微震技術(shù)在淺埋鎢礦床地壓監(jiān)測中的應(yīng)用*

黃智群，江文武，李家福，吳小豐

(1.江西漂塘鎢業(yè)有限公司， 江西 贛州市 341000；2.江西理工大學(xué) 應(yīng)用科學(xué)學(xué)院， 江西 贛州市 341000；3.上海鵬旭信息科技有限公司， 上海 200000)

0 引 言

我國贛南鎢礦開采歷史悠久，地質(zhì)條件復(fù)雜，早期民采現(xiàn)象嚴(yán)重，多礦脈同時開采，隨著開采深度增加，地壓活動愈演愈烈，此前如應(yīng)力計、位移計等傳統(tǒng)的地壓監(jiān)測手段存在埋設(shè)點位要求高，監(jiān)測獲取的數(shù)據(jù)單一、監(jiān)測范圍有限，監(jiān)測數(shù)據(jù)反應(yīng)滯后等技術(shù)缺陷。隨著各項技術(shù)的快速發(fā)展，尤其是計算機、數(shù)字技術(shù)、地震學(xué)和物理學(xué)等交叉學(xué)科的運用，促使微震監(jiān)測技術(shù)快速發(fā)展，微震監(jiān)測技術(shù)在國外礦山穩(wěn)定性監(jiān)測預(yù)報方面已經(jīng)成為一種重要手段。1980年代后，微震監(jiān)測技術(shù)逐步引入到我國的深井礦山和高陡邊坡，如冬瓜山銅礦、三河尖煤礦、平煤十一礦、會澤鉛鋅礦、凡口鉛鋅礦、張馬屯鐵礦、華豐煤礦以及錦屏二級水電站等工程先后建立了微震監(jiān)測系統(tǒng)[1-7]，并在巖體穩(wěn)定性監(jiān)測與災(zāi)害預(yù)測預(yù)報方面逐步凸顯出它的技術(shù)優(yōu)勢。然而，微震監(jiān)測技術(shù)在淺埋礦山方面的應(yīng)用在國內(nèi)外鮮有報道。為此，本文以漂塘鎢錫礦作為工程背景，開展微震監(jiān)測技術(shù)方面的研究，研究結(jié)果可為我國其他淺埋礦山地壓活動的理論研究和現(xiàn)場監(jiān)測提供借鑒。

1 礦山背景

漂塘鎢錫礦有 60多年的開采歷史，早期礦區(qū)民采現(xiàn)象嚴(yán)重，且經(jīng)多年的開采，已形成了大量的采空區(qū)，加之礦區(qū)內(nèi)斷層發(fā)育，有東西向、北東至北北東向和北西向，較大斷層有 11條，F(xiàn)3和 F2斷層橫切整個礦體，斷層相鄰區(qū)域巖層非常破碎，穩(wěn)定性較差，暴露后即產(chǎn)生垮塌。這些礦山的客觀因素，導(dǎo)致近年來漂塘礦區(qū)地壓活動頻繁，已對礦區(qū)的安全生產(chǎn)構(gòu)成了嚴(yán)重威協(xié)。為此，地壓問題已經(jīng)引起了礦山及有關(guān)主管部門的高度重視，開采早期漂塘礦區(qū)采用全站儀、自制的地壓滑尺和較先進的聲發(fā)射監(jiān)測儀等方法對采空區(qū)穩(wěn)定性進行監(jiān)測，在一段時間以來，雖然這些傳統(tǒng)的監(jiān)測手段為掌握空區(qū)穩(wěn)定性提供了相關(guān)數(shù)據(jù)信息，在一定程度上對礦山的安全生產(chǎn)起到了積極作用，但這些監(jiān)測手段普遍存在監(jiān)測數(shù)據(jù)滯后，監(jiān)測范圍覆蓋面窄，難以實現(xiàn)實時在線監(jiān)測和災(zāi)害預(yù)測預(yù)報功能。具體表現(xiàn)為：監(jiān)測點布局受限制明顯，難以布置在采空區(qū)巖層移動活躍區(qū)域，導(dǎo)致采空區(qū)穩(wěn)定性監(jiān)測數(shù)據(jù)敏感度低；監(jiān)測數(shù)據(jù)受外部環(huán)境和采集人員的影響較大，且數(shù)據(jù)的獲取是間斷性的，時效性差，不能獲得采空區(qū)穩(wěn)定性的真實有效的實時數(shù)據(jù)；監(jiān)測人員必須到地壓活動現(xiàn)場讀數(shù)，監(jiān)測人員的安全問題得不到保障。

2 微震監(jiān)測效果分析

漂塘礦區(qū)沿走向方向分為西區(qū)、中區(qū)和東區(qū)，為了控制地壓活動，開采采用階梯式下降模式，中、西區(qū)下降速度快，西區(qū)I帶礦體和Ⅲ帶礦體受F3斷層、F5斷層影響明顯，中區(qū)偏東區(qū)域礦體受到 F2大斷層橫切等構(gòu)造的影響，結(jié)合近期礦區(qū)地壓活動西區(qū)最為明顯，中東區(qū)次之。出于上述采礦活動空間分布特點，在系統(tǒng)設(shè)計時，以礦區(qū)西區(qū)作為地壓活動監(jiān)測重點區(qū)域，中區(qū)次之，同時適當(dāng)兼顧東部區(qū)域，構(gòu)建了 41通道的 IMS地壓微震監(jiān)測管理系統(tǒng)。

圖1（a）、圖1（b）分別為328中段313采場相鄰區(qū)域2015年12月、2016年1月累積的事件分布圖，圖2（a）、圖2（b）為對應(yīng)時間的事件柱狀圖，通過對比分析可以發(fā)現(xiàn)，2015年12月份328中段313采場相鄰區(qū)域的地壓活動平靜，該區(qū)域產(chǎn)生的事件數(shù)少，進入2016年1月份后，該區(qū)域產(chǎn)生的事件數(shù)呈現(xiàn)增多趨勢，單日事件數(shù)達到5至7個，該區(qū)域地壓活動逐步呈現(xiàn)活躍趨勢，尤其是 1月21日單日事件數(shù)達到了11個，同時在1月21日該區(qū)域?qū)?yīng)的累積視體積[8]呈現(xiàn)增加趨勢，能量指數(shù)呈現(xiàn)突降趨勢，見圖3所示，這些特征說明328中段對應(yīng) 313采場相鄰區(qū)域地壓活動呈現(xiàn)異常特征，結(jié)合上述考慮，該區(qū)域存在局部失穩(wěn)的概率較大。次日凌晨328中段對應(yīng)的313采場的鏟運機道出現(xiàn)了失穩(wěn)垮塌。

圖1 328中段313采場相鄰區(qū)域累積的事件分布

圖2 微震事件柱狀圖

圖3 能量指數(shù)與累計視體積隨時間演化規(guī)律

由圖4可知，2013年7月份268中段微震事件較為聚集，其中268中段至328中段的0線301采場相鄰區(qū)域即為一個風(fēng)險區(qū)域，需對其進行地壓活動風(fēng)險評估預(yù)測。

圖5（a）和圖5（b）為2013年6月份和2013年7月份的事件柱狀圖，由圖5（a）可知，在2013年6月初期，268中段至328中段0線的301采場相鄰區(qū)域地壓活動較為頻繁，該區(qū)域產(chǎn)生的單日事件數(shù)基本達到了 10個，但此時間段內(nèi)，累計視體積變化平緩，并沒有呈現(xiàn)出加速變形趨勢，同時這些事件均屬于小震級事件，這些微震監(jiān)測指標(biāo)特征表明，這段時間該區(qū)域微震事件聚集較為明顯，主要是301采場自身的采礦活動誘發(fā)了相鄰圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致巖體內(nèi)部形成新的微裂隙或原有裂隙進一步擴展。

圖4 2013年7月份268中段微震事件分布

圖5 微震事件柱狀圖

圖6 能量指數(shù)、施密特數(shù)與累計視體積隨時間演化規(guī)律

在6月中下旬，301采場相鄰區(qū)域二次應(yīng)力調(diào)整結(jié)束，地壓活動區(qū)域平靜，直到7月初，301采場地壓活動重新活躍，且尤其是7月初至20日，單日事件數(shù)達到 10個左右，累計視體積呈現(xiàn)明顯快速增加現(xiàn)象（見圖6），伴隨能量指數(shù)快速下降，上述種種跡象表明，301采場相鄰區(qū)域巖體穩(wěn)定性明顯降低，巖體存在局部失穩(wěn)的風(fēng)險，隨后礦山對301采場相鄰巷道的非穩(wěn)定的巖體進行誘導(dǎo)崩落處理，確保了該區(qū)域的安全生產(chǎn)。

綜上可知，漂塘鎢錫礦地壓災(zāi)害發(fā)生前的一些特征指標(biāo)將呈現(xiàn)出異常特征，視體積、能量指數(shù)、事件頻率等適合漂塘鎢錫礦的地壓活動特征。值得注意的是，與深井硬巖礦山相比，鎢礦床一般出露地表，采空區(qū)賦存淺，原巖應(yīng)力小，巖體完整性較差，節(jié)理裂隙較發(fā)育，導(dǎo)致巖體介質(zhì)存儲應(yīng)變能的能力小，采空區(qū)發(fā)生地壓災(zāi)害前、后能量釋放量較小，與此同時，地壓災(zāi)害發(fā)生過程中沒有大震級事件產(chǎn)生，從圖3、圖6中震級與事件分布可知，地壓災(zāi)害發(fā)生前后，對應(yīng)區(qū)域產(chǎn)生的最大震級僅為-1.1級，這表明鎢礦床采空區(qū)地壓災(zāi)害的發(fā)生可能更多受控于巖體結(jié)構(gòu)面，這與深井硬巖礦山對應(yīng)的巖爆地壓災(zāi)害微震特征存在本質(zhì)的區(qū)別。

3 結(jié) 論

（1）微震監(jiān)測技術(shù)在漂塘鎢錫礦運行和監(jiān)測效果較好，系統(tǒng)能有效監(jiān)測和記錄采空區(qū)圍巖內(nèi)部微裂隙產(chǎn)生、聚核發(fā)育和擴展失穩(wěn)的整個過程，為地壓活動規(guī)律分析和災(zāi)害預(yù)測預(yù)防提供了基礎(chǔ)。

（2）地壓災(zāi)害發(fā)生前后，視體積、能量指數(shù)、事件頻率等指標(biāo)會呈現(xiàn)異常突變現(xiàn)象，這些指標(biāo)可以作為地壓災(zāi)害的前兆性特征指標(biāo)。

（3）與深井礦山相比，漂塘鎢錫礦的部分監(jiān)測指標(biāo)存在明顯弱化現(xiàn)象，地壓災(zāi)害發(fā)生前后，能量釋放突變值的數(shù)量級較小，沒有大震級事件產(chǎn)生，尤其是局部巖體失穩(wěn)中，能量釋放不明顯，這表明鎢礦采空區(qū)地壓災(zāi)害的發(fā)生可能更多受控于巖體結(jié)構(gòu)面。