張雪楣 唐 正 孫道元

（1．山東黃金礦業(yè)（玲瓏）有限公司；2．中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院）

自20世紀(jì)80年代以來(lái)，資源開(kāi)采深度逐年遞增，深部巖體的賦存環(huán)境變得更加復(fù)雜，使深部巖體的受力及其損傷過(guò)程與淺部工程有明顯區(qū)別，并出現(xiàn)了巖爆等深井動(dòng)力災(zāi)害［1］。1738年，人類(lèi)第一次在英國(guó)某錫礦發(fā)現(xiàn)了巖爆災(zāi)害，19世紀(jì)開(kāi)始在南非1 600 m以下采場(chǎng)中頻發(fā)巖爆災(zāi)害［2］。過(guò)去一段時(shí)間，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于巖爆災(zāi)害的研究工作主要集中在巖爆孕育機(jī)制的理論分析、巖爆發(fā)生的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)以及不同巖石條件和不同應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境下圍巖破壞的數(shù)值分析等幾個(gè)方面，比如李元輝等［3］對(duì)巖石破壞聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)中的b值以及聲發(fā)射事件空間分布分形維值進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)巖石內(nèi)部微裂紋的擴(kuò)展和宏觀破壞過(guò)程是一致的，并且聲發(fā)射事件空間分布分形維值和b值可以作為巖石失穩(wěn)破壞的2個(gè)有效指標(biāo)。

美國(guó)礦業(yè)局在20世紀(jì)30年代研究礦井巖爆問(wèn)題時(shí)，發(fā)現(xiàn)巖石承受應(yīng)力載荷的過(guò)程中會(huì)向外釋放聲波，這也是聲發(fā)射和微震研究的開(kāi)端。傳統(tǒng)的采礦和支護(hù)技術(shù)（工藝）不能有效地控制高應(yīng)力誘發(fā)的巖爆與巖石冒落，當(dāng)巖體宏觀位移發(fā)生時(shí)，其內(nèi)部微裂紋可能已產(chǎn)生了較大的貫通。傳統(tǒng)的位移監(jiān)測(cè)手段難以捕捉巖體工程失穩(wěn)的前兆信息，而微震監(jiān)測(cè)技術(shù)可以實(shí)時(shí)采集巖體在變形和斷裂破壞過(guò)程中釋放出的以彈性波形式的微震事件，并對(duì)巖體工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行有效評(píng)估。姜福興等［4］利用新型的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)煤礦地壓災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測(cè)和防治，并取得了較好的效果。楊承祥等［5］將ISS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)引入冬瓜山銅礦，并對(duì)開(kāi)采擾動(dòng)過(guò)程中的微震活動(dòng)規(guī)律進(jìn)行分析，取得了較好的效果。事實(shí)證明，微震監(jiān)測(cè)作為一種高科技信息化的地下工程動(dòng)力監(jiān)測(cè)技術(shù)，在礦山地壓災(zāi)害監(jiān)測(cè)及預(yù)警方面已成為一個(gè)重要技術(shù)手段。

1 工作區(qū)概況

玲瓏金礦屬于石英脈型金礦，區(qū)域內(nèi)花崗巖巖石構(gòu)造致密，極限抗壓強(qiáng)度高，屬堅(jiān)硬—高度堅(jiān)硬巖石，破碎蝕變帶巖石破碎，蝕變較強(qiáng)烈，裂隙較發(fā)育［6］。自1962年建成投產(chǎn)以來(lái)，己有50多年的開(kāi)采歷史，是我國(guó)開(kāi)采歷史較長(zhǎng)的地下金屬礦山，隨著開(kāi)采深度的不斷增加，礦體賦存狀況、地質(zhì)條件和圍巖穩(wěn)定性狀態(tài)顯著惡化，地壓顯現(xiàn)加劇，沖擊地壓和巖爆等動(dòng)力災(zāi)害現(xiàn)象越發(fā)突顯，其中在大開(kāi)頭礦區(qū)和西山礦區(qū)已發(fā)生過(guò)巖爆事故，對(duì)礦山的正常生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)和作業(yè)人員的生命安全造成了威脅。微震監(jiān)測(cè)技術(shù)作為可以采集巖體破裂所釋放彈性波的一種監(jiān)測(cè)手段，已被廣泛應(yīng)用于工程安全監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。在同樣的地質(zhì)背景下，具有較高地應(yīng)力的巖體，彈性模量也較高，發(fā)生巖爆的風(fēng)險(xiǎn)越大。相關(guān)資料表明，高地應(yīng)力的巖石具有比較明顯的脆碎特征［7］。大量實(shí)踐表明，隨著開(kāi)采深度的不斷增加，地應(yīng)力也不斷增加，使得深井開(kāi)采中巖爆的發(fā)生次數(shù)和頻率也明顯增多，災(zāi)害造成的事故損失也不斷增強(qiáng)。

不同國(guó)家的地下工程臨界深度各不相同，通過(guò)前期對(duì)玲瓏金礦實(shí)際發(fā)生巖爆地點(diǎn)的巖心取樣測(cè)試，得到該礦山花崗巖巖石的基本物理力學(xué)參數(shù)：巖石干密度為2 628 kg/m3，單軸抗壓強(qiáng)度為170.1 MPa，彈性模量為37.47 GPa，泊松比為0.24，抗拉強(qiáng)度為5.36 MPa，黏聚力為28.03 MPa，內(nèi)摩擦角為41.02°。根據(jù)巖石參數(shù)計(jì)算得出的理論巖爆發(fā)生深度應(yīng)在760 m左右。玲瓏金礦大開(kāi)頭礦區(qū)現(xiàn)最深已開(kāi)采至-820 m中段，開(kāi)采深度已經(jīng)超過(guò)1 000 m，遠(yuǎn)大于理論巖爆發(fā)生深度，存在較大的巖爆發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。

2 微震監(jiān)測(cè)原理及系統(tǒng)構(gòu)建

2.1 微震監(jiān)測(cè)原理

微震監(jiān)測(cè)技術(shù)是通過(guò)巖體破壞釋放的彈性波來(lái)間接監(jiān)測(cè)巖體工程穩(wěn)定性的聲學(xué)方法，而這種巖石變形破壞釋放的彈性波在地質(zhì)上又被稱為微震（MS）［8-9］。一個(gè)微震事件可以被多個(gè)傳感器所監(jiān)測(cè)到，每一個(gè)微震信號(hào)都包含著豐富的巖體內(nèi)部狀態(tài)變化的信息，通過(guò)反演方法就可以推算出巖體工程微破裂發(fā)生的時(shí)刻、位置及破壞機(jī)制［10-11］。通過(guò)計(jì)算上述參數(shù)，并分析微震事件及其震源參數(shù)的時(shí)空演化規(guī)律，進(jìn)而總結(jié)預(yù)警判據(jù)，對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行提前預(yù)警。

2.2 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建

巖石破裂產(chǎn)生的微震事件包含著豐富的信息，根據(jù)響應(yīng)頻率選取對(duì)應(yīng)的傳感器可以最大程度地捕捉微震信號(hào)，能夠得到微震事件發(fā)生的時(shí)間、位置、能量等震源參數(shù)。玲瓏金礦大開(kāi)頭礦段采用的是由中南大學(xué)硬巖災(zāi)害防控團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的DLG微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有采樣率高、動(dòng)態(tài)范圍大、組網(wǎng)靈活、適應(yīng)多種通用的通信方式、方便耐用的特點(diǎn)，微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器空間布置如圖1所示。

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.1 微震活動(dòng)時(shí)空分布規(guī)律

3.1.1 微震事件活動(dòng)時(shí)間分布

圖2所示為玲瓏金礦大開(kāi)頭礦區(qū)24 h微震事件的時(shí)間分布圖，可以看出，玲瓏金礦單日開(kāi)采作業(yè)產(chǎn)生的微震事件可以簡(jiǎn)單分為活躍期和平靜期，3∶00—7∶00及19∶00—20∶00這2個(gè)時(shí)間段，礦山采掘作業(yè)較少，產(chǎn)生的開(kāi)采擾動(dòng)頻次較低，微震事件的數(shù)量處于較低水平，而其余時(shí)間礦山的采掘活動(dòng)較為頻繁，誘發(fā)微裂紋在巖體表面及其內(nèi)部的擴(kuò)展和發(fā)育，當(dāng)巖體內(nèi)部?jī)?chǔ)存的應(yīng)力得到釋放后，應(yīng)力分布又會(huì)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，在圖2中就表現(xiàn)為微震事件時(shí)間分布的平靜期。

3.1.2 微震事件活動(dòng)區(qū)域分布

借助微震監(jiān)測(cè)可視化軟件對(duì)大開(kāi)頭礦段監(jiān)測(cè)到的微震事件在模型上進(jìn)行投影，三維模型俯視圖、側(cè)視圖如圖3所示。

本研究所基于的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要覆蓋大開(kāi)頭礦段-570～-720 m中段，且微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所收集到的微震事件主要以傳感器陣列為核心分布，幾個(gè)較為集中的微震事件群主要集中于傳感器陣列附近的采空區(qū)處，這與礦山部分采掘作業(yè)活躍區(qū)域基本吻合。通過(guò)將微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集到的微震事件與礦山開(kāi)挖活動(dòng)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者位置與時(shí)間演化基本吻合，說(shuō)明微震事件的產(chǎn)生、演化和礦山開(kāi)采活動(dòng)直接相關(guān)，充分表明了微震監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用于礦山地壓分布及演化規(guī)律研究的可行性。

3.2 高應(yīng)力區(qū)域微震活動(dòng)性分析

3.2.1 微震事件b值前兆特征

在地震活動(dòng)研究中，完整可靠的地震序列對(duì)于獲得更準(zhǔn)確的統(tǒng)計(jì)結(jié)果非常重要。地震序列的完整性直接受最小完整性震級(jí)Mmin的影響。只有當(dāng)確定了特定區(qū)域的最小完整性震級(jí)大小時(shí)，地震活動(dòng)的研究才具有實(shí)際意義。

目前，確定最小完整性震級(jí)的方法有2種：一種是地震波形法，另一種是統(tǒng)計(jì)法。前者通過(guò)分析地震波形獲得最小完整性震級(jí)，但由于需要處理大量地震數(shù)據(jù)，因此通常不采用；選擇后一種方法來(lái)計(jì)算最小完整性震級(jí)，因?yàn)樗肎utenberg-Richter幅度—頻率關(guān)系的優(yōu)點(diǎn)來(lái)獲得線性關(guān)系的最佳部分，而最小完整性震級(jí)恰好是該部分的最小完整性幅度。

采用式（1）所示的Gutenberg-Richter幅度—頻率關(guān)系來(lái)計(jì)算區(qū)域中的最小完整性震級(jí)Mmin。

式中，Mw是矩震級(jí)；N是（M±ΔM）幅度范圍中的地震事件的累積數(shù)；a和b是經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，b是衡量區(qū)域地震活動(dòng)水平和描述該區(qū)域中大幅度事件和小幅度事件數(shù)量的比例關(guān)系的重要參數(shù)。

3.2.2 微震事件H指數(shù)前兆特征

對(duì)于一個(gè)具有赫斯特統(tǒng)計(jì)特性的系統(tǒng)，不需要通常概率統(tǒng)計(jì)學(xué)的獨(dú)立隨機(jī)事件假設(shè)。H指數(shù)反映的是一長(zhǎng)串相互聯(lián)系事件的結(jié)果。

通常，對(duì)于某些物理現(xiàn)象，H指數(shù)在0.5～1。人們普遍認(rèn)為當(dāng)H＞0.5時(shí)存在一種持續(xù)性，這意味著后者事件與前者事件正相關(guān)。類(lèi)似地，當(dāng)H＜0.5時(shí)，后一事件與前一事件負(fù)相關(guān)，稱為反持久性。至于地震事件，它們具有長(zhǎng)距離相關(guān)性，后者事件將受到前者事件的影響。地震事件的發(fā)生是不規(guī)則的、隨機(jī)的，H指數(shù)偏離0.5的程度可以測(cè)量隨機(jī)因子與地震時(shí)間分布中某些因子的比例。在H＞0.5的范圍內(nèi)，H指數(shù)的減小意味著隨機(jī)因素在地震時(shí)間分布中的比例在增加。

3.2.3 微震活動(dòng)性預(yù)警指標(biāo)分析

通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集到微震事件的相對(duì)震級(jí)分布來(lái)衡量巖石未破裂擴(kuò)展的尺度，用于評(píng)估上述現(xiàn)象的參數(shù)稱為b值。微震事件的震源機(jī)制決定了某一區(qū)域內(nèi)微震事件群b值的變化，研究表明b值大的微震活動(dòng)區(qū)域相對(duì)來(lái)說(shuō)風(fēng)險(xiǎn)比較大。即小震級(jí)微震事件群的增加使得b值逐漸增大，當(dāng)微震事件的產(chǎn)生與消退達(dá)到平衡時(shí)，b值處于動(dòng)態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)，而當(dāng)大震級(jí)事件（礦山動(dòng)力災(zāi)害）發(fā)生時(shí)，大震級(jí)事件所占的比例上升使得b值降低。故b值可以作為礦山災(zāi)害預(yù)警的參數(shù)。

7—11月的b值及H指數(shù)如表1所示，從7月開(kāi)始b值呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，說(shuō)明在該段時(shí)間內(nèi)小震級(jí)微震事件所占比例升高，可能在這個(gè)過(guò)程中發(fā)生巖體失穩(wěn)破壞的現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)與礦山垮塌數(shù)據(jù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)b值達(dá)到最小值的9月份曾發(fā)生過(guò)2次大小不同的垮塌現(xiàn)象。同時(shí)在9月份之后，b值呈現(xiàn)持續(xù)上升的趨勢(shì)，在微震監(jiān)測(cè)陣列覆蓋范圍內(nèi)可能會(huì)存在有高應(yīng)力環(huán)境誘發(fā)的巖體損傷或局部破壞，且該類(lèi)破壞的風(fēng)險(xiǎn)有不斷增大的趨勢(shì)，建議加強(qiáng)該區(qū)域微震和常規(guī)監(jiān)測(cè)的分析力度，并且對(duì)采場(chǎng)和開(kāi)挖巷道附近采空區(qū)等安全性進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)。

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4 結(jié)論

結(jié)合玲瓏金礦大開(kāi)頭礦區(qū)布設(shè)的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)中心周?chē)?00 m區(qū)域的微震活動(dòng)性進(jìn)行了分析，并結(jié)合b值、H指數(shù)對(duì)微震大震級(jí)事件的前兆信息進(jìn)行驗(yàn)證。同時(shí)通過(guò)分析玲瓏金礦微震事件的時(shí)間和空間分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)微震事件發(fā)生的時(shí)間大部分分布于采場(chǎng)大規(guī)模爆破開(kāi)挖階段，空間位置主要分布在采礦區(qū)域和地質(zhì)構(gòu)造附近。隨著回采工序的結(jié)束，深部采區(qū)圍巖儲(chǔ)存的能量釋放，使得巖體內(nèi)部的應(yīng)力分布狀態(tài)達(dá)到了新的平衡，微震事件的活躍度逐漸平穩(wěn)，這也證明了微震監(jiān)測(cè)技術(shù)在一定程度上確實(shí)可作為潛在危險(xiǎn)區(qū)域識(shí)別與災(zāi)害預(yù)警的重要手段。