王 平，馮興隆，石 峰，劉華武，蔡永順，趙冰峰，袁本勝，彭 張

(1. 北京礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京100160；2. 金屬礦山智能開(kāi)采技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102628；3. 云南迪慶有色金屬有限責(zé)任公司，云南 香格里拉 674400)

巖體在應(yīng)力擾動(dòng)的作用下，內(nèi)部應(yīng)變能會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛲獠酷尫诺膹椥圆ǎ⒄鸨O(jiān)測(cè)技術(shù)可以實(shí)時(shí)接收這種彈性波信號(hào)，進(jìn)而反演巖體內(nèi)部裂紋擴(kuò)展、損傷及應(yīng)力狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)巖體大范圍失穩(wěn)垮塌預(yù)警。唐禮忠等[1]基于微震監(jiān)測(cè)技術(shù)，提出用剛度比變化作為沖擊地壓發(fā)生的判據(jù)。馬天輝等[2]以錦屏二級(jí)水電站作為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和微震監(jiān)測(cè)結(jié)果,揭示出微震的時(shí)空演化與巖爆之間的關(guān)系。呂進(jìn)國(guó)等[3]基于工作面微震事件釋能規(guī)律的統(tǒng)計(jì)分析，研究了微震能量隨時(shí)間推移而變化的趨勢(shì)，認(rèn)為高能量微震事件是沖擊地壓發(fā)生的必要條件。張海明等[4]基于微震監(jiān)測(cè)的深部巖爆預(yù)警技術(shù)思路，分別研究了巖爆危險(xiǎn)區(qū)域的預(yù)報(bào)、微震監(jiān)測(cè)劃分采場(chǎng)安全等級(jí)等內(nèi)容。除對(duì)各微震參數(shù)進(jìn)行分析外，大量研究學(xué)者還采用非線性動(dòng)力學(xué)理論對(duì)微震事件時(shí)空分布進(jìn)行研究[5-7]。

對(duì)比國(guó)內(nèi)外基于微震監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行巖體破壞預(yù)警的方法，主要為b值研究、微震事件參數(shù)研究等等，且判別參數(shù)比較單一，難以滿足現(xiàn)場(chǎng)工程要求。微震事件b值的選擇受到門檻值及時(shí)間的影響；而能量指數(shù)等僅僅停留在定性分析上，對(duì)定量研究相對(duì)較少，在實(shí)際觀察中，能量指數(shù)會(huì)出現(xiàn)多次下降現(xiàn)象，如何確定臨近巖體破壞時(shí)的能量指數(shù)下降是一個(gè)難題。

按照普朗銅礦的地質(zhì)和礦體儲(chǔ)存條件，該礦采礦設(shè)計(jì)采用自然崩落法回采。在自然崩落法回采過(guò)程中，礦體在崩透地表之前，相當(dāng)于在空?qǐng)鰲l件下放礦，如果放礦速度過(guò)快，將可能使崩落面和存窿面之間留有較大空間，一旦上部礦巖突然大范圍崩落，可能產(chǎn)生空氣沖擊波，對(duì)坑內(nèi)人員、設(shè)備和底部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生巨大影響。此外，基于地質(zhì)調(diào)查、超聲波鉆孔編錄等資料可知，普朗銅礦礦區(qū)存在著5條斷層，首采區(qū)內(nèi)的地質(zhì)情況較為復(fù)雜，斷層相互交錯(cuò)，回采過(guò)程存在較大的安全隱患。而斷層活化對(duì)溜井、塌陷區(qū)、礦柱、回風(fēng)井等其周邊區(qū)域穩(wěn)定性具有極大影響。因此，分析普朗銅礦斷層活化對(duì)巖體穩(wěn)定性影響，為礦山進(jìn)行頂板大范圍垮落安全預(yù)警極為重要。本文基于微震監(jiān)測(cè)技術(shù)，分析斷層活化對(duì)巖體穩(wěn)定性影響，利用監(jiān)測(cè)到的微震數(shù)和所提出的EV值進(jìn)行巖體失穩(wěn)聯(lián)合預(yù)警，具有良好的實(shí)用性和準(zhǔn)確性。

1 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建

考慮到該礦頂?shù)装鍘r體較為破碎，并兼顧底部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)，為提高微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的靈敏度和定位精度，縮小了傳感器布置間距，相鄰的傳感器間距保持在100 m左右。該礦微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)如下：在3720出礦水平布設(shè)20個(gè)微震傳感器(18個(gè)單分量傳感器，2個(gè)三分量傳感器)，同時(shí)在首采區(qū)周邊通過(guò)地表向下打4個(gè)鉆孔(鉆孔直徑110 mm，鉆孔深度視現(xiàn)場(chǎng)而定，孔底統(tǒng)一布置在標(biāo)高為3 810 m的穩(wěn)定基巖中)。另外，在3660運(yùn)輸水平布設(shè)4個(gè)微震傳感器，主要用來(lái)監(jiān)測(cè)底部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。該方案形成了立體微震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)開(kāi)采過(guò)程斷層活化對(duì)首采區(qū)巖體穩(wěn)定性的監(jiān)測(cè)，并及時(shí)對(duì)頂板冒落進(jìn)行預(yù)警，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建成之后，通過(guò)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集到的拉底爆破和聚礦槽爆破事件，經(jīng)過(guò)多次波速校正，最終將波速校正為Vp=4 700 m/s，Vs=2 700 m/s。在該速度場(chǎng)模型下，對(duì)2017年3月18日和3月20日兩次聚礦槽爆破進(jìn)行定位精度分析，兩次爆破事件的定位誤差在6 m左右，定位精度較高。定位結(jié)果如圖2所示。

圖1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.1 The layout of monitoring points

圖2 兩次聚礦槽爆破定位結(jié)果Fig.2 The location results of two times ore accumulating trench blasting

2 斷層活化對(duì)巖體穩(wěn)定性影響

如圖3所示，普朗銅礦礦區(qū)存在著5條斷層，首采區(qū)內(nèi)的地質(zhì)情況較為復(fù)雜，斷層相互交錯(cuò)，回采過(guò)程存在較大的安全隱患。這里重點(diǎn)分析各斷層活化對(duì)1#、2#溜井、塌陷區(qū)、S4-2#回風(fēng)井及TDR-DB-03監(jiān)測(cè)點(diǎn)周邊區(qū)穩(wěn)定性的影響。

圖3 斷層三維分布圖Fig.3 The 3D map of fault distribution

如圖4所示，分別以1#、2#溜井、塌陷區(qū)、S4-2#回風(fēng)井及TDR-DB-03監(jiān)測(cè)點(diǎn)中心為基準(zhǔn)，分別建立塊體分析模型，長(zhǎng)寬高分別為100 m×100 m×220 m、100 m×100 m×300 m、100 m×100 m×300 m、100 m×100 m×300 m、100 m×100 m×300 m。

對(duì)2017年5月至2018年5月這一年微震事件進(jìn)行分析，定位結(jié)果如圖5所示。

圖4 塊體分析模型Fig.4 Block analysis model

圖5 微震事件在塊體分析模型分布圖Fig.5 Distribution of microseismic events in block analysis model

由圖5可知，各分析模型周圍都存在較多的斷層，且大部分微震事件發(fā)生在F1、F2、F4、F5斷層附近，即位于各斷層附近的分析模型巖體破裂較為嚴(yán)重，巖體不穩(wěn)定。說(shuō)明斷層活化對(duì)巖體影響極大，巖體易發(fā)生破壞失穩(wěn)現(xiàn)象。

為更進(jìn)一步分析斷層活化規(guī)律，以斷層F5為例，分析斷層F5對(duì)底部結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中及地表塌陷的影響。如圖6中1#、2#、3#區(qū)域所示，S4-2#回風(fēng)井塊體模型內(nèi)微震事件數(shù)量隨著S4-2#回風(fēng)井周邊(S4-E16～E19出礦進(jìn)路之間)出礦量的增加而增多，表明出礦導(dǎo)致了S4-2#回風(fēng)井周邊巖體的進(jìn)一步破裂，而S4-2#回風(fēng)井正位于F5斷層揭露處，3 720 m大量出礦后，地質(zhì)構(gòu)造尤其是F5斷層對(duì)底部結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中及地表塌陷的影響比較明顯，且S4-2#回風(fēng)井至地表已經(jīng)形成了貫通通道，后續(xù)的放礦管理需要把斷層的影響充分考慮進(jìn)來(lái)，控制好S4-2#回風(fēng)井周邊聚礦槽的出礦量。

圖6 回風(fēng)井塊體模型內(nèi)微震事件數(shù)與出礦進(jìn)路間出礦量關(guān)系圖Fig.6 Relation between the number of microseismic events and the output amount

3 基于微震監(jiān)測(cè)技術(shù)的斷層活化預(yù)警研究

3.1 基于微震數(shù)的斷層活化預(yù)警

2017年5月至2018年5月之間，各監(jiān)測(cè)模塊中微震事件統(tǒng)計(jì)規(guī)律如圖7所示。

圖7 各模塊微震事件演化Fig.7 Evolution of microseismic events in modules

2#溜井及S4-2#回風(fēng)井塊體模型內(nèi)的微震事件變化趨勢(shì)非常一致，表明斷層對(duì)底部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、崩落頂板以及地表沉降的影響比較明顯。由圖7可知，監(jiān)測(cè)模型微震事件至2017年9月開(kāi)始迅速上升，到9月17號(hào)上升到最高，2017年9月18日～10月1日又突然減少，表明模型內(nèi)塊體將在一段時(shí)間內(nèi)發(fā)生大范圍頂板冒落失穩(wěn)破壞。在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)中發(fā)現(xiàn)，2#溜井頂板10月份連續(xù)崩落了34 m、S4-2#回風(fēng)井處礦柱又出現(xiàn)開(kāi)裂，地表2#溜井和TDR-DB-03監(jiān)測(cè)點(diǎn)周邊的裂縫在十月底發(fā)展趨勢(shì)明顯。

因此，塊體模型內(nèi)微震事件數(shù)量的突然增多又突然減少可以作為巖體發(fā)生較大破裂或崩落的前兆預(yù)警信息。

3.2 基于能量指數(shù)與累積視體積之比EV值的斷層活化預(yù)警

之前研究學(xué)者定義了一個(gè)地震事件的能量指數(shù)，為該事件發(fā)生的地震能量與具有相同地震距的發(fā)生平均能量之比，具體計(jì)算公式如下[8]：

(1)

圖8為能量指數(shù)定義圖，由圖可知能量指數(shù)的大小直接反映了震源水平的大小。累積視體積∑VA的時(shí)間序列則反映了巖體變形隨時(shí)間的變化特征，某個(gè)特定空間的累積視體積序列分析巖體變形過(guò)程。由巖石應(yīng)力—應(yīng)變曲線可知，巖石在峰值應(yīng)力之前，能量指數(shù)是增大的過(guò)程，累積視體積的變化與巖石峰前應(yīng)力的變化規(guī)律是一致的。因此，能量指數(shù)與視體積的穩(wěn)步增加是表明巖體處于穩(wěn)定階段的，處于能量蓄積的應(yīng)變硬化階段。當(dāng)巖石達(dá)到峰值應(yīng)力時(shí)，巖石承載能力降低，應(yīng)力下降，變形增大，即能量指數(shù)下降而累積視體積迅速增多，巖石發(fā)生破壞。由此可以看出，能量指數(shù)和累積視體積可以反映巖體變形的全過(guò)程。

為更好地進(jìn)行巖體大范圍破壞預(yù)警，本文提出能量指數(shù)與累積視體積之比EV值，以此作為判別指標(biāo)。計(jì)算公式如下；

(2)

圖8 能量指數(shù)定義圖Fig.8 Definition of energy index

以2#溜井分析模塊為例，分析2017年5月至2018年3月能量指數(shù)與累積視體積演化規(guī)律。

由圖9可知，2#溜井在發(fā)生大范圍頂板冒落前共發(fā)生了4次能量指數(shù)下降，其中第4次下降程度最大。由上述分析可知，能量指數(shù)下降，累積視體積上升意味著巖體發(fā)生大規(guī)模破壞，但如何確定能量指數(shù)哪次下降為預(yù)警。因此，進(jìn)行EV值定量對(duì)比。為此，本文統(tǒng)計(jì)這4次能量指數(shù)與累積視體積之比EV值下降程度，如表1所示。

由表1可以看出，在第4次能量指數(shù)下降時(shí)，EV值下降程度最大。因此，第4次可以作為巖體大規(guī)模破壞預(yù)警期。此前3次下降皆可認(rèn)為巖體處于能量存儲(chǔ)階段，當(dāng)內(nèi)部存儲(chǔ)能量超過(guò)巖體存儲(chǔ)能力時(shí)，巖體便發(fā)生破壞。與現(xiàn)在2#溜井頂板10月份連續(xù)崩落相符合。此預(yù)警現(xiàn)象與基于微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，即監(jiān)測(cè)模型微震事件至2017年9月開(kāi)始迅速上升，到9月17號(hào)上升到最高，2017年9月18日至10月1日又突然減少現(xiàn)象相吻合。

圖9 能量指數(shù)與累積視體積關(guān)系Fig.9 The relationship between energy index and accumulative apparent volume

表1 EV值下降程度Table 1 Degree of EV value decline

3.3 多參數(shù)微震信息的斷層活化綜合預(yù)警

在普朗銅礦開(kāi)采過(guò)程中，有大量噪聲信號(hào)，為了最大限度地減少監(jiān)測(cè)工作對(duì)開(kāi)采過(guò)程的影響，要求對(duì)礦山巖體破壞預(yù)測(cè)不能太早也不能太晚。由于之前研究多為單參量預(yù)警，時(shí)效性和準(zhǔn)確性較低。由上述分析可知，微震數(shù)、能量指數(shù)、累積視體積和EV值可以很好地反映巖體內(nèi)部裂紋擴(kuò)展情況和損傷程度。因此，將4項(xiàng)參數(shù)同時(shí)作為巖體破裂失穩(wěn)判別參數(shù)，避免了僅使用單一參數(shù)作為巖體失穩(wěn)預(yù)測(cè)工作時(shí)出現(xiàn)過(guò)早預(yù)警或過(guò)晚預(yù)警的情況，減少了微震監(jiān)測(cè)工作的盲目性，提高了預(yù)警的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

1)基于微震監(jiān)測(cè)分析了斷層活化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)大部分微震事件發(fā)生在各斷層附近，各斷層附近的分析模型巖體破裂較為嚴(yán)重，巖體極不穩(wěn)定。指出大量出礦導(dǎo)致了S4-2#回風(fēng)井周邊巖體的進(jìn)一步破裂，而S4-2#回風(fēng)井正位于F5斷層揭露處，3 720 m大量出礦后，地質(zhì)構(gòu)造尤其是F5斷層對(duì)底部結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中及地表塌陷的影響比較明顯。

2)分析微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得出巖體破壞預(yù)警前兆現(xiàn)象，即微震事件突然增多然后又減少，表明未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)可能會(huì)發(fā)生大范圍頂板崩落?，F(xiàn)在具體顯現(xiàn)與該前兆現(xiàn)象基本吻合。

3)提出能量指數(shù)與累積視體積之比EV值，并用該值分析巖體內(nèi)部損傷程度，其值越小巖體越不穩(wěn)定，得出EV值大程度下降時(shí)斷層活化可能會(huì)誘發(fā)大范圍頂板崩落現(xiàn)象。基于歸一化處理量化EV值下降程度，成功對(duì)現(xiàn)場(chǎng)頂板大范圍崩落進(jìn)行預(yù)警。