基于微震監(jiān)測的大爆破后誘發(fā)余震特性研究

胡靜云，李庶林，林 峰，彭府華，袁節(jié)平，陳際經(jīng)

(1.長沙礦山研究院國家金屬采礦工程技術研究中心， 湖南長沙 410012;2.湖南柿竹園有色金屬有限責任公司， 湖南郴州市 423037)

基于微震監(jiān)測的大爆破后誘發(fā)余震特性研究

胡靜云1，李庶林1，林 峰1，彭府華1，袁節(jié)平2，陳際經(jīng)2

(1.長沙礦山研究院國家金屬采礦工程技術研究中心， 湖南長沙 410012;2.湖南柿竹園有色金屬有限責任公司， 湖南郴州市 423037)

礦山井下大爆破高強度開采擾動使圍巖體中應力重分布劇烈且復雜，因此監(jiān)測和研究大爆破后在復雜采空區(qū)環(huán)境下礦柱和圍巖體中誘發(fā)的余震特性對于掌握應力重分布特點具有重要意義。利用先進的36通道全數(shù)字型微震監(jiān)測系統(tǒng)對柿竹園礦一次裝藥量約為437 t的井下中深孔特大爆破過程及余震進行了實時連續(xù)監(jiān)測，在監(jiān)測的基礎上研究了大爆破后圍巖體中余震震源的時空分布特征及能量釋放特性，得到了余震發(fā)生最劇烈的階段為大爆破后0.5 h內(nèi)，應力重分布的高應力區(qū)是余震事件積聚區(qū)域。同時通過余震事件波形的P波初動分布對余震事件積聚區(qū)進行了震源機制解答，得到了震源處的破裂類型為剪切型破壞，該破裂類型與現(xiàn)場觀察結果相一致。通過對大爆破過程和大爆破誘發(fā)余震特性的監(jiān)測和分析，為柿竹園礦下一步的回采順序提供了合理化建議。

微震監(jiān)測;大爆破;余震特性;震源機制解答

微震監(jiān)測系統(tǒng)是一個集數(shù)字化與信息化技術于一體的礦山地壓監(jiān)測設備，它以自身強大的功能與特點迅速成為目前全球最先進的礦山地壓監(jiān)測技術，在國外已經(jīng)得到廣泛應用。通過國內(nèi)眾多知名學者與專家的推廣［1］，微震監(jiān)測技術目前已經(jīng)在我國礦山、水電大壩、深埋隧道等領域得到應用，并取得了良好的應用效果和豐富的科研成果，微震監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)成為提高礦山勞動生產(chǎn)力水平與設備裝備水平的強有力的數(shù)字信息化設備。

目前，微震監(jiān)測技術在礦山復雜采空區(qū)、高壩等巖體穩(wěn)定性監(jiān)測和深井礦山與深埋隧道巖爆監(jiān)測等領域均有廣泛應用與研究，但是，關于微震監(jiān)測技術在大爆破后余震監(jiān)測方面的相關研究還很少，特別是對于礦山井下裝藥量特別大的集中爆破，而這對于研究復雜采空區(qū)與圍巖體在高強度開采擾動下的應力重分布特點意義重大。由于微震監(jiān)測系統(tǒng)對破裂源具有高靈敏度和高精度定位功能，以及不受時間與空間限制的監(jiān)測能力，因此微震監(jiān)測技術是實時不間斷監(jiān)測大爆破后余震特性的最優(yōu)方法。本文將以柿竹園礦井下中深孔特大爆破為對象來研究大爆破后井下圍巖體中余震的特性。

1 柿竹園礦大爆破背景

1.1 采礦方法演變歷史

柿竹園鎢錫鉬鉍多金屬礦床礦體集中厚大，有用礦物種類繁多，是國家重要的礦產(chǎn)資源基地。礦床自1987年采用分段鑿巖階段礦房法開采以來，因種種原因井下的采空區(qū)(礦房)未能進行處理，截止到2002年，井下留下占礦塊約60%的礦柱礦量和近300萬m3的巨大采空區(qū)群，累計頂板暴露面積達3萬m2，連續(xù)頂板暴露面積近1萬m2，15 m厚的連續(xù)條帶礦柱多處垮塌。

為了實現(xiàn)礦山采礦的持續(xù)生產(chǎn)，有效處理采空區(qū)和回采礦柱及頂板富礦，礦山自2002年起與長沙礦山研究院協(xié)作研究，最終確定采用中深孔大爆破的方式回采礦柱和頂板富礦、利用頂板崩落處理采空區(qū)安全隱患的采礦方法［2，3］。

1.2 大爆破特點及歷次經(jīng)歷的大爆破

井下中深孔大爆破一次裝藥量大，裝藥區(qū)域大且集中，爆破前施工組織復雜且強度大，由于崩礦量大，開采擾動使井下地應力的重新分布劇烈且復雜，造成大爆破后井下巖體開裂破壞的地應力顯現(xiàn)劇烈且頻繁，對后續(xù)連續(xù)回采影響較大。在確定了上述崩落式連續(xù)回采采礦方法后，柿竹園礦從2003年開始先后經(jīng)歷了井下中深孔亞洲第一爆、世界第一爆(裝藥量800多t)，以及裝藥量350多t與437 t等多次大爆破［4，5］，截止到2011 年7 月，已經(jīng)實現(xiàn)了對約一半以上的礦柱的回采(見圖1)。

圖1 礦柱回采現(xiàn)狀

1.3 大爆破后余震特性研究的重要性

由于大爆破崩礦量大，開采擾動將造成井下地應力發(fā)生大幅度的重分布，另外由于柿竹園礦群礦柱和頂板形成了一個復雜的受力結構，應力重分布與集中的位置較難預測，因此通過具有高靈敏度和對破裂源高精度定位功能的微震監(jiān)測系統(tǒng)對大爆破后巖體中發(fā)生的破裂源進行實時監(jiān)測，獲得余震的時空、能量變化特性和余震事件波形所攜帶的破裂源的信息，進而分析大爆破后應力重分布與集中位置和評價群礦柱與頂板巖體穩(wěn)定性，對后續(xù)的采礦生產(chǎn)服務重要意義。

微震監(jiān)測系統(tǒng)在柿竹園礦投入使用近3年來，多次成功地對大爆破后的余震進行了監(jiān)測，獲得了良好的應用效果。關于柿竹園礦微震監(jiān)測系統(tǒng)的介紹在參考文獻［3～5］中有詳細介紹，在此不做贅述。本文將以2011年7月9日進行的裝藥量約437 t的井下中深孔大爆破作為研究對象來研究大爆破后的余震特性。

2 大爆破后余震特性研究

2011年7月9日進行的大爆破區(qū)域見圖1，高程范圍從620分層到536分層，裝藥量為437 t，崩礦量為130.5萬t，大爆破分為42段微差起爆，從總體上來講按照從南往北、從下往上的起爆順序向自由面崩礦，最大段裝藥量約為21 t。7月9日06時30分27秒正式起爆，微震監(jiān)測系統(tǒng)對全過程進行了全自動實時監(jiān)測，下面對大爆破的余震特性從時空、能量方面進行詳細的研究。

2.1 余震事件時間分布特性

大爆破后0.5 h是井下地壓變化最劇烈的一段時間，這段時間內(nèi)產(chǎn)生的余震事件數(shù)最多。圖2是對大爆破后24 h內(nèi)所有余震事件以0.5 h為時間單位所描述的變化圖。圖3是大爆破后10 d內(nèi)每天井下產(chǎn)生的余震事件數(shù)隨時間的變化圖。

圖2 余震事件率及能量的時間變化

圖3 余震事件率的時間變化

由圖2可以看出，大爆破后的0.5 h內(nèi)余震事件數(shù)達到了12個，隨后余震事件數(shù)快速下降，最多為2 個/0.5 h，一般為 1 個/0.5 h，大爆破后 0.5 h內(nèi)余震事件數(shù)占大爆破后24 h內(nèi)總余震事件數(shù)的57%以上，說明大爆破后0.5 h內(nèi)是井下應力調(diào)整導致巖體開裂或破壞最劇烈的階段。

另外由圖3可以看出，第一天的余震事件總數(shù)為最大值18個/d，第二天的余震事件總數(shù)便有較大幅度減少，需要重點說明的是，從7月10日中班(16時至24時)開始出礦，余震事件率在10日有一個較大幅度減少之后又于7月11日開始增加，并持續(xù)到7月13日，說明放礦對余震發(fā)生頻度具有較大影響。從7月14日開始，余震事件率重新持續(xù)減少，并于7月17日開始歸零，說明井下群礦柱與頂板巖體基本趨于穩(wěn)定。

2.2 余震事件空間分布特性

圖4顯示了大爆破后7 d內(nèi)井下余震事件的空間分布情況。由圖4可以很清楚地看出，余震事件主要集聚發(fā)生在558分層到630分層的P3巷的C6以北與3盤區(qū)的K3－6區(qū)域，表示大爆破后井下應力主要向該區(qū)域轉移與集中。

圖4 余震事件空間分布

另外結合圖1與圖4還可以看出，余震事件主要發(fā)生在630分層附近，在630分層以上的懸頂區(qū)域只發(fā)生了一個余震事件，且這個余震事件震級較小，說明采空區(qū)頂板冒落高度可能在630分層附近，而懸頂區(qū)域在大爆破后仍處于較穩(wěn)定狀態(tài)。

2.3 余震事件能量釋放特性

通過對余震事件波形進行積分運算求地震波能量的公式為［6］:

式中:ρ為介質(zhì)密度;c為地震波傳播速度;〈?！凳蔷礁椛鋱D型;Γ是輻射圖型算子;R是傳播算子，且R正比于震源距是介質(zhì)位移對時間的微商。上述計算過程是由微震監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)部軟件自動進行的。

圖5是大爆破后余震事件的釋放能量情況。

圖5 余震事件能量釋放率變化情況

由圖5可以看出，余震事件的能量釋放率與余震事件率具有相似的變化過程。在第一天達到了最大值94 J，經(jīng)過逐步降低后于7月10日能量釋放降到了極小值。由于受7月10日開始放礦的影響，余震能量釋放率又有一定的回升，并持續(xù)到7月13日。從7月14日開始，能量釋放率便總體呈下降趨勢，并從7月17日開始能量釋放為零。

圖6顯示了大爆破后每個余震事件的矩震級與時間的關系。矩震級與余震事件的能量是成正比例關系的，可以通過公式(2)求出［7］。

式中:Mb是體波震級。

圖6 余震事件矩震級與時間的關系

由圖6可以看出，除了在大爆破后較近的一段時間內(nèi)有一個矩震級為－0.6的余震事件外，其他時間段內(nèi)的余震事件的矩震級大致處于－1.2～－0.8之間，說明余震事件的強度較小。

3 基于余震P波初動的大尺度巖體破裂震源機制解答

通過對余震事件的P波初動分布進行反演，可以對震源進行震源機制解答，從而求解出震源處的破裂形式。限于篇幅，這一理論基礎在此不做累述，具體可以參考文獻［6～9］。

下面將通過對圖4所示的余震事件集聚區(qū)域的某個事件波形來反演該區(qū)域的破裂類型。圖7是用來進行震源機制解答的某一余震事件;圖8是其監(jiān)測波形及P波初動方向。

圖7 用來進行震源機制解答的某一余震事件

圖8 余震事件波形圖及其P波初動方向

圖9是進行震源機制解答所得的結果。圖9中向上三角形表示P波初動方向為向上的傳感器在赤平極射投影圖上的投影點;向下三角形表示P波初動為向下的傳感器在赤平極射投影圖上的投影點。通過對圖9的判讀，投影線1是破裂面的投影，投影線2是輔助節(jié)面的投影，該節(jié)面與破裂面上的錯動方向垂直。通過對赤平極射投影圖的判讀，破裂面的產(chǎn)狀為193°∠72°，該震源處巖體破裂類型為剪切型破壞，證明由余震事件波形所攜帶的P波初動分布信息便可以反推出震源處的破裂類型。

圖9 震源機制解答結果(上半球投影)

圖10是610分層P3巷C6往北段在大爆破前后的對比照片，該區(qū)域即是圖4所示的大爆破后余震事件的集聚區(qū)。由圖10可以看出，大爆破后該區(qū)段P3巷道由于錯動產(chǎn)生了垮塌，破裂面的產(chǎn)狀與圖9的結果較為吻合。

圖10 610分層P3C6往北段巷道大爆破前后對比

4 余震特性對回采順序優(yōu)化的建議

通過對大爆破后井下余震事件的空間分布的分析可知，558分層到630分層的P3巷的C6以北與3盤區(qū)的K3－6區(qū)域為應力轉移的高應力集中區(qū)域，并在重分布的應力集中區(qū)內(nèi)產(chǎn)生了塑性破裂或破壞，可能已經(jīng)發(fā)生了礦柱垮塌或產(chǎn)生了宏觀開裂等地壓現(xiàn)象，大爆破后井下應力主要轉移集中到2盤區(qū)與3 盤區(qū)的 K2－6、K3－6及 C6 與 C7 房間柱。

圖11 大爆破后應力轉移和集中區(qū)域與下一步驟爆破區(qū)域的關系

由圖11可知，應力轉移與集中區(qū)域的較大一部分不在下一步驟爆破區(qū)域內(nèi)。根據(jù)微震監(jiān)測結果，建議把圖11中的應力轉移與集中區(qū)域，特別是高應力集中區(qū)域納入到下一步驟爆破區(qū)域內(nèi)，并作為下一步優(yōu)先回采的區(qū)域。

5 結論

通過對柿竹園礦一次典型的井下中深孔大爆破后圍巖體中余震時空與能量特性的研究，根據(jù)余震事件波形P波分布反演破裂處的破裂類型，得到了以下主要結論:

(1)大爆破后0.5 h內(nèi)余震事件總數(shù)占大爆破后24 h內(nèi)余震事件總數(shù)的57%以上，說明大爆破后0.5 h內(nèi)是余震發(fā)生最劇烈的階段;

(2)余震事件積聚區(qū)域是應力重分布與集中的高應力區(qū)，得到了采空區(qū)可能的冒落高度，評價了懸頂區(qū)域巖體的穩(wěn)定性;

(3)除了在大爆破后較近的一段時間內(nèi)有一個矩震級約為－0.6的余震事件外，其他時間段內(nèi)的余震事件的矩震級大致處于－1.2～－0.8之間，說明余震事件的強度較小;

(4)放礦會導致余震事件數(shù)與能量釋放有一定程度的增加;

(5)根據(jù)余震事件波形的P波初動分布反演得到了震源處的破裂類型為剪切型破壞;

(6)大爆破后余震特性的研究為確定柿竹園礦下一步的采礦順序提供了科學建議，并獲得了良好的應用效果。

［1］ 李庶林，尹賢剛，鄭文達，等.凡口鉛鋅礦多通道微震監(jiān)測系統(tǒng)及其應用研究［J］.巖石力學與工程學報，2005，24(12):2048－2053.

［2］ 袁節(jié)平.柿竹園礦的采礦地壓及其防治［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，1997，17(4):26－29.

［3］ 袁節(jié)平.試論柿竹園多通道微震監(jiān)測技術研究的必要性［J］.采礦技術，2009，9(1):66－69.

［4］ 袁節(jié)平，胡靜云，周愛民，等.柿竹園多通道微震監(jiān)測系統(tǒng)的建立及其應用［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2010，30(6):12－14.

［5］ 陳際經(jīng)，胡靜云，李庶林.柿竹園礦地下特大爆破的微震監(jiān)測技術研究［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2011，31(2):59－62.

［6］ 陳運泰，等.地震參數(shù):數(shù)字地震學在地震預測中的應用［M］.北京:地震出版社，2003.

［7］ 傅承義，陳運泰，祁貴仲，等.地球物理學基礎［M］.北京:科學出版社，1985.

［8］ 徐果明，周蕙蘭，等.地震學理論［M］.北京:科學出版社，1982.

［9］(波)Slawomir Jerzy Gibowicz，Andrzej Kijko.礦山地震學引論［M］.修濟剛，徐平，楊心平，譯.北京:地震出版社，1998.

2011－10－11)

胡靜云(1985－)，男，湖北漢川人，助理工程師，工程碩士，主要從事礦山地壓監(jiān)測與預警研究，Email:hujingyun007@163.com。