謝九敬, 彭府華

(1.洛陽欒川鉬業(yè)集團(tuán)股份有限公司, 河南 洛陽市 471500；2.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司湖南 長沙 410012；3.國家金屬采礦工程技術(shù)研究中心, 湖南 長沙 410012)

0 引 言

我國大多數(shù)金屬礦山都不同程度的受到采空區(qū)的影響，特別是一些經(jīng)過幾十年開采的老礦山，比如廣西大廠礦務(wù)局、欒川鉬礦、廠壩鉛鋅礦、廣東大寶山礦和貴州開陽磷礦等。大規(guī)模未處理采空區(qū)的存在嚴(yán)重影響了礦山的安全生產(chǎn)，主要表現(xiàn)為采空區(qū)失穩(wěn)導(dǎo)致地表塌陷、井下采空區(qū)大規(guī)模失穩(wěn)可能引起井下產(chǎn)生高壓氣浪，威脅作業(yè)人員和設(shè)備的安全、大量積水的老采空區(qū)失穩(wěn)還可能引起井下突水事故等。因此，國內(nèi)外專家對(duì)采空區(qū)的研究做了大量的工作，主要包括采空區(qū)的安全評(píng)價(jià)、采空區(qū)空間精確探測(cè)、采空區(qū)穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)和采空區(qū)治理等研究[1￣3]。采空區(qū)的穩(wěn)定是開展生產(chǎn)和研究工作的前提，因此，如何監(jiān)測(cè)采空區(qū)穩(wěn)定性是礦山生產(chǎn)和研究工作的重中之重。微震監(jiān)測(cè)技術(shù)是目前巖體災(zāi)害監(jiān)測(cè)最為先進(jìn)且有效的手段，被廣泛地運(yùn)用在各個(gè)方面，比如礦山采空區(qū)穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)、礦震和深部巖爆監(jiān)測(cè)、煤礦沖擊地壓監(jiān)測(cè)、殘礦回采穩(wěn)定性與應(yīng)力重分布監(jiān)測(cè)、邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)、大爆破及余震監(jiān)測(cè)和礦山大范圍巖移監(jiān)測(cè)等[4￣8]。

洛陽欒川鉬業(yè)三道莊露天礦是世界著名的鉬鎢生產(chǎn)基地，鉬鎢地質(zhì)儲(chǔ)量達(dá)20億t，三道莊礦床厚大集中，埋藏淺，具有很好的地下開采條件。三道莊礦區(qū)一直以地下采礦為主，從1990年代初開始，礦山為了合理回采資源，開始由地下轉(zhuǎn)露天開采，到目前為止，形成了30000 t/d的露天生產(chǎn)規(guī)模。三道莊礦區(qū)歷史上經(jīng)過幾十年的地下開采，在露天境界下方分布著面積達(dá)120萬m2，體積1800萬m3的地下復(fù)雜采空區(qū)。這些采空區(qū)部分是1980年代民采風(fēng)潮中由個(gè)體民采形成的，有的是由1990年代地下采礦形成的，由于受無序開采等歷史原因影響，采空區(qū)分布極為復(fù)雜，再加上受采空區(qū)分布特征資料的缺失和采空區(qū)自身破壞等因素影響，大部分采空區(qū)界限與邊界未知且發(fā)生了變化，導(dǎo)致采空區(qū)空間之間結(jié)構(gòu)力學(xué)體系極其復(fù)雜[9]。為方便對(duì)三道莊露天礦的生產(chǎn)管理，采用分區(qū)、分期的方式進(jìn)行空區(qū)處理和生產(chǎn)，將三道莊露天礦分A、B、C、D、E、F 6個(gè)采區(qū)，其中D區(qū)采空區(qū)分布量多且復(fù)雜，受采空區(qū)影響最為嚴(yán)重，在之前的生產(chǎn)過程中曾經(jīng)發(fā)生過數(shù)次事故。比如，2007年，對(duì)采空區(qū)進(jìn)行處理過程中，在D區(qū)1438水平縱13線附近發(fā)生了大范圍塌方，塌方面積達(dá)到9000 m2，塌陷深度約71 m。2007年以后，在其周邊又陸續(xù)進(jìn)行了多次采空區(qū)處理，也發(fā)生了多次垮塌，最終形成的垮塌面積達(dá)到了約2萬m2。從2006年到2010年，在縱15線到縱17線間，采空區(qū)先后發(fā)生了數(shù)次塌陷，面積約為1.5萬m2。采空區(qū)誘發(fā)的這種大范圍臺(tái)階垮塌可能性很高，由此給作業(yè)人員和設(shè)備帶來了很大的安全隱患，嚴(yán)重影響和制約了礦山的可持續(xù)發(fā)展[10]。為了消除這種潛在的安全隱患，礦山與長沙礦山研究院合作，2011年在D區(qū)建立了一套全數(shù)字型多通道微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性的全天候、實(shí)時(shí)和立體監(jiān)測(cè)。

本文針對(duì)復(fù)雜多重采空區(qū)處理穩(wěn)定性問題，對(duì)1350采空區(qū)爆破處理前后微震事件動(dòng)態(tài)演變特征進(jìn)行分析，為采空區(qū)處理過程提供了安全保證，同時(shí)，為礦山下一步采空區(qū)處理積累了經(jīng)驗(yàn)，也給其它類似礦山提供了參考。

1 D區(qū)開采歷史與采空區(qū)特征

D區(qū)井下基本按照1180中段、1260中段和1317中段進(jìn)行開采。 1317中段采用房柱法,淺孔鑿巖爆破，1260中段和1180中段采用分段空?qǐng)龇?中深孔鑿巖爆破，中段之間留有20 m的水平礦柱。1317中段分為1340、1350、1360和1376四個(gè)分段，采用淺孔爆破，采高為8～10 m，空區(qū)跨度15～30 m。由于分段高度只有10～16 m，因此各分段之間頂?shù)装搴穸葍H為5～6 m，導(dǎo)致1317中段采空區(qū)相互采透貫通現(xiàn)象較多。1260中段分為1260、1280、1300三個(gè)分段，采用中深孔爆破，采高為10～15 m，各分段之間頂?shù)装搴穸燃s為5～10 m。但是由于該部分礦體品位較高，在各分段采場(chǎng)回采結(jié)束后，對(duì)各分段間的水平礦柱全部進(jìn)行了回收，這樣就形成了標(biāo)高從1260 m到1310 m，高度達(dá)到50 m的采空區(qū)。1180中段分為1180、1192、1205和1223四個(gè)分段，同樣對(duì)1118中段各分段之間的水平礦柱進(jìn)行了回收，導(dǎo)致形成了標(biāo)高從1180 m到1250 m，高度達(dá)60 m的采空區(qū)。在采礦后期，又對(duì)1260中段部分底柱進(jìn)行了回收，從而使得1180中段與1260中段部分上下貫通，形成了1180 m到1310 m的大采空區(qū)。

根據(jù)現(xiàn)有的采空區(qū)資料和后期鉆孔探明的采空區(qū)，D區(qū)共有13層空區(qū)，從上到下依次為： 1376,1350,1345,1340,1317,1300,1280,1260,1223,1205,1192,1180和1151空區(qū)。其中1180,1205,1223,1260,1280,1300空區(qū)之間的水平礦柱已經(jīng)回收，由此形成了從1180 m到1310 m，高度達(dá)130 m，長約540 m，寬約20～40 m，體積約為400萬m3的特大型采空區(qū)。D區(qū)采空區(qū)賦存現(xiàn)狀如圖1所示，采空區(qū)特點(diǎn)見表1所示。

2 微震動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)分析

2.1 微震系統(tǒng)簡(jiǎn)介[11]

D區(qū)建立的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為井下和地表聯(lián)合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)為48通道，由地表露天臺(tái)階18通道和井下30通道組成。井下傳感器布置在1160 m和1070 m水平，地表傳感器布置在1350 m左右，這種布置方式能夠?qū)崿F(xiàn)D區(qū)上部和深部采空區(qū)的全方位立體監(jiān)測(cè)。井下信號(hào)由光纜傳輸至地表監(jiān)控室，地表信號(hào)采用無線傳輸，這種傳輸方式可以實(shí)現(xiàn)微震信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)，該系統(tǒng)具有對(duì)微震事件的精確定位和強(qiáng)大的后處理功能。微震系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

圖1 D區(qū)采空區(qū)的分布

2.2 采空區(qū)處理與微震監(jiān)測(cè)方案

根據(jù)三道莊礦區(qū)內(nèi)各采空區(qū)的賦存特點(diǎn)及其相互關(guān)系,結(jié)合生產(chǎn)、安全的需要，對(duì)地下空區(qū)進(jìn)行分區(qū)中深孔或深孔爆破處理。本文以1350空區(qū)處理為例，針對(duì)1350空區(qū)特點(diǎn)，在保證采空區(qū)頂板至臺(tái)階頂面厚度不小于最小安全厚度的前提下，利用臺(tái)階坡面為自由面，用中深孔爆破處理采空區(qū)，見圖3。1350空區(qū)第一次處理區(qū)域?yàn)闄M13～9線，縱ⅩⅧ～ⅩⅨ線之間，穿孔臺(tái)階為1390水平與1378,1366水平。穿孔區(qū)總面積11621 m2。第二次爆破處理區(qū)域?yàn)闄M7～9線，縱ⅩⅧ～ⅩⅨ線之間，穿孔臺(tái)階為1390水平、1366水平與1354水平，爆破區(qū)總面積9275 m2。采空區(qū)處理位置與D區(qū)傳感器位置關(guān)系如圖4和5所示。由圖6和圖7可以看出，目前已有的傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)1350空區(qū)處理前后的全天候、實(shí)時(shí)和立體監(jiān)測(cè)。

表1 采空區(qū)特點(diǎn)

圖2 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)組成

圖3 采空區(qū)處理方法示意

2.3 采空區(qū)處理前后微震事件動(dòng)態(tài)變化分析

1350空區(qū)兩次處理時(shí)間分別為2013年5月16日和2013年7月4日，圖8為微震系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)圖。從圖可以看出，爆破后，微震事件開始密集增加，這段微震事件密集時(shí)間在爆破后2 h內(nèi)，說明爆破后2 h內(nèi)是巖體破裂活躍期。

圖4 空區(qū)處理位置與傳感器位置的平面關(guān)系

圖5 空區(qū)處理位置與傳感器位置的立體關(guān)系

圖6 采空區(qū)爆破處理實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果

2.3.1 微震非定位事件動(dòng)態(tài)變化分析

距離1350第一次空區(qū)處理區(qū)域相對(duì)較近的為地表d-6傳感器，圖7是爆破處理前后d-6傳感器微震事件變化趨勢(shì)圖，可以看出，爆破前微震事件水平很低且變化很小，爆破當(dāng)天微震事件突然增加，并到達(dá)峰值，之后開始下降并恢復(fù)到相對(duì)平穩(wěn)水平。距離1350第二次空區(qū)處理區(qū)域相對(duì)較近的傳感器為27#，圖8是27#傳感器7月份微震事件水平變化趨勢(shì)，可以看出，在爆破當(dāng)天微震事件達(dá)到峰值，之后迅速下降，但是從8號(hào)開始，微震事件水平開始重新升高，并在12號(hào)達(dá)到峰值，之后迅速下降并回復(fù)到正常水平。

圖7 1350空區(qū)第一次處理附近傳感器微震事件變化趨勢(shì)

圖8 1350空區(qū)第二次處理附近傳感器微震事件變化趨勢(shì)

圖9是2013年5月份到8月份所有傳感器微震事件變化趨勢(shì)，它反映的是D區(qū)整體地壓發(fā)展變化情況。可以看出，在5月份空區(qū)處理后，微震事件水平突然增加，之后恢復(fù)到相對(duì)穩(wěn)定水平，但是該平均事件水平比爆破處理前明顯要高，6月份微震事件水平維持在該變化水平。在7月4號(hào)空區(qū)處理后，7月份有兩三次地壓相對(duì)活躍期，經(jīng)過7月份的調(diào)整后，8月份地壓恢復(fù)到5月份爆破處理前微震事件水平。

2.3.2 微震定位事件動(dòng)態(tài)分析

圖10和圖11分別是2013年5月份到8月份巖體破裂定位事件平面圖和立體圖，定位事件一共21個(gè)，2013年全年巖體破裂定位事件為35個(gè)，其中5月份～8月份事件占全年的60%。并且出現(xiàn)了一個(gè)明顯的定位事件聚集區(qū)域，聚集區(qū)域?yàn)?6#、27#傳感器附近。由此可見，1350空區(qū)爆破處理后，在應(yīng)力重新分布過程中，發(fā)生了較大規(guī)模的巖體破裂和垮塌，這是由于空區(qū)處理過程中的爆破震動(dòng)以及爆破后的碎石堆積可能會(huì)加劇下部采空區(qū)頂板和礦柱的壓力，另一方面空區(qū)爆破處理后原有的采空區(qū)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，巖體中應(yīng)力會(huì)重新分布，應(yīng)力重分布后可能會(huì)導(dǎo)致新的采空區(qū)發(fā)生失穩(wěn)破壞。

圖9 所有傳感器微震事件變化趨勢(shì)

因此，從爆破前后微震事件變化趨勢(shì)可以看出，爆破區(qū)域附近傳感器微震事件在爆破后達(dá)到峰值，之后迅速下降，經(jīng)過應(yīng)力重分布等調(diào)整后，恢復(fù)到正常水平。這樣一個(gè)調(diào)整過程可能持續(xù)幾天到一個(gè)月不等，并且在這個(gè)調(diào)整過程中很有可能出現(xiàn)局部巖體破裂和垮塌的現(xiàn)象。因此，在日?？諈^(qū)處理過程中一定要密切關(guān)注傳感器微震事件水平，要對(duì)微震事件動(dòng)態(tài)變化特征進(jìn)行分析，只有當(dāng)微震事件恢復(fù)并保持在相對(duì)穩(wěn)定的水平才可以解除對(duì)處理區(qū)域的警戒。

圖10 2013年5月份～8月份巖體破裂定位事件平面分布

圖11 2013年5月份～8月份巖體破裂定位事件立體分布

3 結(jié) 論

(1) 詳細(xì)闡述了欒川鉬礦D采區(qū)開采歷史和采空區(qū)特征，介紹了針對(duì)該采空區(qū)群建立的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并描述了1350空區(qū)處理方法及空區(qū)處理區(qū)域與傳感器位置關(guān)系。

(2) 通過對(duì)1350空區(qū)處理過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，爆破后2 h內(nèi)是巖體破裂的活躍期；采空區(qū)處理區(qū)域微震事件水平在爆破后突然增加，經(jīng)過幾天到半個(gè)月時(shí)間的調(diào)整后恢復(fù)到穩(wěn)定水平；在爆破后應(yīng)力調(diào)整和重分布的這段時(shí)期內(nèi)，局部采空區(qū)可能會(huì)出現(xiàn)較大規(guī)模的巖體破裂和垮塌。

(3) 目前已經(jīng)建立的多通道微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以保證對(duì)D區(qū)采空區(qū)處理過程的全天候、實(shí)時(shí)和立體監(jiān)測(cè)，為礦山的安全生產(chǎn)起到保駕護(hù)航的作用。

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