劉 建 坡 魏 登 鋮 師 宏 旭 王 永 昕

（東北大學(xué)深部金屬礦山安全開(kāi)采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110819）

微震（Microseism，MS）監(jiān)測(cè)技術(shù)是利用巖體受力變形和破壞過(guò)程中釋放出的彈性波來(lái)監(jiān)測(cè)工程巖體穩(wěn)定性的技術(shù)方法。由于微震信號(hào)的產(chǎn)生與巖體內(nèi)部微破裂的萌生和擴(kuò)展密切相關(guān)，因此每一個(gè)微震信號(hào)都包含著巖體內(nèi)部狀態(tài)變化的豐富信息。相對(duì)于傳統(tǒng)的應(yīng)力、變形等局部“點(diǎn)、線(xiàn)、面”觀(guān)測(cè)范圍來(lái)說(shuō)，微震監(jiān)測(cè)技術(shù)可以為巖體力學(xué)工作者提供更為全面的三維實(shí)“體”數(shù)據(jù)。南非、加拿大、澳大利亞等國(guó)家的金屬礦山進(jìn)入深部開(kāi)采階段的時(shí)間較早，自20世紀(jì)80年代，國(guó)外開(kāi)始開(kāi)展微震監(jiān)測(cè)技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用研究，并將其應(yīng)用到礦山安全生產(chǎn)輔助管理方面。進(jìn)入21世紀(jì)，微震監(jiān)測(cè)技術(shù)逐步應(yīng)用于我國(guó)深部礦山開(kāi)采圍巖穩(wěn)定性評(píng)估與地壓災(zāi)害防控［1-6］，同時(shí)在深埋隧洞、水電站、高陡邊坡等巖石工程地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)與預(yù)警中發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用［7-9］。

深部金屬礦山由于提升、運(yùn)輸、充填等開(kāi)采過(guò)程成本高，為保證開(kāi)采經(jīng)濟(jì)性，往往以規(guī)模換效益，開(kāi)采規(guī)模顯著增大，例如思山嶺鐵礦、馬城鐵礦等深部礦山設(shè)計(jì)年開(kāi)采規(guī)模均超過(guò)1 000萬(wàn)t，甚至達(dá)到1 500萬(wàn)t。對(duì)于大規(guī)模開(kāi)采的礦山，深孔或中深孔回采一次炸藥用量可以達(dá)到數(shù)百千克甚至數(shù)噸。大規(guī)模的爆破回采作業(yè)，對(duì)于附近圍巖造成強(qiáng)烈的擾動(dòng)影響，極易誘發(fā)圍巖發(fā)生失穩(wěn)破壞。李夕兵等［10］認(rèn)為開(kāi)采過(guò)程中造成礦巖體不穩(wěn)定的因素主要來(lái)自礦體被采出時(shí)的瞬態(tài)卸荷作用及臨近采場(chǎng)爆破、鑿巖、出礦等動(dòng)載荷擾動(dòng)。紅透山銅礦（我國(guó)最深的有色金屬礦山之一）在進(jìn)入1 000 m開(kāi)采深度時(shí)，由爆破振動(dòng)引發(fā)長(zhǎng)達(dá)20多米巷道發(fā)生破壞；谷家臺(tái)鐵礦爆破擾動(dòng)誘發(fā)采場(chǎng)大體積塌方，停產(chǎn)6 a，經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重；錦屏二級(jí)水電站深埋隧洞受爆破擾動(dòng)發(fā)生時(shí)滯性巖爆，巖爆破壞范圍高2～4 m，長(zhǎng)30 m，最大坑深達(dá)0.9 m。

采場(chǎng)頂板冒落破壞規(guī)模大，會(huì)造成嚴(yán)重的礦石貧化并影響開(kāi)采進(jìn)度，是深部開(kāi)采中需要重點(diǎn)防控的巖體災(zāi)害之一。本研究以阿舍勒銅礦深部采場(chǎng)頂板冒落為例，系統(tǒng)分析爆破擾動(dòng)誘發(fā)采場(chǎng)頂板滑移性破裂過(guò)程的微震時(shí)空演化特征，揭示災(zāi)害孕育誘發(fā)因素與發(fā)生機(jī)制，為同類(lèi)地壓災(zāi)害防控提供借鑒。

1 阿舍勒銅礦開(kāi)采現(xiàn)狀及深部采場(chǎng)冒落過(guò)程

阿舍勒銅礦位于新疆維吾爾自治區(qū)，銅工業(yè)儲(chǔ)量近92萬(wàn)t，為我國(guó)第2大銅礦，目前開(kāi)拓深度1 200 m，開(kāi)采深度為900 m，日產(chǎn)礦石量6 000 t。地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果表明：該礦一定深度范圍內(nèi)以構(gòu)造應(yīng)力控制為主，且隨著埋深增加而增加。埋深800 m處的最大主應(yīng)力超過(guò)30 MPa，水平構(gòu)造應(yīng)力接近垂直應(yīng)力的1.5倍。采礦方法主要為大直徑深孔空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法（VCR法），單次爆破炸藥從數(shù)百千克到數(shù)噸不等。在初始高地應(yīng)力和強(qiáng)開(kāi)采擾動(dòng)條件下，采場(chǎng)圍巖多次發(fā)生片幫、冒落等地壓災(zāi)害，對(duì)工作人員的安全構(gòu)成了極大威脅，嚴(yán)重干擾了礦山正常生產(chǎn)。因此，該礦于2017年構(gòu)建了高精度微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)捕捉深部開(kāi)采誘發(fā)圍巖破裂的時(shí)空分布及演化信息，為深部開(kāi)采地壓災(zāi)害防控提供數(shù)據(jù)支撐。微震設(shè)備采用中科微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采樣頻率為0.25～4 kHz，傳感器靈敏度為（80±5%）V/m/s，可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)收集、自動(dòng)分析和自動(dòng)定位。監(jiān)測(cè)過(guò)程共采用28個(gè)傳感器（其中24個(gè)單向傳感器，4個(gè)三向傳感器），根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巷道實(shí)際情況布置在0 m、50 m、150 m、200 m和350 m 5個(gè)中段（圖1）。

0 m中段No.2采場(chǎng)位于阿舍勒銅礦深部開(kāi)采區(qū)域（采深約900 m），采場(chǎng)長(zhǎng)27 m，寬12 m，高50 m，采用垂直礦體走向的采場(chǎng)布置方式。該采場(chǎng)于2016年末完成回采工作，但是由于現(xiàn)場(chǎng)回采銜接出現(xiàn)一些問(wèn)題，采場(chǎng)完成礦體開(kāi)采和礦石運(yùn)搬工作后，未進(jìn)行及時(shí)充填，長(zhǎng)時(shí)間處于空?qǐng)鰻顟B(tài)（4個(gè)多月）。在采場(chǎng)頂板長(zhǎng)時(shí)間空?qǐng)霰┞哆^(guò)程中，附近采場(chǎng)（No.4采場(chǎng)距離No.2采場(chǎng)約50 m）回采過(guò)程中的爆破作業(yè)對(duì)該采場(chǎng)造成強(qiáng)烈的擾動(dòng)，加之No.2采場(chǎng)處于礦巖交界帶邊緣等原因，該采場(chǎng)于2017年4月17日頂板發(fā)生大規(guī)模的冒落，冒落體積約2 600 m3，質(zhì)量超過(guò)1萬(wàn)t（圖1）。No.2采場(chǎng)冒落前，No.4采場(chǎng)共進(jìn)行了6次回采爆破作業(yè)，爆破時(shí)間和炸藥使用量見(jiàn)表1。

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2 冒落過(guò)程微震時(shí)空演化規(guī)律

2.1 微震時(shí)序特征和空間分布

No.2采場(chǎng)圍巖產(chǎn)生的微震事件與No.4采場(chǎng)的回采爆破活動(dòng)密切相關(guān)（圖2）。在No.4采場(chǎng)回采工作開(kāi)始前，No.2采場(chǎng)每天產(chǎn)生的微震事件數(shù)較少（5個(gè)左右）。當(dāng)No.4采場(chǎng)于2017年4月5日開(kāi)始回采后，在大多數(shù)爆破當(dāng)日No.2采場(chǎng)產(chǎn)生的微震事件數(shù)均出現(xiàn)顯著增長(zhǎng)現(xiàn)象，并在4月11日達(dá)到了最高值（當(dāng)日產(chǎn)生25個(gè)微震事件）。其中15日的微震事件數(shù)較少，可能與當(dāng)日炸藥使用量較小有關(guān)。在采場(chǎng)冒落前（4月16日和17日），微震事件數(shù)并沒(méi)有出現(xiàn)明顯的增加，但是所釋放的能量顯著增大，這說(shuō)明巖體內(nèi)產(chǎn)生了較大尺度的破裂。在采場(chǎng)發(fā)生頂板冒落當(dāng)天，No.2采場(chǎng)圍巖所釋放的能量達(dá)到最大值。從微震事件的空間分布圖（圖3）可以看出，微震事件主要集中在采場(chǎng)頂板區(qū)域。從頂板冒落的發(fā)展過(guò)程來(lái)看，前期微震事件的能級(jí)較小。隨著爆破擾動(dòng)次數(shù)增加，巖體內(nèi)部破裂逐漸擴(kuò)展和貫通，采場(chǎng)冒落前大能級(jí)的微震事件增加較為明顯。

采場(chǎng)冒落前，巖體內(nèi)的微震活動(dòng)出現(xiàn)明顯減弱現(xiàn)象，與室內(nèi)試驗(yàn)得出的巖石破壞前的聲發(fā)射“平靜期”類(lèi)似。文獻(xiàn)［11］在研究巖石破裂聲發(fā)射活動(dòng)特征時(shí)，認(rèn)為在巖石破壞前小尺度裂紋合并貫通形成大尺度裂紋，雖然聲發(fā)射率下降，但能量釋放率增強(qiáng)，出現(xiàn)聲發(fā)射率“平靜”而聲發(fā)射能量“不平靜”的現(xiàn)象。另外，按照地震臨界點(diǎn)理論［12］，巖體在破壞前其內(nèi)部?jī)?chǔ)存的能量會(huì)出現(xiàn)冪率加速釋放現(xiàn)象。因此，采用微震能量的快速釋放作為判據(jù)，對(duì)于巖體的失穩(wěn)破壞預(yù)測(cè)更具意義。

2.2 冒落前圍巖變形規(guī)律

對(duì)于一個(gè)給定的地震事件，常用視體積測(cè)量具有同震非彈性變形的巖體體積。視體積依賴(lài)于地震矩和發(fā)射的能量，而且由于其為標(biāo)量的性質(zhì)，可以容易以累積或等值線(xiàn)圖的形式處理，從而深入研究同震變形率的分布。根據(jù)雙力偶剪切位錯(cuò)震源模型，由標(biāo)量地震矩定義式可得沿?cái)鄬拥钠骄瑒?dòng)位移。該定義式為［13］

式中：M0為地震矩；μ為震源區(qū)介質(zhì)剪切模量；A為破裂滑移面積且為震源半徑）。地震矩M0和震源半徑r0均可由波形信號(hào)獲得。

在獲得單個(gè)微震事件的滑動(dòng)位移后，采用球面差分方法對(duì)巖體變形進(jìn)行網(wǎng)格化，以云圖方式顯示。云圖采用每5 d的微震數(shù)據(jù)繪制，并采用2 d間隔滑動(dòng)，如圖4所示。從圖中可以看出，No.2采場(chǎng)處于空?qǐng)鰻顟B(tài)時(shí)，由于內(nèi)部缺少礦體支撐，在No.4采場(chǎng)回采爆破擾動(dòng)下其圍巖變形逐漸增大。在4月17日采場(chǎng)冒落前，礦巖體內(nèi)累積的應(yīng)變能大量釋放，大尺度的破裂導(dǎo)致圍巖變形顯著增加，充分展現(xiàn)了No.2采場(chǎng)頂板圍巖的松脫式漸進(jìn)破壞過(guò)程。另外，No.2采場(chǎng)處于阿舍勒銅礦深部采區(qū)的礦巖交界區(qū)域，礦體和圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)存在明顯的差異性（表2）。在回采爆破擾動(dòng)下，巖體和礦體變形不協(xié)調(diào)，礦巖接觸帶逐步弱化，并最終導(dǎo)致No.2采場(chǎng)頂板礦體沿著礦巖界面滑落。

3 采場(chǎng)滑移冒落發(fā)生機(jī)制

在斷層滑移或者剪切破壞過(guò)程中，微震事件輻射的S波能量要遠(yuǎn)大于P波能量。通過(guò)分析不同的ESEP值分布范圍，可以獲得巖體破壞類(lèi)型，如張拉型破壞、剪切型破壞和混合型破壞。P波和S波的輻射能量可由下式求得：

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式中：EP,S為P波和S波能量；ρ為巖體密度，t/m3；vP,S為P波和S波波速，m/s；R為距震源的距離，m；t為震源持續(xù)時(shí)間，s為經(jīng)遠(yuǎn)場(chǎng)輻射形態(tài)修正的P波或S波速度脈沖的平方。

文獻(xiàn)［14］研究表明，斷層滑移或剪切類(lèi)型誘發(fā)的地震事件通常ES/EP≥10；而對(duì)于非剪切形式的破壞，如拉伸破壞、體積應(yīng)力變化等誘發(fā)的事件，ES/EP接近或小于3。文獻(xiàn)［15］基于現(xiàn)場(chǎng)微震監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬驗(yàn)證了剪切事件滿(mǎn)足ES/EP>10。因此，本研究基于ES/EP能量比判定震源破裂機(jī)制的準(zhǔn)則為：ES/EP>10，剪切破裂；3≤ES/EP≤10，混合破裂；ES/EP<3，張拉破裂。

圖5為No.2采場(chǎng)冒落前不同類(lèi)型破裂機(jī)制的微震事件空間分布圖。從圖中可以看出，張拉破裂事件多分布在采場(chǎng)頂板位置，形成了以張拉型破裂為主的非剪切破壞區(qū)，主要是由于采場(chǎng)頂板冒落造成礦體斷裂所致；剪切破裂事件主要分布在礦巖交界帶附近區(qū)域，誘因來(lái)自于采場(chǎng)頂板冒落所造成的礦巖體間剪切滑移。

在冒落發(fā)生前，共捕捉到196個(gè)微震事件，其中張拉型破裂事件36個(gè)、剪切型破裂133個(gè)、混合型破裂27個(gè)，占比分別為18%、68%、14%。文獻(xiàn)［16］在研究深部礦山兩個(gè)典型破壞機(jī)制區(qū)域內(nèi)的微震數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)與斷層有關(guān)的剪切破壞區(qū)域內(nèi)約70%的微震事件ES/EP>10，而以卸荷裂隙導(dǎo)致的拉伸破壞超過(guò)85%的微震事件ES/EP<10。本研究所得結(jié)論與文獻(xiàn)［16］中關(guān)于剪切破壞區(qū)發(fā)生機(jī)制的研究結(jié)果相一致（圖6）。若按文獻(xiàn)［17］研究的剪切破裂事件滿(mǎn)足ES/EP>20作為震源破裂機(jī)制準(zhǔn)則，阿舍勒銅礦No.2采場(chǎng)約有45%的微震事件ES/EP>20，剪切事件并不占據(jù)主導(dǎo)位置，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際圍巖破裂形式不一致。因此，在工程巖體破壞機(jī)制反演中，還需要補(bǔ)充更多的巖體破壞案例，以建立適用于不同開(kāi)采技術(shù)條件下的巖體破裂機(jī)制ES和EP比值統(tǒng)一判定準(zhǔn)則。

基于前述關(guān)于微震時(shí)空演化規(guī)律和圍巖破裂機(jī)制的研究，No.2采場(chǎng)頂板礦體滑移冒落發(fā)生的誘發(fā)因素主要包括兩個(gè)方面。其一為冒落區(qū)處于深部采區(qū)礦巖接觸帶兩側(cè)的礦體和巖體物理力學(xué)性質(zhì)存在明顯差異性特征。由于礦體的容重、強(qiáng)度、彈性模量和黏聚力均明顯高于凝灰?guī)r，在破壞時(shí)礦體和巖體變形出現(xiàn)明顯的不協(xié)調(diào)?；诳諈^(qū)掃描結(jié)果分析可以發(fā)現(xiàn)，冒落區(qū)的左右兩側(cè)邊界與No.3采場(chǎng)礦體的形態(tài)基本一致，表明礦體沿礦巖No.3采場(chǎng)左右兩側(cè)礦巖交界面發(fā)生滑落（圖7中A、B兩個(gè)區(qū)域）。其二是附近采場(chǎng)強(qiáng)烈的回采擾動(dòng)。由于阿舍勒銅礦采用的是大直徑深孔空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法，爆破炸藥用量和回采規(guī)模大。強(qiáng)烈的回采卸荷效應(yīng)和爆破動(dòng)力擾動(dòng)會(huì)引發(fā)回采區(qū)域附近圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。在這種擾動(dòng)條件下，No.2采場(chǎng)頂板的礦巖交界帶逐漸松動(dòng)弱化，當(dāng)頂板礦體的質(zhì)量超過(guò)自身抗拉強(qiáng)度和礦巖交界帶的共同承載能力時(shí)，頂板礦體沿礦巖交界面發(fā)生滑移破壞。因此，深部金屬礦山礦體邊界區(qū)域進(jìn)行回采過(guò)程中的安全問(wèn)題應(yīng)引起足夠重視，在采場(chǎng)回采完畢后應(yīng)盡快充填，避免采場(chǎng)長(zhǎng)時(shí)間處于空?qǐng)鰻顟B(tài)。附近采場(chǎng)回采過(guò)程中應(yīng)降低炸藥用量，減小爆破擾動(dòng)效應(yīng)。同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)安全監(jiān)測(cè)工作，對(duì)于采場(chǎng)冒落等地壓災(zāi)害的孕育發(fā)生過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為制定和實(shí)施相關(guān)防控措施提供依據(jù)。

4 結(jié) 論

本研究分析了阿舍勒銅礦深部開(kāi)采爆破擾動(dòng)誘發(fā)采場(chǎng)頂板滑移性破裂過(guò)程的微震時(shí)空演化特征和災(zāi)害孕育發(fā)生機(jī)制，所得結(jié)論如下：

（1）微震時(shí)空演化規(guī)律直觀(guān)反映了采場(chǎng)頂板冒落過(guò)程中巖體內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生和演化過(guò)程。在采場(chǎng)冒落前，微震活動(dòng)性出現(xiàn)明顯減弱現(xiàn)象，但微震能量呈現(xiàn)冪率加速釋放態(tài)勢(shì)。采用微震能量的快速釋放作為判據(jù)，對(duì)于巖體的失穩(wěn)破壞預(yù)警更具意義。

（2）冒落發(fā)生前的196個(gè)微震事件中，剪切型破裂事件133個(gè)，占比達(dá)68%。剪切破裂事件主要分布于礦巖交界帶附近區(qū)域，頂板則為以張拉型破裂為主的非剪切破壞區(qū)，表明此次冒落災(zāi)害是采場(chǎng)頂板礦體沿礦巖接觸帶滑移引發(fā)的頂板張拉斷裂所致。

（3）采場(chǎng)頂板滑移性冒落主要是由于礦巖物理力學(xué)性質(zhì)差異性和臨近采場(chǎng)強(qiáng)烈回采爆破擾動(dòng)共同作用造成的。在進(jìn)行深部金屬礦體邊界區(qū)域回采時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)地壓災(zāi)害孕育發(fā)生過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并采用及時(shí)充填和減小爆破擾動(dòng)等措施，降低采場(chǎng)頂板冒落發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。