劉曉輝，武力聰，容宇

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083;2.云南馳宏鋅鍺股份有限公司會(huì)澤采選廠，云南曲靖 654211)

某深井礦山微地震活動(dòng)研究

劉曉輝1，武力聰1，容宇2

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083;2.云南馳宏鋅鍺股份有限公司會(huì)澤采選廠，云南曲靖 654211)

云南馳宏鋅鍺股份有限公司會(huì)澤鉛鋅礦是我國(guó)一個(gè)千米深井礦山，其下屬8號(hào)礦體采深已達(dá)1200余米，礦體賦存條件復(fù)雜，地應(yīng)力高，導(dǎo)致微地震活動(dòng)頻發(fā)。本文根據(jù)微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及井下開(kāi)采活動(dòng)，對(duì)微震活動(dòng)的時(shí)空分布、誘發(fā)模式以及預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:微震活動(dòng)的時(shí)空分布主要與開(kāi)采活動(dòng)及地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)，根據(jù)發(fā)生位置、震級(jí)大小、破壞特征可將微地震的誘發(fā)模式分為應(yīng)變破裂、礦柱沖擊以及斷層滑移破裂三類，闡述了各自的發(fā)生機(jī)制。提出以地震學(xué)參數(shù)－活動(dòng)率∑N/△t、視體積VA、能量指數(shù)EI的時(shí)間序列曲線來(lái)預(yù)測(cè)礦震災(zāi)害，并對(duì)其物理意義及破壞過(guò)程中可能出現(xiàn)的特征進(jìn)行了理論分析，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后證明:地壓災(zāi)害發(fā)生前，活動(dòng)率∑N/△t及視體積VA急劇增加，能量指數(shù)EI突然降低。

深井開(kāi)采;微震活動(dòng);時(shí)空分布;預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)

1 引言

隨著礦山淺部資源的逐漸枯竭，深部開(kāi)采將成為企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一種必然趨勢(shì)。在深部開(kāi)采過(guò)程中，必將面臨著許多安全問(wèn)題，而從目前國(guó)內(nèi)外一些深部開(kāi)采礦山的現(xiàn)狀來(lái)看，礦山微地震是深部開(kāi)采所面臨的一個(gè)最為嚴(yán)峻的安全問(wèn)題［1］。礦山微震是采掘活動(dòng)引起的一種誘發(fā)地震，在區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)和采掘活動(dòng)共同作用下，采區(qū)及周圍應(yīng)力處于失調(diào)不穩(wěn)的異常狀態(tài)，在局部地區(qū)積累了一定能量后以沖擊或重力等作用方式釋放出來(lái)而產(chǎn)生的巖層震動(dòng)［2］。巖爆、垮塌等井下動(dòng)力災(zāi)害均伴有不同頻率不同強(qiáng)度的微震活動(dòng)。

云南馳宏鋅鍺股份有限公司會(huì)澤鉛鋅礦是我國(guó)一個(gè)千米深井礦山，其下屬8號(hào)礦體采深已達(dá)1200余米，礦體賦存條件復(fù)雜，地應(yīng)力高，導(dǎo)致微地震活動(dòng)頻發(fā)。為保證井下安全高效回采，云南馳宏鋅鍺股份有限公司會(huì)澤鉛鋅礦于07年8月引進(jìn)了南非ISSI公司的24通道全數(shù)字型ISS地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，應(yīng)用于8號(hào)礦體開(kāi)采的微震監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)深部高地應(yīng)力復(fù)雜條件下的巖爆、礦震等動(dòng)力災(zāi)害安全監(jiān)測(cè)的基本條件［3］。

2 微震時(shí)空分布研究

會(huì)澤鉛鋅礦微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自2007年8月運(yùn)行以來(lái)，共監(jiān)測(cè)到微震事件3300余起，監(jiān)測(cè)震級(jí)范圍為ML=－2.0～4.0，其中最大震級(jí)為ML=2.1，最小震級(jí)為ML=－1.6，震級(jí)與事件數(shù)分布如表1所示。根據(jù)微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合8號(hào)礦體的主要開(kāi)采活動(dòng)，對(duì)微震活動(dòng)的時(shí)空分布特征進(jìn)行了研究，為礦山安全生產(chǎn)及地質(zhì)災(zāi)害的控制提供參考依據(jù)。

表1 微震事件震級(jí)分布

2.1 時(shí)間分布特征

微震時(shí)間分布特征研究的方法是對(duì)一定空間一定時(shí)間內(nèi)發(fā)生的微震事件∑N進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，觀察微震活動(dòng)頻率∑N/在時(shí)間上的變化規(guī)律，同時(shí)結(jié)合實(shí)際采掘情況，對(duì)其與開(kāi)采活動(dòng)之間的關(guān)系進(jìn)行研究［4－5］。

ISS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的后處理程序可直接繪制出微震活動(dòng)在每日(周)內(nèi)的分布直方圖。如圖1所示，為8號(hào)礦體開(kāi)采過(guò)程中某日微震活動(dòng)的分布情況，橫坐標(biāo)為時(shí)間，間隔長(zhǎng)度為1小時(shí)，縱坐標(biāo)為微震事件次數(shù)，左上角的顏色條表示一定的震級(jí)范圍。觀察發(fā)現(xiàn)，絕大部分事件的震級(jí)處于ML＜1.0范圍內(nèi)，且這些事件的微震活動(dòng)在一日內(nèi)存在三個(gè)峰值時(shí)期，即每日03∶00～05∶00，12∶00～14∶00，19∶00～21∶00三個(gè)時(shí)段的微地震活動(dòng)較為頻繁，最大可達(dá)90次/h。結(jié)合井下開(kāi)采資料分析后發(fā)現(xiàn)，這些時(shí)段正好與采場(chǎng)爆破時(shí)間對(duì)應(yīng)，爆破擾動(dòng)誘導(dǎo)圍巖內(nèi)的預(yù)存裂隙發(fā)展、貫通，而由此伴生的微震事件也相應(yīng)增多，當(dāng)巖體內(nèi)應(yīng)力重新平衡后，地壓活動(dòng)趨于平靜，微震活動(dòng)減少，直至下一次爆破活動(dòng)。觀察表明:微震活動(dòng)在采場(chǎng)爆破2h后趨于平靜，因此，為保證出礦工作的安全，可將其安排在采場(chǎng)爆破2h以后進(jìn)行。對(duì)于ML＞1.0的事件，因其發(fā)生頻率很小，對(duì)其年分布情況進(jìn)行研究。如圖2所示，為08年內(nèi)震級(jí)ML＞1.0事件的分布情況，間隔長(zhǎng)度為1月。由圖可知，此類事件的分布較隨機(jī)，分布與開(kāi)采活動(dòng)無(wú)明顯關(guān)系。

研究結(jié)果表明:震級(jí)ML＜1.0的事件在時(shí)間上的分布具有較強(qiáng)的規(guī)律性，且與開(kāi)采過(guò)程具有較強(qiáng)的一致性，而ML＞1.0的事件數(shù)量很少，分布隨機(jī)，與開(kāi)采活動(dòng)無(wú)明顯關(guān)系。造成這種情況的原因可能是前一類事件與開(kāi)采面的破裂變形相聯(lián)系，事件發(fā)生數(shù)目是開(kāi)采活動(dòng)的函數(shù)，而后一類事件主要是由于地質(zhì)間斷面運(yùn)動(dòng)形成的，分布較隨機(jī)。

2.2 空間分布特征

8號(hào)礦體賦存于下石炭統(tǒng)擺佐組上部粗晶白云巖(C1b)中，主要礦石類型為塊狀硫化礦石。礦體范圍內(nèi)共揭露斷裂7條，規(guī)模較小，水平錯(cuò)距1～4m。圖3所示為07年12月微震活動(dòng)空間分布情況，圖中紅色錐體為傳感器位置，灰色線條為地層模型，斷層由紅色線條標(biāo)示［6－7］。觀察發(fā)現(xiàn)，微震活動(dòng)主要分布在礦體上盤(pán)，這是由于上盤(pán)C1b巖層中存在一層泥質(zhì)夾層，造成了其下盤(pán)巖體形成局部應(yīng)力增高現(xiàn)象，當(dāng)開(kāi)挖至巖性硬軟變化部位時(shí)，硬脆性?shī)A層內(nèi)微震活動(dòng)頻發(fā)。同時(shí)，斷層周圍聚集部分事件，這是由于開(kāi)采擾動(dòng)激活斷層產(chǎn)生滑移剪切形成的，這類事件往往震級(jí)較大，現(xiàn)場(chǎng)破壞也相應(yīng)嚴(yán)重。圖中圈定的兩個(gè)區(qū)域?yàn)槲⒄鹗录奂瘏^(qū)，對(duì)比井下采掘資料，此區(qū)域與正在回采的1331中段1盤(pán)區(qū)及1451中段3盤(pán)區(qū)對(duì)應(yīng)，井下回采導(dǎo)致地壓活動(dòng)加劇，由此引發(fā)的微震事件增多，則形成了兩個(gè)微震活動(dòng)頻發(fā)區(qū)。研究表明:微地震活動(dòng)的空間分布與地質(zhì)構(gòu)造，原巖應(yīng)力以及開(kāi)采活動(dòng)有關(guān)。

3 微震誘發(fā)模式

根據(jù)微震活動(dòng)的時(shí)空分布規(guī)律及其與開(kāi)采活動(dòng)之間的關(guān)系，按照發(fā)生位置、震級(jí)大小、現(xiàn)場(chǎng)破壞特征等特點(diǎn)對(duì)其發(fā)生模式進(jìn)行了分類研究。

3.1 應(yīng)變破裂

應(yīng)變破裂是該礦最常見(jiàn)的微震活動(dòng)，開(kāi)采擾動(dòng)引起巖體局部應(yīng)力集中，當(dāng)巷道、硐室等開(kāi)挖面周邊巖體承受的應(yīng)力超過(guò)其強(qiáng)度時(shí)，巖體內(nèi)的預(yù)存裂隙將發(fā)展、貫通，直至產(chǎn)生塑性破壞。應(yīng)變型巖爆的危險(xiǎn)性與巖體承受的應(yīng)力、巖體強(qiáng)度、開(kāi)挖面形狀和尺寸以及巖體剛度等有關(guān)［8］，其主破裂的震級(jí)(ML＜1.0)及釋放的應(yīng)變能一般較小，因此破壞程度有限。如圖4(a)，(b)所示，為典型的應(yīng)變破裂事件，聚集區(qū)為出礦道附近，開(kāi)挖活動(dòng)造成巷道圍巖應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)巖體強(qiáng)度時(shí)，巖體內(nèi)預(yù)存微裂隙開(kāi)始擴(kuò)展，同時(shí)伴隨有一定量的小微震事件，裂隙貫通到某一程度導(dǎo)致巖體塑性破壞，同時(shí)對(duì)應(yīng)一個(gè)主破裂事件(ML=0.3紅色球體)。

3.2 礦柱沖擊

礦柱沖擊也是局部應(yīng)力集中的結(jié)果，但其震級(jí)(1.0＜ML＜2.0)及釋放能量較大，破壞程度相對(duì)要強(qiáng)烈些，且與礦柱的結(jié)構(gòu)參數(shù)及圍巖情況有關(guān)。如圖4(c)，(d)所示，圖示中微震事件聚集區(qū)域?yàn)槟骋坏V柱，其左側(cè)礦房已回采結(jié)束，但還未來(lái)得及充填，右側(cè)礦房正在進(jìn)行回采，礦柱處于“半孤島”狀態(tài)，這樣勢(shì)必造成礦柱嚴(yán)重應(yīng)力集中。在爆破等開(kāi)采活動(dòng)的影響下，礦柱內(nèi)部不斷損傷，同時(shí)伴隨大量微地震事件，最終衍生為宏觀失穩(wěn)。

3.3 斷層滑移破裂

開(kāi)挖擾動(dòng)引起巖體內(nèi)的應(yīng)力重新分布，將會(huì)激活深部斷層等結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面的滑移產(chǎn)生較大的微震事件(2.0＜ML)，釋放的應(yīng)變能以地震波的形式傳播到開(kāi)挖表面，導(dǎo)致原來(lái)地質(zhì)構(gòu)造分割出來(lái)的離散巖塊的猛烈彈射。巖塊彈射的速度和可能造成破壞的嚴(yán)重程度與微震事件的強(qiáng)度和震源距開(kāi)挖自由面的距離有關(guān)，節(jié)理發(fā)育的巷道周邊巖塊很容易發(fā)生彈射，此類破壞的能源來(lái)自遠(yuǎn)離破壞處的微震震源，破壞形式以巖體高速位移為特征［9］。如圖4 (e)，(f)所示，斷層F在開(kāi)挖活動(dòng)的影響下被激活發(fā)生滑移。同時(shí)產(chǎn)生大量震級(jí)較大的微震事件，這些震源輻射出的地震波與自由面上的破碎巖塊疊加，使其獲得一定的動(dòng)能，導(dǎo)致巖爆的發(fā)生。

圖4 微地震誘發(fā)模式

4 微地震預(yù)測(cè)研究

微地震研究的最終目的即是對(duì)井下動(dòng)力災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測(cè)，為安全生產(chǎn)提供保障。目前微震預(yù)測(cè)的主要方法是通過(guò)對(duì)各種定量地震學(xué)參數(shù)的時(shí)間序列分析，研究參數(shù)時(shí)空變化特征，進(jìn)而掌握巖體破壞的演化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的目的。會(huì)澤鉛鋅礦ISS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多種定量地震參數(shù)的快速計(jì)算，例如微震能量E，地震視體積VA，能量指數(shù)EI等。由于在微地震預(yù)測(cè)方面存在許多偶然性和不確定性，且目前關(guān)于這些參數(shù)時(shí)間序列成功應(yīng)用于預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的報(bào)道主要體現(xiàn)在個(gè)別事例上。因此，需要通過(guò)井下實(shí)際地壓災(zāi)害與微地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比研究來(lái)確定適合會(huì)澤鉛鋅礦的地震學(xué)預(yù)測(cè)指標(biāo)。

4.1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

07年2月，井下開(kāi)采至1331m中段的7分層1盤(pán)區(qū)，如圖5所示，正在回采4號(hào)礦房，3號(hào)礦柱右側(cè)的3號(hào)礦房已回采結(jié)束，但還未來(lái)得及充填，造成3號(hào)礦柱應(yīng)力集中，片剝現(xiàn)象嚴(yán)重。圖6為此區(qū)域微震監(jiān)測(cè)的實(shí)際情況，自4號(hào)礦房開(kāi)采以來(lái)，共收集到微震事件90余個(gè)，利用系統(tǒng)地震學(xué)統(tǒng)計(jì)軟件繪制出微震活動(dòng)率，累計(jì)視體積VA以及能量指數(shù)EI的時(shí)間序列曲線，如圖7，圖8所示。

4.2 微震活動(dòng)率時(shí)間序列曲線

圖7為微震活動(dòng)率時(shí)間序列曲線，橫坐標(biāo)為日期(7－Nov～19－Dec)，間隔時(shí)間長(zhǎng)度為1天。觀察發(fā)現(xiàn)，11月內(nèi)微震活動(dòng)較均勻，雖出現(xiàn)過(guò)幾次峰值，但總體來(lái)說(shuō)事件量較少，且震級(jí)較低。而12月內(nèi)的微震活動(dòng)相對(duì)較為頻繁，且活動(dòng)率呈逐漸增高的趨勢(shì)，添加趨勢(shì)線且根據(jù)其增長(zhǎng)率將其劃分為3個(gè)階段，其分別對(duì)應(yīng)不同的巖體破裂階段。A－B，預(yù)存裂隙閉合階段;B－C，純彈性變形階段;C－D，裂隙貫通擴(kuò)展階段。微震活動(dòng)率在12月15日附近出現(xiàn)急劇增加的趨勢(shì)，將此突增點(diǎn)作為預(yù)測(cè)點(diǎn)，制定防范措施。井下于12月16日12:33發(fā)生垮冒，同時(shí)對(duì)應(yīng)一個(gè)主破裂事件(如圖6所示)震級(jí)ML=0.8，釋放應(yīng)變能量39300J。

圖7 微震活動(dòng)率時(shí)間序列曲線

4.3 累計(jì)視體積∑VA及能量指數(shù)EI時(shí)間序列曲線

圖8為累計(jì)視體積∑VA及能量指數(shù)EI與時(shí)間的關(guān)系曲線，其中藍(lán)線為∑VA，紅線為EI。觀察發(fā)現(xiàn)，曲線∑VA在07年11、12月之間共有三次突增，曲線EI有三次突減，均對(duì)應(yīng)圖中的A、B、C三處所示。尤其是在C處，累計(jì)視體積∑VA由3.15E－3激增到4.19E－3，而能量指數(shù)EI由0.5突減至0.25，可將其看作為礦柱破壞過(guò)程中的應(yīng)變軟化階段，隨著應(yīng)力的減小，應(yīng)變反而持續(xù)增大。12月16日，現(xiàn)場(chǎng)垮塌，冒落量達(dá)100T，由于提前預(yù)報(bào)，疏散了工作人員，未有人員損傷及設(shè)備損失。結(jié)果表明:破壞性災(zāi)害發(fā)生前，微震活動(dòng)率及視體積VA突增，能量指數(shù)EI突減。

圖8 累計(jì)視體積∑VA及能量指數(shù)EI時(shí)間序列曲線

5 結(jié)論

(1)微震活動(dòng)的時(shí)空分布特征表明:震級(jí)ML＜1.0的微震事件與開(kāi)采活動(dòng)密切相關(guān)，此類事件主要與開(kāi)采面的破裂變形相聯(lián)系，事件發(fā)生數(shù)目是開(kāi)采活動(dòng)的函數(shù);ML＞1.0的事件分布較零亂，與開(kāi)采活動(dòng)無(wú)明顯關(guān)系，此類事件由地質(zhì)間斷面運(yùn)動(dòng)形成，數(shù)量少且分布隨機(jī)。微震活動(dòng)主要分布于礦體上盤(pán)及礦區(qū)斷層附近，且采動(dòng)范圍與事件聚集區(qū)對(duì)應(yīng)，開(kāi)采活動(dòng)是影響微震活動(dòng)空間分布的重要因素。

(2)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)地壓記錄及大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，按照發(fā)生位置，震級(jí)大小，現(xiàn)場(chǎng)破壞特征等方面將會(huì)澤鉛鋅礦的微震誘發(fā)模式分為三類:應(yīng)變破裂，震級(jí)較小(ML＜1.0)，主要發(fā)生在開(kāi)挖面周圍，通常以片剝，掉塊的形式出現(xiàn)，破壞程度有限;礦柱沖擊破裂，震級(jí)(1.0＜ML＜2.0)及釋放能量較大，破壞相對(duì)嚴(yán)重;斷層滑移型破裂，震級(jí)較大(2.0＜ML)，震源遠(yuǎn)離破壞處，破壞形式為松散巖體的突然冒落。

(3)根據(jù)地震學(xué)定量分析理論，提出以微震活動(dòng)率，視體積VA以及能量指數(shù)EI的時(shí)間序列曲線來(lái)對(duì)微震破壞進(jìn)行預(yù)測(cè)，并解釋了其物理意義及巖體破裂前可能出現(xiàn)的特征，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明:破壞性地壓災(zāi)害發(fā)生前，微震活動(dòng)率急劇增加，視體積VA增大，能量指數(shù)急劇減小。

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Study on Microseismic Activities in a Deep Mine

LIU Xiao－h(huán)ui1，WU Li－cong1，RONG Yu2

(1.School of Civil＆Environment Engineering，University of Science＆Technology Beijing，Beijing 100083，China;
2.Mine and Mineral Dressing Plant，Yunnan Chihong Zn＆Ge Co.，LTD.，Qujing 654211，Yunnan，China)

Huize Lead＆Zinc mine is a deep kilometer well in Yunnan chihong Zn＆Ge Co.，LTD.in China，in which 8#orebody＇s mining depth has reached more than 1200m.The deep ore body has complicated condition and high ground stress，which causes microseismic occuring frequently.Based on micro－seismic monitoring date and mining activities underground，the temporal and spatial distribution，induced model，prediction and forecast of microseismic activities are studied.The results show:temporal and spatial of the microseismic activities associates with mining activities and geological structure.According to occurrence location，the size of magnitude and failure characteristics，the induced model of microseismic activity is divided into three types:strain burst，pillar－foundation failure and fault slip，occurrence mechanism and degree of damage are expatiated respectively.Predicting mine quake disaster by the time series curves of miroseismic active rate(∑N/△t)，apparent volume(VA)and energy index(EI)is proposed.The physical meaning and possible characteristics in rock failure process are theoretical analyzed respectively.Field application shows:before the occurrence of ground pressure disaster occurring，microseismic activity rate(∑N/△t)and apparent volume(VA)will sharply increase，energy index(EI)quickly decrease.

deep underground mining;microseismic activities;temporal and spatial distribution;prediction and forecast

TD324+.2

A

1009－3842(2011)06－0001－06

2011－08－23

教育部長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃資助(IRT0950)國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(50934002)

劉曉輝(1984－)，男，四川德陽(yáng)人，北京科技大學(xué)采礦工程在讀博士，主要從事微震監(jiān)測(cè)技術(shù)及膏體充填方面的研究。E－mail:xiaohuiliu28@yahoo.cn