石 峰，張 達(dá)，吳亞飛，李 坤，王 平

（1.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160；2.中國—南非礦產(chǎn)資源開發(fā)利用聯(lián)合研究中心，北京 102628；3.國家金屬礦綠色開采國際聯(lián)合研究中心，北京 102628；4.西部黃金克拉瑪依哈圖金礦有限責(zé)任公司，新疆 克拉瑪依 834000）

地下礦山開采過程中，地壓活動(dòng)與安全生產(chǎn)密切相關(guān)。采礦過程中由于巷道開挖，巖體原始應(yīng)力平衡被破壞，巖體應(yīng)力重新分布，內(nèi)部儲(chǔ)存的能量突然猛烈釋放，會(huì)發(fā)生巖爆（沖擊地壓）等動(dòng)力災(zāi)害現(xiàn)象，造成嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失［1-3］。隨著現(xiàn)代社會(huì)的高速發(fā)展，對(duì)礦產(chǎn)資源需求不斷加大，礦山開采不斷向深部延伸，發(fā)生巖體動(dòng)力災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)隨之加大。因此，必須對(duì)礦山開采過程中地壓活動(dòng)進(jìn)行有效監(jiān)測和評(píng)價(jià)分析。

巖體破壞前，會(huì)向外界釋放大量信息，如彈性波、聲音、熱能等，包含大量破壞前兆信息［4］。微震監(jiān)測技術(shù)可以很好地接收到巖體破壞時(shí)釋放的彈性波，通過反演獲得巖體內(nèi)部損傷及裂紋發(fā)展演化過程，被廣泛應(yīng)用于工程安全監(jiān)測中［5-7］。國內(nèi)外研究學(xué)者基于微震監(jiān)測技術(shù)對(duì)巖體動(dòng)力災(zāi)害進(jìn)行了大量研究，并取得了一定成果。唐超等［8］針對(duì)一起巖體破裂微震定位事件案例，采用震源機(jī)制解分析了巖體破壞類型及破裂面方位。魏秀琪等［9］監(jiān)測隧洞開挖過程中圍巖的微震信息，提出了基于微震前兆信息的巖爆要素預(yù)測方法，并對(duì)巖爆的風(fēng)險(xiǎn)、范圍、等級(jí)進(jìn)行了預(yù)測。陳炳瑞等［10］獲取了巖土工程災(zāi)害演化過程的微震信息，自動(dòng)識(shí)別巖石破裂信息，精準(zhǔn)定位了巖石破裂震源的位置。李庶林等［11］分析了一次爆破誘發(fā)的采空區(qū)上覆巖體破壞案例，基于微震定位數(shù)據(jù)，采用矩張量理論對(duì)微震源定位事件進(jìn)行了震源機(jī)制解反演。

由于不同礦山井下開采條件差別較大，地質(zhì)條件復(fù)雜，采用不同參數(shù)評(píng)價(jià)地壓活動(dòng)差異性較大，對(duì)應(yīng)力能量演化與巖體破壞關(guān)系揭示較為模糊。此外，對(duì)比各種微震參數(shù)的地壓活動(dòng)評(píng)價(jià)方法，主要為微震事件時(shí)空演化特征、b值、能量指數(shù)等，分析參數(shù)較為單一，而巖體破壞是一個(gè)復(fù)雜的過程，單一分析參數(shù)難以滿足現(xiàn)場實(shí)際需求［12］。

本文以新疆某金礦為研究對(duì)象，基于微震監(jiān)測系統(tǒng)所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，分析微震參數(shù)的時(shí)序特征和冪律特征，揭示巖體破壞應(yīng)力能量之間的關(guān)系，評(píng)估巖體穩(wěn)定性，進(jìn)而對(duì)礦山地壓活動(dòng)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)分析。

1 微震監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建

1.1 礦山概況

新疆某金礦是一個(gè)集采、選、冶為一體的黃金生產(chǎn)企業(yè)，位于新疆維吾爾自治區(qū)西北部，礦區(qū)地勢比較平緩，北高南低，西高東低，海拔1 340～1 370 m，相對(duì)高差30 m左右。主要采用水平分層上向全尾砂膠結(jié)充填采礦法，目前主要開采中段為725、675、625、575 m四個(gè)中段，礦體處于擠壓破碎帶中，上下盤圍巖主要由蝕變凝灰?guī)r、蝕變玄武巖及少量石英脈組成。

礦山開拓深度已經(jīng)達(dá)到1 000 m，受深部“三高一擾動(dòng)”影響，井下巷道局部應(yīng)力集中。此外，隨著開采深度的繼續(xù)增加，地壓活動(dòng)更加明顯，地壓問題直接影響了礦山安全開采。針對(duì)上述問題，建立實(shí)時(shí)在線地壓監(jiān)測系統(tǒng)，對(duì)地壓活動(dòng)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)尤為重要。

1.2 監(jiān)測方案設(shè)計(jì)

基于該金礦地質(zhì)條件、地壓活動(dòng)主要顯現(xiàn)區(qū)域、開采計(jì)劃等因素，采用IMS微震監(jiān)測系統(tǒng)，建立了24通道地壓監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測范圍包括725、675、625、575 m四個(gè)中段，具體傳感器布置如圖1所示。針對(duì)目前傳感器位置布設(shè)，采用IMS可視化軟件JDI進(jìn)行定位誤差及靈敏度分析，如圖2所示，可知定位誤差在10 m左右，靈敏度在－2.6矩震級(jí)左右，監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案較好地滿足了礦山地壓監(jiān)測需求。

圖1 監(jiān)測臺(tái)網(wǎng)布置Fig.1 Layout of the monitoring station network

圖2 定位誤差及靈敏度分析Fig.2 Analysis of positioning error&sensitivity

1.3 定位結(jié)果驗(yàn)證

監(jiān)測系統(tǒng)建成后，通過定點(diǎn)放炮的形式，對(duì)比爆破點(diǎn)實(shí)際空間坐標(biāo)和系統(tǒng)監(jiān)測到爆破事件空間坐標(biāo)，最終標(biāo)定出符合礦山實(shí)際地質(zhì)特點(diǎn)的P波、S波波速。波速校正后，再次采用定點(diǎn)爆破的方式對(duì)波速校正結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，如表1所示，事件定位誤差為3.9 m，校正后的波速完全滿足監(jiān)測要求。

表1 驗(yàn)證爆破定位結(jié)果Table 1 Blasting positioning results

2 基于微震參數(shù)的地壓活動(dòng)規(guī)律研究

巷道圍巖的大范圍破壞實(shí)質(zhì)是巖體內(nèi)部微小裂隙不斷擴(kuò)展、匯合的結(jié)果，微震事件可以較好地反映巖體內(nèi)部裂隙發(fā)展過程，分析微震各參數(shù)演化特征，反映礦山地壓活動(dòng)規(guī)律，評(píng)估巖體穩(wěn)定性狀態(tài)。

2.1 微震事件空間分布特征

采礦活動(dòng)中，巖體內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力集中而破壞，微震事件空間分布特征可以較好地反映巖體應(yīng)力集中區(qū)域。統(tǒng)計(jì)2019年1月至2019年11月期間微震事件，空間分布如圖3所示，事件球體顏色表示微震事件發(fā)生時(shí)間?？傮w上采場西側(cè)微震事件較多，其中14～18線微震事件較為集聚，與該期間礦山生產(chǎn)集中區(qū)域相吻合，表明該區(qū)域巖體應(yīng)力較為集中，其他區(qū)域由于開采作業(yè)強(qiáng)度較小，微震事件數(shù)量較少且分布較為分散。

圖3 微震事件空間分布Fig.3 Spatial distribution of microseismic events

2.2 巖體變形分析

通過監(jiān)測到的微震事件計(jì)算巖體位移變形，該監(jiān)測期間各中段14～18線微震事件較多，針對(duì)微震事件集聚區(qū)域進(jìn)行變形分析。如圖4所示，725、675 m中段16～18線之間位移變形較大，最大變形量為6.47 mm。結(jié)合微震事件空間分布特征，劃定725、675 m中段16～18線為地壓活動(dòng)顯現(xiàn)區(qū)域，該區(qū)域與開采作業(yè)面分布位置、開采強(qiáng)度等相關(guān)，開采作業(yè)活動(dòng)對(duì)地壓活動(dòng)影響較大。

圖4 巖體變形云圖Fig.4 Cloud chart of rock mass deformation

2.3 微震事件時(shí)間序列特征

該期間微震事件累積曲線如圖5所示，其中下方曲線為單位時(shí)間內(nèi)微震事件數(shù)量，即微震事件活動(dòng)率，上方曲線為累積微震事件曲線。巖體發(fā)生破壞時(shí)，內(nèi)部新增大量新裂隙，表現(xiàn)為在短時(shí)間內(nèi)微震事件數(shù)量迅速增長。由圖5可知，2019年1月至2月期間微震活動(dòng)率較弱，隨后活動(dòng)率有小幅度上升；3月至5月期間微震活動(dòng)率逐漸下降，活動(dòng)率較弱且較為平緩；5月至6月期間微震活動(dòng)率出現(xiàn)了數(shù)次較大增長與下降，微震活動(dòng)率整體處于較高水平，巖體內(nèi)部不斷出現(xiàn)能量的集聚與釋放，當(dāng)巖體內(nèi)部儲(chǔ)存能量達(dá)到一定程度時(shí)，巖體將發(fā)生破壞，內(nèi)部能量及時(shí)釋放。

圖5 微震事件時(shí)間序列Fig.5 Time series of microseismic events

2.4 能量指數(shù)與累積視體積時(shí)間序列特征

微震事件能量指數(shù)EI定義為某事件所產(chǎn)生的實(shí)際輻射微震能量E與該區(qū)域所有事件的平均微震能E（M）之比，計(jì)算公式如下［13］：

能量指數(shù)越大，巖體內(nèi)部儲(chǔ)存的能量越大，巖體發(fā)生破壞的可能性越大。巖體發(fā)生破壞時(shí)，內(nèi)部儲(chǔ)存的能量得到快速釋放，能量指數(shù)迅速下降，即能量指數(shù)的迅速下降可作為巖體發(fā)生破壞的前兆信息。

視體積可以用地震矩與靜態(tài)應(yīng)力降計(jì)算，公式如下：

式中，M為震級(jí)，σA為視應(yīng)力，μ為剛度，在微震分析中，累積視體積曲線變化通常被認(rèn)為是巖體發(fā)生應(yīng)變的累積變化。

能量指數(shù)和累積視體積的變化特征可以反映巖體內(nèi)部受力狀態(tài)，能量指數(shù)增加并伴隨著累積視體積的緩慢增加表示應(yīng)變硬化過程，能量指數(shù)的下降并伴隨著累積視體積的快速上升表示應(yīng)變軟化，巖體進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6為累積視體積與能量指數(shù)變化曲線，2019年3月初累積視體積出現(xiàn)小幅度上升現(xiàn)象，巖體內(nèi)部產(chǎn)生大量新裂隙，出現(xiàn)裂隙匯合現(xiàn)象?，F(xiàn)場表現(xiàn)為巖體小范圍破壞，體積變大導(dǎo)致累積視體積出現(xiàn)小幅度上升。能量指數(shù)呈周期性“上下跳躍”變化，與礦山開采呈周期性特點(diǎn)相吻合。累積視體積整體變化較為平緩，能量指數(shù)未出現(xiàn)突然下降現(xiàn)象，地壓活動(dòng)整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6 能量指數(shù)與累積視體積時(shí)間序列Fig.6 Time series of energy index and cumulative apparent volume

3 微震參數(shù)的冪律特征分析

兩個(gè)參量之間的冪律關(guān)系表現(xiàn)為一條斜率為冪指數(shù)的直線。研究表明，微震能量E與震級(jí)M的對(duì)數(shù)之間存在冪律關(guān)系，地震學(xué)上的地震能量與地震矩對(duì)數(shù)回歸曲線為一條直線，計(jì)算公式如下：

式中，E為能量，M為震級(jí)，c反映巖體受力水平，d反映巖體視在剛度。

圖7為監(jiān)測時(shí)間段內(nèi)微震能量與矩震級(jí)對(duì)數(shù)分布曲線圖，可知微震能量與矩震級(jí)對(duì)數(shù)呈明顯冪律關(guān)系，微震能量隨矩震級(jí)增大而增大。此外，應(yīng)力水平（y軸截距）隨擬合曲線斜率的增加而減小，即微震活動(dòng)減弱。應(yīng)力水平是表征破壞源應(yīng)力釋放的參數(shù)，與巖體視在剛度密切相關(guān)，巖體剛度越大，破壞過程中釋放的能量越大。本周期擬合曲線c為－11.9，d為1.73，c、d值均較小，即巖體受力水平和視在剛度均處于較低水平，巖體不會(huì)發(fā)生大尺度破壞。

圖7 微震能量與矩震級(jí)的對(duì)數(shù)曲線Fig.7 Logarithmic curve of microseismic energy and moment magnitude

圖8為監(jiān)測周期內(nèi)某月微震事件震級(jí)與事件頻次關(guān)系曲線，可知震級(jí)較小事件線性特征并不明顯，震級(jí)較大事件線性特征較強(qiáng)，直線斜率的絕對(duì)值即為冪指數(shù)。地震學(xué)中，震級(jí)大于M的地震數(shù)目N可由下式計(jì)算：

圖8 震級(jí)與事件頻次關(guān)系Fig.8 Relationship between magnitude and event frequency

式中，a為地震活動(dòng)性參數(shù)，b為一段監(jiān)測時(shí)間內(nèi)大震級(jí)與小震級(jí)相對(duì)占比，該監(jiān)測區(qū)域內(nèi)微震事件b值演化規(guī)律如圖9所示。b值呈整體下降趨勢，表明微震事件中震級(jí)相對(duì)較大事件逐漸增多，主要為開采強(qiáng)度的不斷增強(qiáng)所致，巖體釋放的能量不斷增加。但各月b值均大于參考值1［6］，b值較大，未來一段時(shí)間內(nèi)微震事件以小震級(jí)事件為主，巖體局部發(fā)生小范圍破壞，整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖9 微震b值時(shí)間序列Fig.9 Time series of microseismic b-value

4 基于微震參數(shù)的地壓活動(dòng)綜合分析

基于微震各參數(shù)分析結(jié)果，對(duì)礦山地壓活動(dòng)進(jìn)行綜合評(píng)估分析，具體如下：

1）微震事件活動(dòng)率出現(xiàn)數(shù)次大幅度上升與下降，巖體內(nèi)部不斷出現(xiàn)能量的集聚與釋放，巖體內(nèi)儲(chǔ)存的能量可以不斷得到及時(shí)釋放，巖體內(nèi)部不會(huì)存儲(chǔ)較大能量。

2）能量指數(shù)沒有出現(xiàn)突然下降現(xiàn)象，且累積視體積沒有出現(xiàn)迅速上升現(xiàn)象，表明巖體內(nèi)部裂隙還沒有完全融合貫通成較大破裂面，巖體外部沒有出現(xiàn)較大變形。

3）微震能量與矩震級(jí)的對(duì)數(shù)較好地表現(xiàn)出冪律特性，巖體受力水平和視在剛度均較小，即潛在危險(xiǎn)區(qū)域巖體相比于周圍其他巖體剛度較小，震源區(qū)單位體積巖體彈性變形能釋放較少。

4）微震b值均大于參考值1，b值相對(duì)較大，未來一段時(shí)間內(nèi)微震主要以震級(jí)相對(duì)較小事件為主，現(xiàn)場表現(xiàn)為巖體出現(xiàn)局部小范圍破壞。

對(duì)比微震各參數(shù)分析結(jié)果，揭示了巖體內(nèi)部應(yīng)力能量演化規(guī)律，對(duì)地壓活動(dòng)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)分析，即礦山地壓活動(dòng)趨于穩(wěn)定，未來不會(huì)發(fā)生較大地壓活動(dòng)。

5 結(jié)論

本文以某金礦為研究對(duì)象，基于微震監(jiān)測技術(shù)，分析礦山開采過程中各微震參數(shù)演化規(guī)律特征，對(duì)地壓活動(dòng)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)分析，主要得出以下結(jié)論：

1）微震事件的空間分布特征較好地反映了礦山實(shí)際開采情況。微震事件主要分布在14～18線之間，與礦山生產(chǎn)集中區(qū)域相吻合，其中16～18線變形較大，與開采作業(yè)面分布位置、開采強(qiáng)度相關(guān)，礦山開采對(duì)地壓活動(dòng)影響較大。

2）微震能量與矩震級(jí)對(duì)數(shù)呈明顯冪律關(guān)系，擬合曲線的斜率和截距表示巖石的視在剛度和受力水平。對(duì)于震級(jí)較大微震事件，微震事件震級(jí)與事件頻次線性關(guān)系明顯，直線斜率的絕對(duì)值為冪指數(shù)，可以表征不同震級(jí)微震事件占比情況。

3）通過分析微震事件活動(dòng)率、能量指數(shù)、累積視體積、受力水平、視在剛度和b值，有助于掌握地壓活動(dòng)規(guī)律，預(yù)測地壓發(fā)展趨勢，對(duì)礦山地壓活動(dòng)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)分析，分析得出礦山地壓活動(dòng)趨于穩(wěn)定。