栗盼平

(新疆阿舍勒銅業(yè)股份有限公司 阿勒泰 836500)

0 引言

微震監(jiān)測技術(shù)作為一種先進(jìn)的地壓監(jiān)測手段，在南非、加拿大、美國、澳大利亞、印度的深井礦山中得到廣泛應(yīng)用[1]。自上世紀(jì)八九十年代被引進(jìn)到我國以來，微震監(jiān)測技術(shù)逐步成為地下工程開挖過程中地壓災(zāi)害監(jiān)測和安全生產(chǎn)管理的重要手段。1986年，門頭溝煤礦[2]曾采用波蘭SAK-SYLOK微震監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)采煤區(qū)的微震活動(dòng)進(jìn)行了監(jiān)測，在我國首次實(shí)現(xiàn)了多通道微震監(jiān)測的技術(shù)；微震監(jiān)測作為一種先進(jìn)的巖體破裂過程實(shí)時(shí)監(jiān)測與分析技術(shù)，近年來被廣泛應(yīng)用于礦山、水利、邊坡等巖體工程安全風(fēng)險(xiǎn)管理及災(zāi)害預(yù)警中，并取得了一些重要的研究成果。然而，利用微震監(jiān)測技術(shù)對(duì)大藥量集中爆破開挖擾動(dòng)下深部圍巖體微裂紋的損傷演化機(jī)理方面的研究相對(duì)較少。隨著阿舍勒銅礦開采深度的不斷增加，開采作業(yè)所面臨的環(huán)境條件發(fā)生重大變化，深部巖體開挖所誘致的以巖爆為代表的重大地質(zhì)災(zāi)害問題日益突出。因此，在深部巖體的開挖過程中，有必要建立合理的微震監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)開挖過程的連續(xù)監(jiān)測，揭示大藥量集中爆破開挖擾動(dòng)下深部圍巖體微裂紋的損傷演化機(jī)理，從而對(duì)深部圍巖體穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估預(yù)警，為微震監(jiān)測技術(shù)在金屬礦山深部巖體開挖過程中圍巖穩(wěn)定性的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 微震監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建

隨著開采深度的不斷增加，阿舍勒銅礦深部開采面臨著以下幾個(gè)方面的問題：⑴深部礦體受節(jié)理裂隙切割、斷層的影響，巖體結(jié)構(gòu)呈塊狀、散體狀和碎裂狀，使得巖體完整性和整體強(qiáng)度大大降低；⑵在高應(yīng)力環(huán)境和大藥量頻繁爆破的強(qiáng)烈擾動(dòng)下，深部巖體開挖極易誘發(fā)圍巖體發(fā)生巖爆等地質(zhì)災(zāi)害；⑶為滿足礦山二期工程設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力，深部開采需要多中段、多采場進(jìn)行回采落礦，頻繁的開挖擾動(dòng)和復(fù)雜的力學(xué)環(huán)境下，極易導(dǎo)致深部巷道和采場圍巖體失穩(wěn)破壞。鑒于此，需要構(gòu)建微震監(jiān)測系統(tǒng)，捕捉開挖擾動(dòng)作用下深部圍巖體破壞的時(shí)空演化特征，揭示圍巖體微裂紋損傷演化機(jī)理，為礦山深部安全開采和安全管理提供技術(shù)指導(dǎo)。

1.1 微震監(jiān)測系統(tǒng)介紹

微震監(jiān)測采用中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所和武漢海震科技有限公司聯(lián)合研發(fā)的新一代巖石破裂高精度智能微震監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對(duì)巖石工程動(dòng)力型災(zāi)害進(jìn)行24小時(shí)不間斷監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)自動(dòng)采集、自動(dòng)分析、自動(dòng)定位等技術(shù)，能獲取地質(zhì)災(zāi)害孕育全過程的信息、特征和規(guī)律，為監(jiān)測范圍內(nèi)巖體穩(wěn)定性評(píng)估、災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)提供依據(jù)。當(dāng)巖體發(fā)生微破裂產(chǎn)生彈性波時(shí)，傳感器首先接收到微震信號(hào)并將模擬信號(hào)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集單元，進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)濾波等預(yù)處理。之后通過調(diào)制解調(diào)器（DSL）和電纜線實(shí)現(xiàn)數(shù)采單元和服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳輸和時(shí)間同步，通過電纜傳輸至地表控制中心，同時(shí)基于Internet網(wǎng)絡(luò)在地表控制中心和遠(yuǎn)程微震監(jiān)測中心將數(shù)據(jù)下載之后進(jìn)行分析處理。

1.2 傳感器的布置與安裝

針對(duì)阿舍勒銅礦深部監(jiān)測的需求，結(jié)合礦體賦存條件、開采現(xiàn)狀和開采規(guī)劃，在充分利用礦山現(xiàn)有開拓巷道和硐室的條件上，遵循傳感器空間位置布置原則進(jìn)行布置。對(duì)井下深部各中段進(jìn)行現(xiàn)場踏勘并和礦山技術(shù)人員進(jìn)行交流后，確定了一套32通道的微震監(jiān)測系統(tǒng)傳感器布置方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)二期工程開采區(qū)域地壓活動(dòng)的監(jiān)測與預(yù)警。鑒于微震監(jiān)測系統(tǒng)通道數(shù)目和傳感器數(shù)目的限制，采取避輕就重、重點(diǎn)突出的原則，選取地壓活動(dòng)頻繁和有較強(qiáng)巖爆傾向性的代表性區(qū)域作為監(jiān)測的重點(diǎn)。因此，結(jié)合微震監(jiān)測系統(tǒng)的特點(diǎn)，并參考礦山生產(chǎn)實(shí)際，微震傳感器擬定布置在50 m、150 m、250 m、350 m中段，但由于現(xiàn)場250 m中段開拓工程較少，不利于傳感器布置位置的選擇，因此將250 m中段替換為200 m中段。最終，32通道的微震監(jiān)測系統(tǒng)分為4個(gè)子系統(tǒng)，分別布置在50 m、150 m、250 m和350 m中段。4個(gè)中段各布置一個(gè)數(shù)據(jù)采集中心，都為8通道，井下數(shù)據(jù)交換中心布置在150 m中段。各中段數(shù)據(jù)采集中心以及150 m中段的井下數(shù)據(jù)交換中心都布置于新副井石門休息硐室中，微震監(jiān)測系統(tǒng)服務(wù)器布置在地表調(diào)度監(jiān)控室。

2 圍巖微震活動(dòng)性與礦山生產(chǎn)活動(dòng)的關(guān)系

對(duì)于深部礦體的開挖，圍巖體微震活動(dòng)性與回采工序、開挖規(guī)模、開挖進(jìn)度、炸藥使用量等因素有關(guān)。回采對(duì)圍巖的損傷程度越大，微震活動(dòng)性就越強(qiáng)；單位時(shí)間內(nèi)開挖巖體體積越大，圍巖能量釋放越大，巖體損傷區(qū)和損傷程度也會(huì)越大；炸藥使用量越多，巖體所受到的損傷范圍和損傷程度越大，圍巖體微震活動(dòng)就越頻繁。

2.1 圍巖微震活動(dòng)性與回采工序之間的關(guān)系

大直徑深孔空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ㄒ蚱洳蓽?zhǔn)工程布置較少，生產(chǎn)效率高、相對(duì)安全，被用于阿舍勒深部開采的主要采礦方法。阿舍勒銅礦0 m分段采場距離地表900 m，在2017年4月期間共監(jiān)測到微震事件878個(gè)，微震事件在一天24小時(shí)的分布情況見圖1。

圖1 0 m中段微震活動(dòng)隨時(shí)間分布

據(jù)統(tǒng)計(jì)，這期間僅有北4號(hào)采場下盤進(jìn)行了拉槽爆破及中孔爆破，北4號(hào)采場拉槽爆破的時(shí)間集中在下午18：00～20：00期間，中孔爆破時(shí)間集中在0：00～1：00之間。

由圖1可知，0：00～2：00期間監(jiān)測到的微震事件數(shù)較多，這期間主要是北4號(hào)采場進(jìn)行了中孔爆破，爆破會(huì)對(duì)采場周圍巖體造成一定程度的損傷，所以微震事件相對(duì)較多。下午18：00～20：00期間采場進(jìn)行大規(guī)模集中拉槽爆破，微震高峰期開始發(fā)生在采場拉槽爆破期間，說明大規(guī)模爆破巖體開挖對(duì)深部巖體造成強(qiáng)烈的擾動(dòng)和損傷，從而導(dǎo)致了圍巖巖體內(nèi)部裂隙的產(chǎn)生和擴(kuò)展。大規(guī)模集中爆破后，深部巖體微震活動(dòng)性還會(huì)保持較高的水平持續(xù)很長一段時(shí)間，說明開挖破壞了巖體的原有應(yīng)力場，破壞后的應(yīng)力場需要重新分布直到達(dá)到新的應(yīng)力平衡。由此可見，在深部采場開挖過程中，大規(guī)模集中爆破對(duì)圍巖體的損傷程度最大，并且開挖后圍巖巖體需要在很長一段時(shí)間內(nèi)才能達(dá)到新的應(yīng)力平衡。由此提醒有關(guān)現(xiàn)場管理人員，在大爆破后3小時(shí)之內(nèi)進(jìn)行的各項(xiàng)工序中，應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)圍巖巖體的監(jiān)視，采取必要的措施，降低巖爆等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 圍巖微震活動(dòng)性與炸藥使用量之間的關(guān)系

圍巖微震活動(dòng)性與炸藥使用量有關(guān)，通對(duì)比過0 m中段在2017年4月開挖炸藥使用量與爆破后監(jiān)測到的微震事件數(shù)進(jìn)行對(duì)比，得出圍巖微震活動(dòng)性與炸藥使用量之間的關(guān)系見圖2所示。

圖2 微震事件數(shù)與炸藥使用量的關(guān)系

從圖2可以看出，每次爆破后所測得的微震事件個(gè)數(shù)與當(dāng)次炸藥使用量曲線走勢(shì)幾乎相同，炸藥使用量越多，圍巖所受到的損傷程度和損傷范圍越大，微震活動(dòng)性越頻繁。大爆破時(shí)，炸藥使用量對(duì)圍巖體微震活動(dòng)性有很大的影響作用。因此，在圍巖能量釋放率較大，具有強(qiáng)烈?guī)r爆傾向性的區(qū)域，可以通過適當(dāng)減少爆破炸藥使用量，降低施工的進(jìn)度，增加圍巖應(yīng)力調(diào)整時(shí)間，以降低巖爆發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

3 深部巖體開挖過程中圍巖損傷演化規(guī)律研究

微震事件的發(fā)生與巖石的破裂具有高度的相關(guān)性，對(duì)巖體破裂過程中微震活動(dòng)性的研究有利于認(rèn)識(shí)這種關(guān)系?；谖⒄鸨O(jiān)測技術(shù)對(duì)巖石破裂過程中微裂紋演化規(guī)律進(jìn)行研究，捕捉巖石失穩(wěn)破壞的前兆特征，為深部巖體開挖圍巖體穩(wěn)定性監(jiān)測提供理論支持。

3.1 能量指數(shù)對(duì)數(shù)與累積視體積

一個(gè)微震事件的能量指數(shù)EI為該事件產(chǎn)生的輻射微震能E與該區(qū)域內(nèi)所有事件的平均微震能之比，如式⑴所示。平均能量可由該區(qū)域的平均能量實(shí)測值和微震體變勢(shì)P關(guān)系Log E (P)=d logP+c求得。d=1.0表示平均能量與視應(yīng)力成比例關(guān)系，能量指數(shù)越大表示微震震源的驅(qū)動(dòng)力越大。

圖3 能量指數(shù)與累積視體積隨時(shí)間的演化規(guī)律

當(dāng)巖體發(fā)生應(yīng)變硬化時(shí)，能量指數(shù)對(duì)數(shù)增加并伴隨著視體積的增加，此時(shí)巖體處于穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)巖體發(fā)生應(yīng)變軟化時(shí)，能量指數(shù)對(duì)數(shù)下降并伴隨著視體積的增加，此時(shí)巖體處于不穩(wěn)定狀態(tài)。因此，可通過能量指數(shù)對(duì)數(shù)與累積視體積的變化關(guān)系來獲取地壓災(zāi)害發(fā)生前的前兆信息與規(guī)律。圖3為0 m中段北4號(hào)采場上盤區(qū)域頂板冒落前能量指數(shù)對(duì)數(shù)與累積視體積的變化關(guān)系。在4月11日之前，能量指數(shù)對(duì)數(shù)和累積視體積呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，這個(gè)時(shí)期的圍巖主要處于峰值強(qiáng)度前的壓密和彈性變形階段，巖體較為穩(wěn)定；4月11日到4月19日，頂板圍巖體受到深部高應(yīng)力和爆破作用的頻繁擾動(dòng)作用下，內(nèi)部裂紋開始逐漸貫通直至發(fā)生破壞，此時(shí)能量指數(shù)對(duì)數(shù)出現(xiàn)下降而累積視體積出現(xiàn)進(jìn)一步增加的趨勢(shì)，此時(shí)巖體進(jìn)入非穩(wěn)定破壞階段；之后，累積視體積進(jìn)一步增加，能量指數(shù)對(duì)數(shù)重新開始增加，進(jìn)入巖爆和大尺度巖體破裂發(fā)生的危險(xiǎn)期。在進(jìn)入危險(xiǎn)期后的第3天，即4月21日，北4號(hào)采場上盤頂板發(fā)生大體積冒落。由于底部礦石墊層的作用，此次頂板冒落事件并沒有對(duì)設(shè)備和人員造成影響。利用累積視體積和能量指數(shù)對(duì)數(shù)的變化規(guī)律可以對(duì)巖體大尺度破裂事件做出預(yù)警。

3.2 微震活動(dòng)性b值變化特征

國內(nèi)外大量研究表明，深部巖體的開挖所誘發(fā)的微震事件均服從Gutenberg與Richter提出的地震震級(jí)與頻度的統(tǒng)計(jì)關(guān)系見式（2）。

式中：M為震級(jí)；N為震級(jí)大于M的微震事件次數(shù)；a，b為常數(shù)，其中b值是巖體破裂事件相對(duì)震級(jí)分布的函數(shù)，因此，b值也是裂紋擴(kuò)展尺度的函數(shù)。b值不僅是一個(gè)統(tǒng)計(jì)學(xué)上的分析參數(shù)，它還有直接的物理意義。當(dāng)深部巖體由穩(wěn)定狀態(tài)過渡到不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，巖體內(nèi)由于小震級(jí)事件的不斷增多，而b值逐漸增大；當(dāng)巖體進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)直到破壞時(shí)，由于巖體內(nèi)微裂紋不斷擴(kuò)展和貫通，小震級(jí)事件逐漸變?yōu)榇笳鸺?jí)事件，b值將會(huì)逐漸減小，因此，可利用b的變化趨勢(shì)作為巖體破壞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的一個(gè)重要指標(biāo)。

圖4微震事件b值特征隨時(shí)間的變化規(guī)律

圖4 為2017年0 m中段北4號(hào)采場周圍區(qū)域微震事件b值變化規(guī)律。在4月6日到4月12日期間，b值出現(xiàn)小幅度的增加，說明巖體在高應(yīng)力和爆破作用的頻繁擾動(dòng)下，內(nèi)部微小破裂增多，小裂紋在事件總數(shù)中占的比例逐漸增加；4月12日到4月18日，b值出現(xiàn)快速下降，說明巖體內(nèi)部微裂紋逐漸擴(kuò)展、貫通形成尺度較大的裂紋，小裂紋在事件總數(shù)中的比例逐漸減小而大裂紋所占比例逐漸增多。4月18號(hào)后b值保持相對(duì)穩(wěn)定，常常把b值下降階段作為大體積巖體破裂的預(yù)警期，巖爆或大尺度巖體破裂常常發(fā)生在這個(gè)階段之后，4月21日，北4號(hào)采場上盤頂板發(fā)生大體積冒落事件。因此，可以把b值快速下降的時(shí)段作為巖爆和大體積巖體破裂的前兆特征。

5 結(jié)論

隨著礦山開采深度的不斷增加，開采作業(yè)所面臨的環(huán)境條件發(fā)生重大變化，深部巖體開挖所誘致的地質(zhì)災(zāi)害問題日益突出。因此，有必要研究合理的微震監(jiān)測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)開挖過程的連續(xù)監(jiān)測，從而對(duì)巖體穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估預(yù)警。通過在阿舍勒銅礦深部巖體開挖過程中布置微震監(jiān)測技術(shù)對(duì)圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測，得出以下結(jié)論：

⑴圍巖體微震活動(dòng)性與回采工序、開挖進(jìn)度、炸藥使用量等因素有關(guān)。在回采工序中，大規(guī)模集中爆破對(duì)圍巖體的損傷程度最大，開挖破壞了圍巖巖體原有的應(yīng)力場，圍巖巖體需要在開挖后很長一段時(shí)間內(nèi)才能達(dá)到新的應(yīng)力平衡。炸藥使用量越多，圍巖所受到的損傷程度和損傷范圍越大，微震活動(dòng)性越頻繁，因此，在具有強(qiáng)烈?guī)r爆傾向性的區(qū)域，可以通過適當(dāng)減少爆破炸藥使用量，降低施工的進(jìn)度，增加圍巖應(yīng)力調(diào)整時(shí)間，以降低圍巖體破壞發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

⑵采用能量指數(shù)與累積視體積、微震活動(dòng)性b值特征作為參數(shù)的變化規(guī)律，可以有效的對(duì)深部圍巖體巖爆和大尺度破裂事件作出評(píng)估和預(yù)警。能量指數(shù)顯著下降而累積視體積顯著增加可以作為巖爆和大尺度巖體破裂的前兆特征。在巖體大尺度破裂發(fā)生之前，b值快速下降，說明巖體內(nèi)大尺度破裂事件增多，所占事件總數(shù)的比例增加，因此，可以把b值快速下降的時(shí)段作為巖爆和大尺度巖體破裂的前兆特征。

⑶在對(duì)深部圍巖體微裂紋演化規(guī)律的研究中，有一些參數(shù)或數(shù)據(jù)可能受系統(tǒng)的靈敏度、微震的定位精度、人工處理數(shù)據(jù)的誤差等因素的影響較大，因此，需要綜合能量指數(shù)、累積視體積、b值等參數(shù)的變化規(guī)律對(duì)巖爆和大尺度巖體破裂進(jìn)行預(yù)測分析，捕捉巖石失穩(wěn)破壞的前兆特征，為深部圍巖體穩(wěn)定性監(jiān)測和評(píng)估提供依據(jù)。

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