矿山开采过程地压活动综合评价分析
时间：2023-02-20 14:30:08 来源：千叶帆 本文已影响人
石 峰，张 达，吴亚飞，李 坤，王 平
（1.矿冶科技集团有限公司，北京 100160；
2.中国—南非矿产资源开发利用联合研究中心，北京 102628；
3.国家金属矿绿色开采国际联合研究中心，北京 102628；
4.西部黄金克拉玛依哈图金矿有限责任公司，新疆 克拉玛依 834000）
地下矿山开采过程中，地压活动与安全生产密切相关。采矿过程中由于巷道开挖，岩体原始应力平衡被破坏，岩体应力重新分布，内部储存的能量突然猛烈释放，会发生岩爆（冲击地压）等动力灾害现象，造成严重的人员伤亡和财产损失［1-3］。随着现代社会的高速发展，对矿产资源需求不断加大，矿山开采不断向深部延伸，发生岩体动力灾害的风险随之加大。因此，必须对矿山开采过程中地压活动进行有效监测和评价分析。
岩体破坏前，会向外界释放大量信息，如弹性波、声音、热能等，包含大量破坏前兆信息［4］。微震监测技术可以很好地接收到岩体破坏时释放的弹性波，通过反演获得岩体内部损伤及裂纹发展演化过程，被广泛应用于工程安全监测中［5-7］。国内外研究学者基于微震监测技术对岩体动力灾害进行了大量研究，并取得了一定成果。唐超等［8］针对一起岩体破裂微震定位事件案例，采用震源机制解分析了岩体破坏类型及破裂面方位。魏秀琪等［9］监测隧洞开挖过程中围岩的微震信息，提出了基于微震前兆信息的岩爆要素预测方法，并对岩爆的风险、范围、等级进行了预测。陈炳瑞等［10］获取了岩土工程灾害演化过程的微震信息，自动识别岩石破裂信息，精准定位了岩石破裂震源的位置。李庶林等［11］分析了一次爆破诱发的采空区上覆岩体破坏案例，基于微震定位数据，采用矩张量理论对微震源定位事件进行了震源机制解反演。
由于不同矿山井下开采条件差别较大，地质条件复杂，采用不同参数评价地压活动差异性较大，对应力能量演化与岩体破坏关系揭示较为模糊。此外，对比各种微震参数的地压活动评价方法，主要为微震事件时空演化特征、b值、能量指数等，分析参数较为单一，而岩体破坏是一个复杂的过程，单一分析参数难以满足现场实际需求［12］。
本文以新疆某金矿为研究对象，基于微震监测系统所监测到的数据，分析微震参数的时序特征和幂律特征，揭示岩体破坏应力能量之间的关系，评估岩体稳定性，进而对矿山地压活动进行综合评价分析。
1.1 矿山概况
新疆某金矿是一个集采、选、冶为一体的黄金生产企业，位于新疆维吾尔自治区西北部，矿区地势比较平缓，北高南低，西高东低，海拔1 340～1 370 m，相对高差30 m左右。主要采用水平分层上向全尾砂胶结充填采矿法，目前主要开采中段为725、675、625、575 m四个中段，矿体处于挤压破碎带中，上下盘围岩主要由蚀变凝灰岩、蚀变玄武岩及少量石英脉组成。
矿山开拓深度已经达到1 000 m，受深部“三高一扰动”影响，井下巷道局部应力集中。此外，随着开采深度的继续增加，地压活动更加明显，地压问题直接影响了矿山安全开采。针对上述问题，建立实时在线地压监测系统，对地压活动进行分析评价尤为重要。
1.2 监测方案设计
基于该金矿地质条件、地压活动主要显现区域、开采计划等因素，采用IMS微震监测系统，建立了24通道地压监测系统，监测范围包括725、675、625、575 m四个中段，具体传感器布置如图1所示。针对目前传感器位置布设，采用IMS可视化软件JDI进行定位误差及灵敏度分析，如图2所示，可知定位误差在10 m左右，灵敏度在－2.6矩震级左右，监测系统设计方案较好地满足了矿山地压监测需求。
图1 监测台网布置Fig.1 Layout of the monitoring station network
图2 定位误差及灵敏度分析Fig.2 Analysis of positioning error&sensitivity
1.3 定位结果验证
监测系统建成后，通过定点放炮的形式，对比爆破点实际空间坐标和系统监测到爆破事件空间坐标，最终标定出符合矿山实际地质特点的P波、S波波速。波速校正后，再次采用定点爆破的方式对波速校正结果进行验证，如表1所示，事件定位误差为3.9 m，校正后的波速完全满足监测要求。
表1 验证爆破定位结果Table 1 Blasting positioning results
巷道围岩的大范围破坏实质是岩体内部微小裂隙不断扩展、汇合的结果，微震事件可以较好地反映岩体内部裂隙发展过程，分析微震各参数演化特征，反映矿山地压活动规律，评估岩体稳定性状态。
2.1 微震事件空间分布特征
采矿活动中，岩体内部产生应力集中而破坏，微震事件空间分布特征可以较好地反映岩体应力集中区域。统计2019年1月至2019年11月期间微震事件，空间分布如图3所示，事件球体颜色表示微震事件发生时间。总体上采场西侧微震事件较多，其中14～18线微震事件较为集聚，与该期间矿山生产集中区域相吻合，表明该区域岩体应力较为集中，其他区域由于开采作业强度较小，微震事件数量较少且分布较为分散。
图3 微震事件空间分布Fig.3 Spatial distribution of microseismic events
2.2 岩体变形分析
通过监测到的微震事件计算岩体位移变形，该监测期间各中段14～18线微震事件较多，针对微震事件集聚区域进行变形分析。如图4所示，725、675 m中段16～18线之间位移变形较大，最大变形量为6.47 mm。结合微震事件空间分布特征，划定725、675 m中段16～18线为地压活动显现区域，该区域与开采作业面分布位置、开采强度等相关，开采作业活动对地压活动影响较大。
图4 岩体变形云图Fig.4 Cloud chart of rock mass deformation
2.3 微震事件时间序列特征
该期间微震事件累积曲线如图5所示，其中下方曲线为单位时间内微震事件数量，即微震事件活动率，上方曲线为累积微震事件曲线。岩体发生破坏时，内部新增大量新裂隙，表现为在短时间内微震事件数量迅速增长。由图5可知，2019年1月至2月期间微震活动率较弱，随后活动率有小幅度上升；
3月至5月期间微震活动率逐渐下降，活动率较弱且较为平缓；
5月至6月期间微震活动率出现了数次较大增长与下降，微震活动率整体处于较高水平，岩体内部不断出现能量的集聚与释放，当岩体内部储存能量达到一定程度时，岩体将发生破坏，内部能量及时释放。
图5 微震事件时间序列Fig.5 Time series of microseismic events
2.4 能量指数与累积视体积时间序列特征
微震事件能量指数EI定义为某事件所产生的实际辐射微震能量E与该区域所有事件的平均微震能E（M）之比，计算公式如下［13］：
能量指数越大，岩体内部储存的能量越大，岩体发生破坏的可能性越大。岩体发生破坏时，内部储存的能量得到快速释放，能量指数迅速下降，即能量指数的迅速下降可作为岩体发生破坏的前兆信息。
视体积可以用地震矩与静态应力降计算，公式如下：
式中，M为震级，σA为视应力，μ为刚度，在微震分析中，累积视体积曲线变化通常被认为是岩体发生应变的累积变化。
能量指数和累积视体积的变化特征可以反映岩体内部受力状态，能量指数增加并伴随着累积视体积的缓慢增加表示应变硬化过程，能量指数的下降并伴随着累积视体积的快速上升表示应变软化，岩体进入不稳定状态。
图6为累积视体积与能量指数变化曲线，2019年3月初累积视体积出现小幅度上升现象，岩体内部产生大量新裂隙，出现裂隙汇合现象。现场表现为岩体小范围破坏，体积变大导致累积视体积出现小幅度上升。能量指数呈周期性“上下跳跃”变化，与矿山开采呈周期性特点相吻合。累积视体积整体变化较为平缓，能量指数未出现突然下降现象，地压活动整体处于稳定状态。
图6 能量指数与累积视体积时间序列Fig.6 Time series of energy index and cumulative apparent volume
两个参量之间的幂律关系表现为一条斜率为幂指数的直线。研究表明，微震能量E与震级M的对数之间存在幂律关系，地震学上的地震能量与地震矩对数回归曲线为一条直线，计算公式如下：
式中，E为能量，M为震级，c反映岩体受力水平，d反映岩体视在刚度。
图7为监测时间段内微震能量与矩震级对数分布曲线图，可知微震能量与矩震级对数呈明显幂律关系，微震能量随矩震级增大而增大。此外，应力水平（y轴截距）随拟合曲线斜率的增加而减小，即微震活动减弱。应力水平是表征破坏源应力释放的参数，与岩体视在刚度密切相关，岩体刚度越大，破坏过程中释放的能量越大。本周期拟合曲线c为－11.9，d为1.73，c、d值均较小，即岩体受力水平和视在刚度均处于较低水平，岩体不会发生大尺度破坏。
图7 微震能量与矩震级的对数曲线Fig.7 Logarithmic curve of microseismic energy and moment magnitude
图8为监测周期内某月微震事件震级与事件频次关系曲线，可知震级较小事件线性特征并不明显，震级较大事件线性特征较强，直线斜率的绝对值即为幂指数。地震学中，震级大于M的地震数目N可由下式计算：
图8 震级与事件频次关系Fig.8 Relationship between magnitude and event frequency
式中，a为地震活动性参数，b为一段监测时间内大震级与小震级相对占比，该监测区域内微震事件b值演化规律如图9所示。b值呈整体下降趋势，表明微震事件中震级相对较大事件逐渐增多，主要为开采强度的不断增强所致，岩体释放的能量不断增加。但各月b值均大于参考值1［6］，b值较大，未来一段时间内微震事件以小震级事件为主，岩体局部发生小范围破坏，整体处于稳定状态。
图9 微震b值时间序列Fig.9 Time series of microseismic b-value
基于微震各参数分析结果，对矿山地压活动进行综合评估分析，具体如下：
1）微震事件活动率出现数次大幅度上升与下降，岩体内部不断出现能量的集聚与释放，岩体内储存的能量可以不断得到及时释放，岩体内部不会存储较大能量。
2）能量指数没有出现突然下降现象，且累积视体积没有出现迅速上升现象，表明岩体内部裂隙还没有完全融合贯通成较大破裂面，岩体外部没有出现较大变形。
3）微震能量与矩震级的对数较好地表现出幂律特性，岩体受力水平和视在刚度均较小，即潜在危险区域岩体相比于周围其他岩体刚度较小，震源区单位体积岩体弹性变形能释放较少。
4）微震b值均大于参考值1，b值相对较大，未来一段时间内微震主要以震级相对较小事件为主，现场表现为岩体出现局部小范围破坏。
对比微震各参数分析结果，揭示了岩体内部应力能量演化规律，对地压活动进行综合评价分析，即矿山地压活动趋于稳定，未来不会发生较大地压活动。
本文以某金矿为研究对象，基于微震监测技术，分析矿山开采过程中各微震参数演化规律特征，对地压活动进行综合评价分析，主要得出以下结论：
1）微震事件的空间分布特征较好地反映了矿山实际开采情况。微震事件主要分布在14～18线之间，与矿山生产集中区域相吻合，其中16～18线变形较大，与开采作业面分布位置、开采强度相关，矿山开采对地压活动影响较大。
2）微震能量与矩震级对数呈明显幂律关系，拟合曲线的斜率和截距表示岩石的视在刚度和受力水平。对于震级较大微震事件，微震事件震级与事件频次线性关系明显，直线斜率的绝对值为幂指数，可以表征不同震级微震事件占比情况。
3）通过分析微震事件活动率、能量指数、累积视体积、受力水平、视在刚度和b值，有助于掌握地压活动规律，预测地压发展趋势，对矿山地压活动进行综合评价分析，分析得出矿山地压活动趋于稳定。
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