林喜康，游新天

（紫金礦業(yè)集團股份有限公司紫金山金銅礦，福建 龍巖 364200）

目前，對于金屬礦地下開采的穩(wěn)定性監(jiān)測多采用應力監(jiān)測、變形監(jiān)測與微震監(jiān)測。應力監(jiān)測、變形監(jiān)測技術多根據(jù)有限點的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析一定區(qū)域的巖體應力、變形狀態(tài)，但監(jiān)測的時效性和空間性受到了限制，無法全天候、大規(guī)模區(qū)域監(jiān)測[1-4]。微震監(jiān)測技術是利用巖體受力變形和破壞過程中釋放出的彈性波來監(jiān)測工程巖體穩(wěn)定性的技術方法。由于微震信號的產生與巖體內部微破裂的萌生和擴展密切相關，因此，每一個微震信號都包含著巖體內部狀態(tài)變化的豐富信息，其特點與地震波相似，微震波蘊含了大量的震源和傳播介質的信息，處理后可獲得震源位置、類型、能量等信息[5-19]。利用微震的這一特點，對接收到的信號進行處理、分析，可以為巖體塌方、冒頂、片幫、滑坡和巖爆等地質或地壓災害風險評估和預警提供重要的數(shù)據(jù)支撐[20]。

1 工程概況

紫金山金銅礦礦床屬斑巖成礦系列-次火山高硫中低溫熱液礦床。銅礦體賦存于潛水面以下原生帶中，為隱伏礦床，共圈定20 個礦體，其中，主要礦體5 個，銅金屬量占總金屬量的86.6%。礦體分布于31線～24 線，長1 400 m，寬1 600 m，分布標高主要在100～800 m。

紫金山金銅礦+100 m 標高以下礦體設計采用地下開采，生產能力達5 000 t/d。采區(qū)礦體及頂板圍巖主要為中細?；◢弾r，次隱爆角礫巖，少量英安玢巖，礦石類型為原生礦。礦床工程地質條件屬堅硬半堅硬塊狀巖類為主、局部夾薄層軟弱巖石的簡單類型。采區(qū)內細微裂隙和節(jié)理較發(fā)育，但以Ⅳ級～Ⅴ級結構為主，礦巖f=8～14，礦巖均屬穩(wěn)固。地下開采采用大直徑深孔嗣后充填的采礦方法，側向崩礦，單段最大藥量達384 kg，最大單次爆破藥量接近4 t，爆破振動大，頻繁的炸藥爆破對周圍巷道及圍巖造成多次擾動，影響了圍巖穩(wěn)定性。0～-100 m 中段二步驟礦房回采階段，部分采場附近巷道圍巖出現(xiàn)了不同程度的破壞現(xiàn)象（圖1）。

圖1 下盤沿脈巷道處巷道破壞Fig.1 Roadway failure at footwall along vein roadway

2 微震監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 微震傳感器布置及數(shù)據(jù)傳輸

微震監(jiān)測采用湖北海震微震監(jiān)測系統(tǒng)。紫金山金銅礦采用露天-地下聯(lián)合開采模式，考慮到地下與露天邊坡監(jiān)測需求，設計并構建了32 通道微震監(jiān)測系統(tǒng)，包含4 臺數(shù)據(jù)采集儀、1 支三向傳感器和29 支單向傳感器。地采微震監(jiān)測系統(tǒng)主要布置在-100 m中段、50 m 中段、0 m 中段與100 m 中段，各中段布置1 臺數(shù)據(jù)采集儀。除50 m 中段布置1 支三向傳感器與5 支單向傳感器外，其他三個中段均布置8 支單向傳感器，微震傳感器位置如圖2 所示，微震監(jiān)測系統(tǒng)框架如圖3 所示。

圖2 各中段傳感器布置Fig.2 Sensor location of every section

圖3 微震監(jiān)測系統(tǒng)框架圖Fig.3 Frame diagram of microseismic monitoring system

各中段傳感器采用通信線纜與數(shù)據(jù)采集儀連接后，通過光纖匯總與井下數(shù)據(jù)中心相連，匯總后與地表服務器相連。同時，采用地表GPS 授時實現(xiàn)地表-地下監(jiān)測系統(tǒng)時間同步。

2.2 地采監(jiān)測系統(tǒng)定位誤差

微震傳感器的空間布置是決定微震系統(tǒng)監(jiān)測精度的重要因素之一。微震傳感器空間上應盡量包絡待監(jiān)測區(qū)域。采用D值準則，結合巖體P波波速5 200 m/s的測試結果，對-100～100 m 范圍平行礦體走向截面的傳感器定位誤差和震級精度進行了分析，實現(xiàn)了礦體東翼蝕變巖體區(qū)域監(jiān)測精度高、兼顧全局的微震監(jiān)測布置（圖4）。理論分析與現(xiàn)場定位試驗結果表明，主要開采區(qū)域微震監(jiān)測定位誤差小于8 m，震級靈敏度接近-2.0 級，能夠滿足地采微震監(jiān)測需求。

圖4 平行礦體走向震級精度Fig.4 Strike magnitude accuracy of parallel ore body

2.3 地采監(jiān)測系統(tǒng)定位精度檢驗

為綜合衡量微震監(jiān)測系統(tǒng)的定位效果，消除誤差，設計3 次放炮試驗?？紤]4 個中段的傳感器布置，于-50 m 中段正在生產的采場進行爆破，共3 個炮孔，炮孔深度2～3 m，裝藥量300～900 g。打孔完成后，測量炮孔實際位置坐標。每個炮孔將藥卷放至孔底，正裝，不堵孔，按順序記錄每個炮孔的放炮時間，放炮間隔不小于1 min。

使用GMS 軟件中的波速校正功能對巖體波速進行校正，爆破校正得出的P波波速依次為4 786.57 m/s、4 126.46 m/s、4 621.14 m/s，綜合分析爆破位置以及各支傳感器之間的位置關系，對試驗的P波波速取平均值得到校正后的波速為4 511.39 m/s，通過校正的波速定位各個爆破位置（表1）。校正波速后的定位結果表明，3 次定位誤差分別為7.09 m、5.60 m 和7.50 m，定位誤差均在8 m 以內，滿足監(jiān)測需求。

表1 爆破定位位置及定位誤差Table 1 Blasting positioning position and positioning error單位：m

3 微震事件空間分布

圖5 是2023 年3 月25 日—6 月2 日紫金山金銅礦微震事件空間分布特征圖。圖中小球代表微震事件，球的大小代表微震事件能量。監(jiān)測期間共產生微震事件數(shù)量為769 個，日事件率最高為39 個/d。-125～-75 m 范圍事件總數(shù)為50 個，-25～+25 m 范圍與+25～+75 m 范圍的事件數(shù)分別為88 個與86 個，+75～+125 m 范圍事件數(shù)為52 個。-75～-25 m 范圍事件總數(shù)最多為125 個。顯然，微震事件主要聚集在礦體東翼，即蝕變巖體處，且微震事件聚集區(qū)域隨開采深度增加逐漸向東側擴展。垂直方向上主要集中于-50～+100 m，在距離各中段巷道較遠處微震事件較零散。由此可見，微震事件空間分布特征與蝕變巖位置、開采活動范圍密切相關。

4 開采擾動下微震位移場與應力場演化規(guī)律

4.1 微震事件密度分布規(guī)律

圖6 是紫金山金銅礦地采-100～+100 m 范圍沿礦體走向豎直截面微震事件密度云圖。由圖6 可知，微震事件密度較高的區(qū)域主要分布在-50～+100 m范圍，-50 m 中段東7#采場頂部、0 m 中段2#采場頂板與底板處微震事件密度均較高，約為40 個/m2。除此之外，僅在-100～-50 m 范圍最東側礦體處有一定范圍分布，該處微震事件密度約為25 個/m2。微震事件密度在-50 m 中段處的7#礦房處最大，達到54 個/m2，說明該處破裂活動最活躍。這是由于7#礦房兩側較大范圍礦體已開采并充填，兩側充填體相對較軟，僅留7#礦房為原巖礦柱，應力集中程度較高，破裂活動較活躍。整體來看，微震事件較密集的區(qū)域附近均有正開采采場分布。

圖6 微震事件密度云圖Fig.6 Density nephogram of microseismic events

4.2 位移與能量指數(shù)變化規(guī)律

圖7 是紫金山金銅礦地采-100～+100 m 范圍沿礦體走向豎直截面微震事件位移云圖。由圖7 可知，位移較大的區(qū)域主要集中于-50～+50 m 中段范圍，最大達到2.32E-3 m。礦體走向方向上位移分布也相對較集中，最大位移區(qū)基本以-50 m 中段7#采場為中心，跨度約為80 m。與7#礦房兩側區(qū)域相比，-50 m中段7#礦房位移稍小。位移集中區(qū)分布特征與其附近是否有正開采采場無明顯關系。

圖7 微震事件位移云圖Fig.7 Displacement nephogram of microseismic events

圖8 是logE和logM關系擬合曲線圖。能量指數(shù)的物理意義代表微震事件發(fā)生時震源損傷驅動應力的大小。logE最大值為3.95，最小值為-1.06，微震事件logE主要集中在-1～2 范圍內。logM最大值為10.43，最小值為6.36，微震事件logM主要集中在6.6～8.5 范圍內。因此，監(jiān)測期內微震事件以小能量事件為主，極少數(shù)微震事件能量對數(shù)能達到2 以上。從圖8 中可以看出，5 月微震事件更貼合擬合出的曲線，4 月微震事件分布在擬合出的曲線上下相對較遠的位置。能量指數(shù)EI可通過該事件產生的實測輻射能量E與其相同（或相近）地震矩所有事件所釋放的平均微震能的比值來獲得。

圖8 logE 和logM 關系擬合曲線Fig.8 Fitting curve of the relationship between logE and logM

圖9 是紫金山金銅礦地采-100～+100 m 范圍沿礦體走向豎直截面微震lgEI云圖。與微震事件密度云圖、位移云圖相比，微震lgEI較大區(qū)域分布形態(tài)及范圍具有明顯差別。微震lgEI較大區(qū)域主要分布在-50～50 m，整體形態(tài)呈現(xiàn)上部中段向礦體東翼發(fā)展的趨勢。lgEI最大值為0.13，主要聚集于-50 m 中段7#采場處。依據(jù)lgEI是應力下限間接估計的物理意義，lgEI越大的區(qū)域，應力也越大。因此，-50 m 中段7#采場處應力集中程度較高。由于-50 m 中段10#采場上部50 m 中段13#采場、12#采場、10#采場已開采，該區(qū)域應力向東側轉移，造成東1#采場東側應力集中。

圖9 微震事件lgEI 云圖Fig.9 lgEI nephogram of microseismic event

對比應力與位移分布規(guī)律可知，7#礦房處應力、位移均較大，但與7#礦房兩側區(qū)域相比，7#礦房應力最大，但位移并不是最大。50 m 中段E1#礦房右側區(qū)域位移相對較小，應力較大。這兩處區(qū)域均呈現(xiàn)出應力集中，說明這兩處巷道圍巖發(fā)生動力性災害的風險較高，尤其是50 m 中段E1#采場東側巷道。-50 m 中段7#采場西側40 m 范圍處應力較小，變形較大，該處巷道發(fā)生松脫性地壓風險較大。

巷道圍巖破壞現(xiàn)場調查表明，巷道圍巖發(fā)生破壞的區(qū)域與微震事件密度、應力、位移較大區(qū)域基本吻合，主要集中于50 m 中段沿脈巷道與9#穿脈、E3#穿脈交岔口，-50 m 中段沿脈巷道與7#穿脈、E3#穿脈交岔口處，巷道破壞以片幫和冒落為主（圖10）。

圖10 地采現(xiàn)場巷道圍巖破裂特征Fig.10 Fracture characteristics of roadway surrounding rock in mining site

5 結論

1）礦體東翼蝕變巖體與開采活動是影響紫金山金銅礦-100～+100 m 微震事件聚集區(qū)形態(tài)、大小等特征的重要因素。微震事件主要集中于-50～+100 m 礦體東翼，微震事件聚集區(qū)域附近均有正開采采場分布。-50 m 中段7#采場微震事件密度最大，達54 個/m2。

2）開采區(qū)域微震lgEI、位移與微震事件密度云圖呈明顯差異性分布特征，-50 m 中段7#采場應力較高，位移相對較大，微震事件較集中，該處發(fā)生災害風險相對較大。

3）巷道圍巖破壞現(xiàn)場調查發(fā)現(xiàn)，50 m 中段沿脈巷道與9#穿脈、E3#穿脈交岔口，-50 m 中段沿脈巷道與7#穿脈、E3#穿脈交岔口巷道出現(xiàn)片幫、冒落等破壞現(xiàn)象，巷道圍巖發(fā)生破壞的位置與微震位移、應力較大區(qū)基本吻合，進一步驗證了基于微震應力、位移分布特征評估巖體破壞風險方法的有效性。