少之后又于7月11日開始增加，并持續(xù)到7月13日，說明放礦對(duì)余震發(fā)生頻度具有較大影響。從7月14日開始，余震事件率重新持續(xù)減少，并于7月17日開始?xì)w零，說明井下群礦柱與頂板巖體基本趨于穩(wěn)定。

2.2 余震事件空間分布特性

圖4顯示了大爆破后7 d內(nèi)井下余震事件的空間分布情況。由圖4可以很清楚地看出，余震事件主要集聚發(fā)生在558分層到630分層的P3巷的C6以北與3盤區(qū)的K3－6區(qū)域，表示大爆破后井下應(yīng)力主要向該區(qū)域轉(zhuǎn)移與集中。

圖4 余震事件空間分布

另外結(jié)合圖1與圖4還可以看出，余震事件主要發(fā)生在630分層附近，在630分層以上的懸頂區(qū)域只發(fā)生了一個(gè)余震事件，且這個(gè)余震事件震級(jí)較小，說明采空區(qū)頂板冒落高度可能在630分層附近，而懸頂區(qū)域在大爆破后仍處于較穩(wěn)定狀態(tài)。

2.3 余震事件能量釋放特性

通過對(duì)余震事件波形進(jìn)行積分運(yùn)算求地震波能量的公式為［6］:

式中:ρ為介質(zhì)密度;c為地震波傳播速度;〈Γ〉是均方根輻射圖型;Γ是輻射圖型算子;R是傳播算子，且R正比于震源距是介質(zhì)位移對(duì)時(shí)間的微商。上述計(jì)算過程是由微震監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)部軟件自動(dòng)進(jìn)行的。

圖5是大爆破后余震事件的釋放能量情況。

圖5 余震事件能量釋放率變化情況

由圖5可以看出，余震事件的能量釋放率與余震事件率具有相似的變化過程。在第一天達(dá)到了最大值94 J，經(jīng)過逐步降低后于7月10日能量釋放降到了極小值。由于受7月10日開始放礦的影響，余震能量釋放率又有一定的回升，并持續(xù)到7月13日。從7月14日開始，能量釋放率便總體呈下降趨勢，并從7月17日開始能量釋放為零。

圖6顯示了大爆破后每個(gè)余震事件的矩震級(jí)與時(shí)間的關(guān)系。矩震級(jí)與余震事件的能量是成正比例關(guān)系的，可以通過公式(2)求出［7］。

式中:Mb是體波震級(jí)。

圖6 余震事件矩震級(jí)與時(shí)間的關(guān)系

由圖6可以看出，除了在大爆破后較近的一段時(shí)間內(nèi)有一個(gè)矩震級(jí)為－0.6的余震事件外，其他時(shí)間段內(nèi)的余震事件的矩震級(jí)大致處于－1.2～－0.8之間，說明余震事件的強(qiáng)度較小。

3 基于余震P波初動(dòng)的大尺度巖體破裂震源機(jī)制解答

通過對(duì)余震事件的P波初動(dòng)分布進(jìn)行反演，可以對(duì)震源進(jìn)行震源機(jī)制解答，從而求解出震源處的破裂形式。限于篇幅，這一理論基礎(chǔ)在此不做累述，具體可以參考文獻(xiàn)［6～9］。

下面將通過對(duì)圖4所示的余震事件集聚區(qū)域的某個(gè)事件波形來反演該區(qū)域的破裂類型。圖7是用來進(jìn)行震源機(jī)制解答的某一余震事件;圖8是其監(jiān)測波形及P波初動(dòng)方向。

圖7 用來進(jìn)行震源機(jī)制解答的某一余震事件

圖8 余震事件波形圖及其P波初動(dòng)方向

圖9是進(jìn)行震源機(jī)制解答所得的結(jié)果。圖9中向上三角形表示P波初動(dòng)方向?yàn)橄蛏系膫鞲衅髟诔嗥綐O射投影圖上的投影點(diǎn);向下三角形表示P波初動(dòng)為向下的傳感器在赤平極射投影圖上的投影點(diǎn)。通過對(duì)圖9的判讀，投影線1是破裂面的投影，投影線2是輔助節(jié)面的投影，該節(jié)面與破裂面上的錯(cuò)動(dòng)方向垂直。通過對(duì)赤平極射投影圖的判讀，破裂面的產(chǎn)狀為193°∠72°，該震源處巖體破裂類型為剪切型破壞，證明由余震事件波形所攜帶的P波初動(dòng)分布信息便可以反推出震源處的破裂類型。

圖9 震源機(jī)制解答結(jié)果(上半球投影)

圖10是610分層P3巷C6往北段在大爆破前后的對(duì)比照片，該區(qū)域即是圖4所示的大爆破后余震事件的集聚區(qū)。由圖10可以看出，大爆破后該區(qū)段P3巷道由于錯(cuò)動(dòng)產(chǎn)生了垮塌，破裂面的產(chǎn)狀與圖9的結(jié)果較為吻合。

圖10 610分層P3C6往北段巷道大爆破前后對(duì)比

4 余震特性對(duì)回采順序優(yōu)化的建議

通過對(duì)大爆破后井下余震事件的空間分布的分析可知，558分層到630分層的P3巷的C6以北與3盤區(qū)的K3－6區(qū)域?yàn)閼?yīng)力轉(zhuǎn)移的高應(yīng)力集中區(qū)域，并在重分布的應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)產(chǎn)生了塑性破裂或破壞，可能已經(jīng)發(fā)生了礦柱垮塌或產(chǎn)生了宏觀開裂等地壓現(xiàn)象，大爆破后井下應(yīng)力主要轉(zhuǎn)移集中到2盤區(qū)與3 盤區(qū)的 K2－6、K3－6及 C6 與 C7 房間柱。

圖11 大爆破后應(yīng)力轉(zhuǎn)移和集中區(qū)域與下一步驟爆破區(qū)域的關(guān)系

由圖11可知，應(yīng)力轉(zhuǎn)移與集中區(qū)域的較大一部分不在下一步驟爆破區(qū)域內(nèi)。根據(jù)微震監(jiān)測結(jié)果，建議把圖11中的應(yīng)力轉(zhuǎn)移與集中區(qū)域，特別是高應(yīng)力集中區(qū)域納入到下一步驟爆破區(qū)域內(nèi)，并作為下一步優(yōu)先回采的區(qū)域。

5 結(jié)論

通過對(duì)柿竹園礦一次典型的井下中深孔大爆破后圍巖體中余震時(shí)空與能量特性的研究，根據(jù)余震事件波形P波分布反演破裂處的破裂類型，得到了以下主要結(jié)論:

(1)大爆破后0.5 h內(nèi)余震事件總數(shù)占大爆破后24 h內(nèi)余震事件總數(shù)的57%以上，說明大爆破后0.5 h內(nèi)是余震發(fā)生最劇烈的階段;

(2)余震事件積聚區(qū)域是應(yīng)力重分布與集中的高應(yīng)力區(qū)，得到了采空區(qū)可能的冒落高度，評(píng)價(jià)了懸頂區(qū)域巖體的穩(wěn)定性;

(3)除了在大爆破后較近的一段時(shí)間內(nèi)有一個(gè)矩震級(jí)約為－0.6的余震事件外，其他時(shí)間段內(nèi)的余震事件的矩震級(jí)大致處于－1.2～－0.8之間，說明余震事件的強(qiáng)度較小;

(4)放礦會(huì)導(dǎo)致余震事件數(shù)與能量釋放有一定程度的增加;

(5)根據(jù)余震事件波形的P波初動(dòng)分布反演得到了震源處的破裂類型為剪切型破壞;

(6)大爆破后余震特性的研究為確定柿竹園礦下一步的采礦順序提供了科學(xué)建議，并獲得了良好的應(yīng)用效果。

［1］ 李庶林，尹賢剛，鄭文達(dá)，等.凡口鉛鋅礦多通道微震監(jiān)測系統(tǒng)及其應(yīng)用研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24(12):2048－2053.

［2］ 袁節(jié)平.柿竹園礦的采礦地壓及其防治［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，1997，17(4):26－29.

［3］ 袁節(jié)平.試論柿竹園多通道微震監(jiān)測技術(shù)研究的必要性［J］.采礦技術(shù)，2009，9(1):66－69.

［4］ 袁節(jié)平，胡靜云，周愛民，等.柿竹園多通道微震監(jiān)測系統(tǒng)的建立及其應(yīng)用［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2010，30(6):12－14.

［5］ 陳際經(jīng)，胡靜云，李庶林.柿竹園礦地下特大爆破的微震監(jiān)測技術(shù)研究［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2011，31(2):59－62.

［6］ 陳運(yùn)泰，等.地震參數(shù):數(shù)字地震學(xué)在地震預(yù)測中的應(yīng)用［M］.北京:地震出版社，2003.

［7］ 傅承義，陳運(yùn)泰，祁貴仲，等.地球物理學(xué)基礎(chǔ)［M］.北京:科學(xué)出版社，1985.

［8］ 徐果明，周蕙蘭，等.地震學(xué)理論［M］.北京:科學(xué)出版社，1982.

［9］(波)Slawomir Jerzy Gibowicz，Andrzej Kijko.礦山地震學(xué)引論［M］.修濟(jì)剛，徐平，楊心平，譯.北京:地震出版社，1998.

2011－10－11)

胡靜云(1985－)，男，湖北漢川人，助理工程師，工程碩士，主要從事礦山地壓監(jiān)測與預(yù)警研究，Email:hujingyun007@163.com。