覃 敏， 劉 暢

（1.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長沙410012； 2.金屬礦山安全技術(shù)國家重點實驗室，湖南 長沙410012）

巖體差異性和復(fù)雜性使得巖體在失穩(wěn)破壞時具有一定先兆特征，之后在巖體與外在環(huán)境的相互作用下誘發(fā)形成地壓災(zāi)害。 原巖狀態(tài)下礦體、圍巖體受到采掘擾動，其承載的應(yīng)力場會重新分布，局部或區(qū)域位置產(chǎn)生應(yīng)力集中，積聚的彈性能超過極限時巖體就會產(chǎn)生應(yīng)變、變形，誘發(fā)微破裂，直至開裂、失穩(wěn)及破壞等，形成一系列能量釋放的宏觀表現(xiàn)形式。

地壓災(zāi)害不可能完全消除，只能進行預(yù)防和控制，預(yù)防地壓災(zāi)害的有效手段是現(xiàn)場監(jiān)測。 監(jiān)測方式主要有應(yīng)力監(jiān)測、位移監(jiān)測、聲發(fā)射監(jiān)測和微震監(jiān)測［1］。微震監(jiān)測技術(shù)目前處于快速發(fā)展和相對成熟的階段，已在多個礦山得以應(yīng)用［2-6］。

本文基于云南馳宏鋅鍺股份有限公司下屬麒麟廠已建成的微震監(jiān)測系統(tǒng)，建立有效微震事件庫，依據(jù)地壓活動性預(yù)警原則，結(jié)合開采實際，對微震時間序列、空間分布與演化、定量地震學(xué)參數(shù)等指標進行統(tǒng)計、分析與研究，確定麒麟廠范圍內(nèi)多參量預(yù)警閥值，以實現(xiàn)地壓災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警的目標。

1 麒麟廠微震監(jiān)測臺網(wǎng)布置

云南馳宏鋅鍺股份有限公司會澤礦業(yè)分公司始建于1951 年［7］，麒麟廠是其下設(shè)礦山之一。 麒麟廠主要采用豎井開拓，提升井1＃豎井和2＃豎井組成井下二段豎井接力提升系統(tǒng)。 1＃豎井為混合井，采用塔式提升，位于礦山廠和麒麟廠中間，井口地表標高+2 538 m，井底標高+1 677 m。 井下與1＃豎井連接的主運輸中段為1 751 m 中段，連通2＃盲豎井。 2＃盲豎井亦為混合井，井口標高+1 750.6 m，井底標高+961 m，開拓深度超1 500 m。 隨著礦山不斷向深部延伸，地應(yīng)力不斷增大，導(dǎo)致井下地壓活動日益顯現(xiàn)，多處出現(xiàn)了片幫冒頂、巷道擠壓變形、巖爆等現(xiàn)象。 為了對地壓災(zāi)害進行監(jiān)測和預(yù)警，在麒麟廠1 751～1 031 m 水平建立了1 套38 通道的微震監(jiān)測系統(tǒng)［7］。 該系統(tǒng)由7 臺數(shù)據(jù)采集儀（包括3 臺8 通道的數(shù)據(jù)采集儀和4 臺4 通道數(shù)據(jù)采集儀）和32 個傳感器（包括3 個三分量傳感器和29 個單分量傳感器）組成。

2 基于微震的地壓活動性預(yù)警原則

參考國內(nèi)外科研工作者地震?微震?聲發(fā)射研究成果［8-9］，并結(jié)合監(jiān)測實踐，基于微震地壓活動性預(yù)警的原則為：

1） 時間序列。 一定區(qū)域、一段監(jiān)測時間內(nèi)微震事件的能級與頻次持續(xù)高于平均值或快速上升，且無明顯交替釋放過程，可定義為活躍期，需要進行預(yù)警。

2） 空間分布與演化。 一定時間區(qū)間、區(qū)域內(nèi)微震事件的能級與集中程度快速上升，可定義為活躍區(qū)域，需要進行預(yù)警。

3） 定量地震學(xué)參數(shù)。 根據(jù)具體指標參數(shù)變化，擬合現(xiàn)場地壓顯現(xiàn)記錄，首先總結(jié)高低值特征，其次總結(jié)其變化規(guī)律，提出相應(yīng)的預(yù)警閥值。

多參量預(yù)警在現(xiàn)場應(yīng)用中很容易發(fā)生沖突，造成顧此失彼或以偏概全，為保證預(yù)警指標結(jié)果一致性、提高預(yù)警準確性與效率，原則上，時間序列、空間分布與演化、定量地震學(xué)參數(shù)三者中任一指標觸發(fā)閥值，綜合預(yù)警，現(xiàn)場可能會發(fā)生地壓災(zāi)害。

3 麒麟廠地壓災(zāi)害多參量預(yù)警規(guī)律分析

3.1 建立有效微震事件數(shù)據(jù)庫

作為后續(xù)基于微震監(jiān)測地壓活動性分析基礎(chǔ)，有效微震事件庫中的數(shù)據(jù)連續(xù)性至關(guān)重要。 保證其連續(xù)性根本且唯一的方法是維持當前微震監(jiān)測系統(tǒng)的主結(jié)構(gòu)完整、分支單元運行正常。 其次，為了盡可能提高有效微震事件庫可靠性，微震監(jiān)測系統(tǒng)臺網(wǎng)布置中傳感器位置及其密度都有較高要求，理論上形成包絡(luò)狀橢球體，從而達到精確控制誤差、剔除誤差置信區(qū)間外的微震事件數(shù)據(jù)庫［10-11］。 包絡(luò)狀橢球體誤差控制模型如圖1 所示，麒麟廠數(shù)據(jù)篩選對比如圖2 所示。 2018年7 月1 日～10 月9 日期間，有效微震事件庫基本情況為：篩選前有效微震事件411 次，篩選后有效微震事件402 次；振級M為-2.40～0.30，地震矩對數(shù)（lgM）為7.7～10.6，能量對數(shù)（lgE）為1.2～5.2。

圖1 包絡(luò)狀橢球體誤差控制模型

圖2 微震事件監(jiān)測數(shù)據(jù)篩選

3.2 篩選后有效微震事件統(tǒng)計

振動能量是描述礦巖體失穩(wěn)的彈性能釋放強度及應(yīng)力場遷移演化規(guī)律的常見強度參量；振級是以其包含的部分體積波的振幅來表征振動尺度的常見參量。本文根據(jù)處理后的微震事件庫從振級和振動能量兩個指標進行統(tǒng)計分析，初步判定礦山地壓活動狀況。 麒麟廠微震事件分級統(tǒng)計結(jié)果見表1。

表1 麒麟廠微震事件能量與振級分級統(tǒng)計結(jié)果

由表1 可知，麒麟廠整體地壓活動事件能級較小，所占比例較大，相對較大事件（M≥0）數(shù)量較少，僅占3.48%；從輻射能量方面來看，整體上以小能量事件為主，主要分布在100 ～100 000 J 區(qū)間，占91.54%，較大輻射能量事件（E≥10 000 J）占27.61%，其中輻射能量E≥100 000 J 的事件6 次。 麒麟廠范圍內(nèi)的微震事件呈一般微震強度特征。

3.3 時間、空間和強度因子的演化規(guī)律

3.3.1 時間序列及其強度因子

巖體破裂事件與礦山生產(chǎn)活動息息相關(guān)，每日的采掘活動直接影響到礦山微震事件的活動情況，通過掌握微震事件每日的振動頻率和振動能量意義較大。麒麟廠范圍內(nèi)微震事件累積釋放能量與頻次統(tǒng)計分析結(jié)果如圖3 所示。 由于能量區(qū)間差別較大，能量因素采用對數(shù)處理。

由圖3 可知，該時間區(qū)間內(nèi)，麒麟廠日累積釋放能量平均水平為10 000 J，日頻次平均4 次，結(jié)合時間序列分布，能量與頻次總體變化較為平緩（變化區(qū)間較小，除部分空值外），呈交替狀時間分布，根據(jù)活躍期判定，2018 年7 月9～11 日、7 月23～25 日、7 月27～29日、8 月5～8 日處于微震活動活躍期，需加強監(jiān)測與安全巡視，甚至實施地壓控制等措施。

圖3 麒麟廠日累積釋放能量與頻次統(tǒng)計分析

時序集中度用來衡量微震事件在時間序列中的活動強度。 在有效監(jiān)測時間內(nèi)，微震事件振動越頻繁，即時序越集中，則發(fā)生地壓災(zāi)害的可能性越大；反之，可能性越小［9］。 定義時序集中度指標為：

式中ΔT和Var（T）分別為時間區(qū)間內(nèi)相鄰微震事件發(fā)生時間間隔的平均值和方差。Q時＝0 表示周期性產(chǎn)生微震事件；0 ＜Q時＜0.5 表示準周期性產(chǎn)生微震事件；0.5 ≤Q時≤1 表示以平穩(wěn)的齊次泊松方式產(chǎn)生微震事件；1 ＜Q時＜+∞表示以叢集方式產(chǎn)生微震事件。 根據(jù)實驗室試驗以及現(xiàn)場應(yīng)用實例，試件塑性破壞、現(xiàn)場巖體失穩(wěn)往往發(fā)生在時序集中度Q時＞1 時，因此評價時間序列強度因子時，時序集中度Q時處于明顯高值區(qū)時，現(xiàn)場需進行預(yù)警。 計算時序集中度如圖4 所示。

圖4 麒麟廠時序集中度分布

從圖4 可以看出，2018 年9 月底出現(xiàn)指標峰值，10 月初也出現(xiàn)高值區(qū)，根據(jù)預(yù)警原則，預(yù)計后續(xù)時間區(qū)間會出現(xiàn)時間集中度的叢集過程，即現(xiàn)場地壓顯現(xiàn)可能性較大。

3.3.2 空間演化及其強度因子

利用微震監(jiān)測系統(tǒng)軟件，對麒麟廠采集的有效微震事件從空間分布角度研究其活動變化過程，便于掌握礦山地壓活動的顯現(xiàn)位置規(guī)律。 麒麟廠微震事件空間分布演化過程如圖5 所示。

由圖5 可以看出，時間區(qū)間內(nèi)微震事件主要分布在深部1 211～1 091 m 中段，1 571 m、1 751 m 中段僅7 月份監(jiān)測到有效微震事件，分布離散；較大微震事件主要分布于1 151 m 和1 211 m 中段。 結(jié)合礦山生產(chǎn)實際情況，微震事件的集中程度與對應(yīng)中段相吻合。

圖5 麒麟廠空間分布演化過程

空間震中程度用來衡量微震事件在三維上的活動強度。 在固定三維空間方位內(nèi)，微震密集分布時，微震活動性強，地壓災(zāi)害可能性大，如果正常離散分布，則微震活動性弱，地壓災(zāi)害可能性小。 定義震源集中程度指標Q空為：

式中λ1，λ2，λ3均為協(xié)方差矩陣的特征根。Q空越小，橢球體越小，表征微震事件集中程度越高，微震活動性強，地壓災(zāi)害可能性越大；反之亦然。 根據(jù)實驗室試驗以及現(xiàn)場應(yīng)用實例，試件塑性破壞、現(xiàn)場巖體失穩(wěn)往往發(fā)生在震中集中程度Q空低值區(qū)，因此評價空間集中度因子時，震中集中程度Q空處于明顯低值區(qū)，即Q空≤100 作為預(yù)警閥值，現(xiàn)場需進行預(yù)警。 根據(jù)以上定義的空間演化強度因子數(shù)學(xué)模型，由麒麟廠有效微震事件庫計算震中集中度，結(jié)果如圖6 所示。

圖6 麒麟廠震中集中度分布

從圖6 可以看出，在2018 年9 月底、10 月初Q空出現(xiàn)低值區(qū)，根據(jù)預(yù)警原則，預(yù)計后續(xù)時間區(qū)間有可能會出現(xiàn)地壓顯現(xiàn)問題。

3.3.3 地震學(xué)參數(shù)分析

b值反映微震事件庫中較大能級事件所占比例大小，b值越大，能量較大事件所占比例越??；反之所占比例越大［9］。 對麒麟廠范圍的a、b進行計算統(tǒng)計，擬合計算結(jié)果如圖7 所示，變化曲線如圖8 所示。

圖7 麒麟廠總體a、b 值

圖8 麒麟廠b 值變化曲線

由圖7 ～8 可以看出，在此監(jiān)測時間區(qū)間內(nèi)，麒麟廠總體a＝3.480 5、b＝0.407 1，大部分b值皆低于總體b值，但交替狀明顯，其中8 月中下旬、9 月上旬、9 月下旬、10 月上旬呈低b值特征，表征麒麟廠范圍內(nèi)在該時間區(qū)間地壓顯現(xiàn)可能性相對較大。 結(jié)合現(xiàn)場采掘與地壓顯現(xiàn)情況，確定麒麟廠b≤0.20 為預(yù)警閥值。

βn值反映礦山監(jiān)測區(qū)域內(nèi)一段時間中微震活動率的變化情況。βn越大，表征微震活動率大，微震誘發(fā)地壓災(zāi)害可能性也就越大。 對麒麟廠范圍在該時間區(qū)間內(nèi)的βn值進行計算，變化曲線見圖9。

由圖9 可以看出，βn高值區(qū)主要集中在2018 年7月份，說明在該時間段微震活動率較大，地壓顯現(xiàn)可能性較大。 結(jié)合現(xiàn)場采掘與地壓顯現(xiàn)情況，確定麒麟廠βn≥1.5 為預(yù)警閥值。

圖9 麒麟廠βn 值變化曲線

η值是度量振級?頻次曲線與G?R直線偏離程度的一種地震學(xué)參數(shù)，并作為大振級事件的預(yù)警指標。根據(jù)已有經(jīng)驗，預(yù)警區(qū)間（后續(xù)的災(zāi)害時間段）幾乎全部發(fā)生在高η值期間，低η值意味著礦山巖體破裂系統(tǒng)由無序向有序轉(zhuǎn)化。 對麒麟廠范圍在該時間區(qū)間內(nèi)的η值進行計算，變化曲線見圖10。

圖10 麒麟廠η 值變化曲線

由圖10 可以看出，在此監(jiān)測時間區(qū)間內(nèi)，η高值區(qū)主要集中在2018 年7 月上中旬、8 月上中旬，說明在該時間段內(nèi)礦山巖體破裂呈無序特征，存在地壓顯現(xiàn)的可能。 結(jié)合現(xiàn)場采掘與地壓顯現(xiàn)情況，確定麒麟廠η≥1.1 為預(yù)警閥值。

4 結(jié) 論

基于已建立的微震監(jiān)測系統(tǒng)有效微震事件庫，根據(jù)地壓活動性預(yù)警原則，結(jié)合麒麟廠開采實際，對麒麟廠的微震時間序列、空間分布與演化、定量地震學(xué)參數(shù)等指標進行了統(tǒng)計、分析與研究，確定了麒麟廠范圍內(nèi)多參量預(yù)警閥值：

1） 根據(jù)實驗室試驗以及現(xiàn)場應(yīng)用實例，試件塑性破壞、現(xiàn)場巖體失穩(wěn)往往發(fā)生在時序集中度Q時處于明顯高值區(qū)，當時序集中度Q時＞1 時，現(xiàn)場需進行預(yù)警。

2） 試件塑性破壞、現(xiàn)場巖體失穩(wěn)往往發(fā)生在震中集中程度Q空低值區(qū)，當Q空≤100 時，現(xiàn)場需進行預(yù)警。

3） 根據(jù)地震學(xué)參數(shù)研究分析，當b≤0.20、βn≥1.5和η≥1.1 時，現(xiàn)場需進行預(yù)警。