蔡永順 關(guān)孝忠 王海文 吳亞飛 石 峰

(1．礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160；2．國家金屬礦綠色開采國際聯(lián)合研究中心，北京 102628；3．中國—南非礦產(chǎn)資源開發(fā)利用聯(lián)合研究中心，北京 102628；4．西部黃金股份有限公司，烏魯木齊 830001；5．西部黃金克拉瑪依哈圖金礦有限責(zé)任公司，新疆 克拉瑪依 834000)

千米深井開采過程中高地應(yīng)力誘發(fā)的頂板冒落、巷道片幫等動(dòng)力災(zāi)害日益突出。哈圖金礦千米井礦區(qū)目前開采深度已超過1 km，受斷層、節(jié)理裂隙等復(fù)雜地質(zhì)條件的影響，地壓活動(dòng)動(dòng)力顯現(xiàn)表現(xiàn)的越發(fā)明顯，已給采礦作業(yè)人員安全與設(shè)備運(yùn)行造成了極大的影響。本文基于微震監(jiān)測技術(shù)，在哈圖金礦千米井礦區(qū)建立高精度微震監(jiān)測系統(tǒng)，對(duì)深部開采過程中采場的巖體破裂、裂隙發(fā)展及垮塌等情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測，通過微震事件的時(shí)空演化規(guī)律，劃分出了地壓活動(dòng)較強(qiáng)的重點(diǎn)區(qū)域。通過對(duì)重點(diǎn)區(qū)域內(nèi)微震事件累積視體積—能量指數(shù)變化規(guī)律進(jìn)行分析，得出巖爆和大尺度巖體破裂的預(yù)警前兆信息。根據(jù)預(yù)警前兆信息及時(shí)、有針對(duì)性地對(duì)采場的巖體采取加強(qiáng)支護(hù)等保護(hù)措施，為礦山安全生產(chǎn)提供技術(shù)支撐[1-5]。

1 微震事件時(shí)空演化特征分析

統(tǒng)計(jì)了2018年12月至2019年11月的微震事件，如圖1所示，球體大小表征微震事件的震級(jí)大小，灰度表征微震事件發(fā)生的時(shí)間。微震事件時(shí)間演化特征如圖2所示。從圖1可以看出，微震事件主要集中在采場東、西兩側(cè)，其中在675～625 m中段16～20勘探線間微震事件集聚。從圖2可以看出，微震活動(dòng)變化較大，整體較為活躍。2018年12月至2019年3月，微震活動(dòng)較弱，隨著礦山開采作業(yè)的不斷增強(qiáng)，微震活動(dòng)逐漸加強(qiáng)，2019年5月至2019年8月，微震活動(dòng)處于較高水平，之后微震活動(dòng)逐漸減弱。

圖1 微震事件的空間分布Fig.1 Spatial distribution of microseismic events

圖2 微震事件發(fā)生時(shí)間分布Fig.2 Time distribution of microseismic events

由于在675～625 m中段的微震事件較多，地壓活動(dòng)較強(qiáng)，因此對(duì)675～625 m中段微震分布進(jìn)行分析，微震事件空間分布及集中區(qū)如圖3所示。從圖3可以看出，675 m中段微震事件較多，并在16～19采場附近發(fā)生聚集；625 m中段微震事件也較多，主要分布在15～18采場。區(qū)域內(nèi)的微震事件主要是采場、巷道天井掘進(jìn)作業(yè)及應(yīng)力重分布所誘發(fā)。

圖3 675、625 m中段微震事件空間分布Fig.3 Spatial distributions of microseismic events in 675 m and 625 m middle section

2 重點(diǎn)區(qū)域分析

分析微震事件時(shí)空演化規(guī)律發(fā)現(xiàn)，14～19、20～24勘探線之間的微震事件非常集中。因此，對(duì)14～19、20～24勘探線分別建立了分析模型。為更精細(xì)、準(zhǔn)確地掌握采場范圍內(nèi)巖體的破裂發(fā)展情況及其穩(wěn)定性，基于微震事件空間分布規(guī)律，結(jié)合礦山實(shí)際生產(chǎn)情況(725 m中段的14、16、17采場節(jié)理裂隙比較發(fā)育)，將14～19、20～24勘探線再進(jìn)行細(xì)化，對(duì)725、675、625 m三個(gè)中段14～16、16～18、18～19、20～22、22～24勘探線之間采場內(nèi)監(jiān)測到的微震事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，細(xì)化后的模型如圖4所示。

圖4 細(xì)化后的區(qū)域塊體模型Fig.4 Refined regional block model

2.1 基于微震事件的圍巖變形分布特征分析

巖石破壞過程為內(nèi)部原生破裂面受外部擾動(dòng)后，在滑移過程中產(chǎn)生不同尺度破裂面。隨著外部擾動(dòng)的不斷增加，各破裂面不斷匯集、融合成更大破裂面，最終巖石破壞。因此，巖體破裂過程中，內(nèi)部破裂尺度(變形)越來越大，內(nèi)部變形隨巖體破碎程度的增大而增大。礦山開采過程中，巖體受地應(yīng)力影響，且開挖卸荷出現(xiàn)應(yīng)力集中，損傷程度不斷加大而產(chǎn)生巖體破壞。微震活動(dòng)表征巖體變形程度，變形程度較大區(qū)域的巖體損傷程度越大，動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生可能性也越大。

通過微震空間分布及變形特征，可以很好地圈定損傷區(qū)域，預(yù)測動(dòng)力災(zāi)害。圖5為基于微震事件的圍巖變形云圖分布情況。從圖5可以看出，變形較大區(qū)域主要集中在625 m中段16～19線，625 m中段20～24線圍巖變形也較大。

圖5 微震變形云圖Fig.5 Microseismic deformation nephogram

2.2 基于微震事件累積視體積—能量指數(shù)的預(yù)警前兆分析

(1)

式中，E—事件的實(shí)測輻射微震能量，J；P—微震體變勢(shì)，m3；d、c為常數(shù)。

視體積：在地震學(xué)領(lǐng)域，震源體積表示震源非彈性變形區(qū)巖體的體積，可以通過公式V=P/Δe計(jì)算。微震體變勢(shì)可以從波形中計(jì)算得出，計(jì)算模型不同，應(yīng)變改變量Δe=cPf03的計(jì)算結(jié)果也不同，角頻率f0的大小與變形區(qū)形狀直接相關(guān)。微小的f0不確定性可能會(huì)導(dǎo)致Δe的不確定性，進(jìn)而影響震源體積V的大小。因此，以視應(yīng)變來代替應(yīng)變降可以得到一個(gè)較為穩(wěn)定的參數(shù)。視體積計(jì)算[8-9]見式2。

VA=P/εA=μP2/E

(2)

式中，μ—巖石的剛度(剪切模量)，Pa；P—微震體變勢(shì)，m3；E—事件的實(shí)測輻射微震能量，J。

一般情況下，目標(biāo)區(qū)域巖體在進(jìn)入應(yīng)變硬化過程中，能量指數(shù)不斷增加。而目標(biāo)區(qū)域巖體在進(jìn)入應(yīng)變軟化過程中，即巖體進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，能量指數(shù)表現(xiàn)為快速下降并伴隨加速發(fā)展的視體積。與巖石力學(xué)的應(yīng)力應(yīng)變曲線的峰前、峰后分析相類似，具有高靈敏度的微震監(jiān)測系統(tǒng)可以反映巖體變形破壞的整個(gè)過程。在巖石峰值強(qiáng)度前區(qū)，應(yīng)力是增大的過程，巖體此時(shí)的變形相對(duì)較小，隨著應(yīng)力逐漸接近峰值，由于非彈性變形的增大，其變形呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。能量指數(shù)的增大與視體積緩慢增加的狀態(tài)表明，內(nèi)部能量在不斷積聚，此時(shí)震源區(qū)巖體是穩(wěn)定的。在巖石峰值強(qiáng)度之后，巖石內(nèi)部能量超過巖石所能承受的最大限度，巖石承載能力下降，應(yīng)力下降而變形增大，表現(xiàn)出能量指數(shù)快速下降而視體積迅速增大，此時(shí)巖石發(fā)生破壞。

因此，累積視體積和能量指數(shù)可以很好地反映巖石受力狀態(tài)，表征巖石破壞過程，可以作為巖爆和大尺度巖體破裂的預(yù)測指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)巖爆和大尺度巖體破裂前的孕育期和預(yù)警期，將能量指數(shù)快速下降且累積視體積迅速增長作為巖爆和大尺度巖體破裂發(fā)生的判別依據(jù)。

重點(diǎn)區(qū)域累積視體積與能量指數(shù)演化特征如圖6所示。2019年5月20日至26日，監(jiān)測到14～19、20～24勘探線重點(diǎn)區(qū)域均出現(xiàn)能量指數(shù)突然下降且累積視體積迅速增加的情況，為巖體發(fā)生較大破壞預(yù)警前兆。結(jié)合微震事件空間分布特征可知，675、625 m中段16～19線、725、675 m中段20～22線巖體發(fā)生較大破壞的可能性較大。發(fā)現(xiàn)該預(yù)警信息后，第一時(shí)間通知礦山技術(shù)人員，現(xiàn)場對(duì)上述區(qū)域加強(qiáng)了支護(hù)和現(xiàn)場巡查。后經(jīng)現(xiàn)場勘查，675 m中段16～19線間巖體發(fā)生了局部變形破壞(如圖7所示)，由于支護(hù)及時(shí)，沒有發(fā)生較大范圍的破壞，為礦山安全生產(chǎn)提供了技術(shù)保障。

圖6 累積視體積與能量指數(shù)Fig.6 Cumulative apparent volume and time distribution of energy index

圖7 巖體發(fā)生局部變形破壞現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.7 Rock mass photo of local deformation and failure site

3 結(jié)論

通過微震時(shí)空演化規(guī)律及圍巖變形特征分析，可以較好地圈定巖體損傷區(qū)域，劃分出地壓活動(dòng)的重點(diǎn)區(qū)域，為后續(xù)監(jiān)測、分析、預(yù)警奠定了空間基礎(chǔ)。通過對(duì)地壓災(zāi)害進(jìn)行分析，可將能量指數(shù)突然下降且累積視體積迅速增加作為巖體發(fā)生巖爆及大尺度巖體破壞的判別依據(jù)，為支護(hù)方案設(shè)計(jì)優(yōu)化及現(xiàn)場安全生產(chǎn)管理提供了技術(shù)支撐。