某深井礦山微地震活動研究

劉曉輝，武力聰，容宇

(1.北京科技大學土木與環境工程學院，北京 100083;2.云南馳宏鋅鍺股份有限公司會澤采選廠，云南曲靖 654211)

某深井礦山微地震活動研究

劉曉輝1，武力聰1，容宇2

(1.北京科技大學土木與環境工程學院，北京 100083;2.云南馳宏鋅鍺股份有限公司會澤采選廠，云南曲靖 654211)

云南馳宏鋅鍺股份有限公司會澤鉛鋅礦是我國一個千米深井礦山，其下屬8號礦體采深已達1200余米，礦體賦存條件復雜，地應力高，導致微地震活動頻發。本文根據微震監測數據及井下開采活動，對微震活動的時空分布、誘發模式以及預測預報進行了研究。結果表明:微震活動的時空分布主要與開采活動及地質構造有關，根據發生位置、震級大小、破壞特征可將微地震的誘發模式分為應變破裂、礦柱沖擊以及斷層滑移破裂三類，闡述了各自的發生機制。提出以地震學參數－活動率∑N/△t、視體積VA、能量指數EI的時間序列曲線來預測礦震災害，并對其物理意義及破壞過程中可能出現的特征進行了理論分析，現場應用后證明:地壓災害發生前，活動率∑N/△t及視體積VA急劇增加，能量指數EI突然降低。

深井開采;微震活動;時空分布;預測預報

1 引言

隨著礦山淺部資源的逐漸枯竭，深部開采將成為企業可持續發展的一種必然趨勢。在深部開采過程中，必將面臨著許多安全問題，而從目前國內外一些深部開采礦山的現狀來看，礦山微地震是深部開采所面臨的一個最為嚴峻的安全問題［1］。礦山微震是采掘活動引起的一種誘發地震，在區域應力場和采掘活動共同作用下，采區及周圍應力處于失調不穩的異常狀態，在局部地區積累了一定能量后以沖擊或重力等作用方式釋放出來而產生的巖層震動［2］。巖爆、垮塌等井下動力災害均伴有不同頻率不同強度的微震活動。

云南馳宏鋅鍺股份有限公司會澤鉛鋅礦是我國一個千米深井礦山，其下屬8號礦體采深已達1200余米，礦體賦存條件復雜，地應力高，導致微地震活動頻發。為保證井下安全高效回采，云南馳宏鋅鍺股份有限公司會澤鉛鋅礦于07年8月引進了南非ISSI公司的24通道全數字型ISS地震監測系統，應用于8號礦體開采的微震監測，實現了對深部高地應力復雜條件下的巖爆、礦震等動力災害安全監測的基本條件［3］。

2 微震時空分布研究

會澤鉛鋅礦微震監測系統自2007年8月運行以來，共監測到微震事件3300余起，監測震級范圍為ML=－2.0～4.0，其中最大震級為ML=2.1，最小震級為ML=－1.6，震級與事件數分布如表1所示。根據微震監測數據結合8號礦體的主要開采活動，對微震活動的時空分布特征進行了研究，為礦山安全生產及地質災害的控制提供參考依據。

表1 微震事件震級分布

2.1 時間分布特征

微震時間分布特征研究的方法是對一定空間一定時間內發生的微震事件∑N進行統計，觀察微震活動頻率∑N/在時間上的變化規律，同時結合實際采掘情況，對其與開采活動之間的關系進行研究［4－5］。

ISS微震監測系統的后處理程序可直接繪制出微震活動在每日(周)內的分布直方圖。如圖1所示，為8號礦體開采過程中某日微震活動的分布情況，橫坐標為時間，間隔長度為1小時，縱坐標為微震事件次數，左上角的顏色條表示一定的震級范圍。觀察發現，絕大部分事件的震級處于ML＜1.0范圍內，且這些事件的微震活動在一日內存在三個峰值時期，即每日03∶00～05∶00，12∶00～14∶00，19∶00～21∶00三個時段的微地震活動較為頻繁，最大可達90次/h。結合井下開采資料分析后發現，這些時段正好與采場爆破時間對應，爆破擾動誘導圍巖內的預存裂隙發展、貫通，而由此伴生的微震事件也相應增多，當巖體內應力重新平衡后，地壓活動趨于平靜，微震活動減少，直至下一次爆破活動。觀察表明:微震活動在采場爆破2h后趨于平靜，因此，為保證出礦工作的安全，可將其安排在采場爆破2h以后進行。對于ML＞1.0的事件，因其發生頻率很小，對其年分布情況進行研究。如圖2所示，為08年內震級ML＞1.0事件的分布情況，間隔長度為1月。由圖可知，此類事件的分布較隨機，分布與開采活動無明顯關系。

研究結果表明:震級ML＜1.0的事件在時間上的分布具有較強的規律性，且與開采過程具有較強的一致性，而ML＞1.0的事件數量很少，分布隨機，與開采活動無明顯關系。造成這種情況的原因可能是前一類事件與開采面的破裂變形相聯系，事件發生數目是開采活動的函數，而后一類事件主要是由于地質間斷面運動形成的，分布較隨機。

2.2 空間分布特征

8號礦體賦存于下石炭統擺佐組上部粗晶白云巖(C1b)中，主要礦石類型為塊狀硫化礦石。礦體范圍內共揭露斷裂7條，規模較小，水平錯距1～4m。圖3所示為07年12月微震活動空間分布情況，圖中紅色錐體為傳感器位置，灰色線條為地層模型，斷層由紅色線條標示［6－7］。觀察發現，微震活動主要分布在礦體上盤，這是由于上盤C1b巖層中存在一層泥質夾層，造成了其下盤巖體形成局部應力增高現象，當開挖至巖性硬軟變化部位時，硬脆性夾層內微震活動頻發。同時，斷層周圍聚集部分事件，這是由于開采擾動激活斷層產生滑移剪切形成的，這類事件往往震級較大，現場破壞也相應嚴重。圖中圈定的兩個區域為微震事件聚集區，對比井下采掘資料，此區域與正在回采的1331中段1盤區及1451中段3盤區對應，井下回采導致地壓活動加劇，由此引發的微震事件增多，則形成了兩個微震活動頻發區。研究表明:微地震活動的空間分布與地質構造，原巖應力以及開采活動有關。

3 微震誘發模式

根據微震活動的時空分布規律及其與開采活動之間的關系，按照發生位置、震級大小、現場破壞特征等特點對其發生模式進行了分類研究。

3.1 應變破裂

應變破裂是該礦最常見的微震活動，開采擾動引起巖體局部應力集中，當巷道、硐室等開挖面周邊巖體承受的應力超過其強度時，巖體內的預存裂隙將發展、貫通，直至產生塑性破壞。應變型巖爆的危險性與巖體承受的應力、巖體強度、開挖面形狀和尺寸以及巖體剛度等有關［8］，其主破裂的震級(ML＜1.0)及釋放的應變能一般較小，因此破壞程度有限。如圖4(a)，(b)所示，為典型的應變破裂事件，聚集區為出礦道附近，開挖活動造成巷道圍巖應力集中，當應力超過巖體強度時，巖體內預存微裂隙開始擴展，同時伴隨有一定量的小微震事件，裂隙貫通到某一程度導致巖體塑性破壞，同時對應一個主破裂事件(ML=0.3紅色球體)。

3.2 礦柱沖擊

礦柱沖擊也是局部應力集中的結果，但其震級(1.0＜ML＜2.0)及釋放能量較大，破壞程度相對要強烈些，且與礦柱的結構參數及圍巖情況有關。如圖4(c)，(d)所示，圖示中微震事件聚集區域為某一礦柱，其左側礦房已回采結束，但還未來得及充填，右側礦房正在進行回采，礦柱處于“半孤島”狀態，這樣勢必造成礦柱嚴重應力集中。在爆破等開采活動的影響下，礦柱內部不斷損傷，同時伴隨大量微地震事件，最終衍生為宏觀失穩。

3.3 斷層滑移破裂

開挖擾動引起巖體內的應力重新分布，將會激活深部斷層等結構面，結構面的滑移產生較大的微震事件(2.0＜ML)，釋放的應變能以地震波的形式傳播到開挖表面，導致原來地質構造分割出來的離散巖塊的猛烈彈射。巖塊彈射的速度和可能造成破壞的嚴重程度與微震事件的強度和震源距開挖自由面的距離有關，節理發育的巷道周邊巖塊很容易發生彈射，此類破壞的能源來自遠離破壞處的微震震源，破壞形式以巖體高速位移為特征［9］。如圖4 (e)，(f)所示，斷層F在開挖活動的影響下被激活發生滑移。同時產生大量震級較大的微震事件，這些震源輻射出的地震波與自由面上的破碎巖塊疊加，使其獲得一定的動能，導致巖爆的發生。

圖4 微地震誘發模式

4 微地震預測研究

微地震研究的最終目的即是對井下動力災害進行預測，為安全生產提供保障。目前微震預測的主要方法是通過對各種定量地震學參數的時間序列分析，研究參數時空變化特征，進而掌握巖體破壞的演化規律，實現預測預報的目的。會澤鉛鋅礦ISS微震監測系統可以實現對多種定量地震參數的快速計算，例如微震能量E，地震視體積VA，能量指數EI等。由于在微地震預測方面存在許多偶然性和不確定性，且目前關于這些參數時間序列成功應用于預測預報的報道主要體現在個別事例上。因此，需要通過井下實際地壓災害與微地震監測數據的對比研究來確定適合會澤鉛鋅礦的地震學預測指標。

4.1 現場監測數據

07年2月，井下開采至1331m中段的7分層1盤區，如圖5所示，正在回采4號礦房，3號礦柱右側的3號礦房已回采結束，但還未來得及充填，造成3號礦柱應力集中，片剝現象嚴重。圖6為此區域微震監測的實際情況，自4號礦房開采以來，共收集到微震事件90余個，利用系統地震學統計軟件繪制出微震活動率，累計視體積VA以及能量指數EI的時間序列曲線，如圖7，圖8所示。

4.2 微震活動率時間序列曲線

圖7為微震活動率時間序列曲線，橫坐標為日期(7－Nov～19－Dec)，間隔時間長度為1天。觀察發現，11月內微震活動較均勻，雖出現過幾次峰值，但總體來說事件量較少，且震級較低。而12月內的微震活動相對較為頻繁，且活動率呈逐漸增高的趨勢，添加趨勢線且根據其增長率將其劃分為3個階段，其分別對應不同的巖體破裂階段。A－B，預存裂隙閉合階段;B－C，純彈性變形階段;C－D，裂隙貫通擴展階段。微震活動率在12月15日附近出現急劇增加的趨勢，將此突增點作為預測點，制定防范措施。井下于12月16日12:33發生垮冒，同時對應一個主破裂事件(如圖6所示)震級ML=0.8，釋放應變能量39300J。

圖7 微震活動率時間序列曲線

4.3 累計視體積∑VA及能量指數EI時間序列曲線

圖8為累計視體積∑VA及能量指數EI與時間的關系曲線，其中藍線為∑VA，紅線為EI。觀察發現，曲線∑VA在07年11、12月之間共有三次突增，曲線EI有三次突減，均對應圖中的A、B、C三處所示。尤其是在C處，累計視體積∑VA由3.15E－3激增到4.19E－3，而能量指數EI由0.5突減至0.25，可將其看作為礦柱破壞過程中的應變軟化階段，隨著應力的減小，應變反而持續增大。12月16日，現場垮塌，冒落量達100T，由于提前預報，疏散了工作人員，未有人員損傷及設備損失。結果表明:破壞性災害發生前，微震活動率及視體積VA突增，能量指數EI突減。

圖8 累計視體積∑VA及能量指數EI時間序列曲線

5 結論

(1)微震活動的時空分布特征表明:震級ML＜1.0的微震事件與開采活動密切相關，此類事件主要與開采面的破裂變形相聯系，事件發生數目是開采活動的函數;ML＞1.0的事件分布較零亂，與開采活動無明顯關系，此類事件由地質間斷面運動形成，數量少且分布隨機。微震活動主要分布于礦體上盤及礦區斷層附近，且采動范圍與事件聚集區對應，開采活動是影響微震活動空間分布的重要因素。

(2)通過現場地壓記錄及大量監測數據，按照發生位置，震級大小，現場破壞特征等方面將會澤鉛鋅礦的微震誘發模式分為三類:應變破裂，震級較小(ML＜1.0)，主要發生在開挖面周圍，通常以片剝，掉塊的形式出現，破壞程度有限;礦柱沖擊破裂，震級(1.0＜ML＜2.0)及釋放能量較大，破壞相對嚴重;斷層滑移型破裂，震級較大(2.0＜ML)，震源遠離破壞處，破壞形式為松散巖體的突然冒落。

(3)根據地震學定量分析理論，提出以微震活動率，視體積VA以及能量指數EI的時間序列曲線來對微震破壞進行預測，并解釋了其物理意義及巖體破裂前可能出現的特征，現場應用結果表明:破壞性地壓災害發生前，微震活動率急劇增加，視體積VA增大，能量指數急劇減小。

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Study on Microseismic Activities in a Deep Mine

LIU Xiao－hui1，WU Li－cong1，RONG Yu2

(1.School of Civil＆Environment Engineering，University of Science＆Technology Beijing，Beijing 100083，China;
2.Mine and Mineral Dressing Plant，Yunnan Chihong Zn＆Ge Co.，LTD.，Qujing 654211，Yunnan，China)

Huize Lead＆Zinc mine is a deep kilometer well in Yunnan chihong Zn＆Ge Co.，LTD.in China，in which 8#orebody＇s mining depth has reached more than 1200m.The deep ore body has complicated condition and high ground stress，which causes microseismic occuring frequently.Based on micro－seismic monitoring date and mining activities underground，the temporal and spatial distribution，induced model，prediction and forecast of microseismic activities are studied.The results show:temporal and spatial of the microseismic activities associates with mining activities and geological structure.According to occurrence location，the size of magnitude and failure characteristics，the induced model of microseismic activity is divided into three types:strain burst，pillar－foundation failure and fault slip，occurrence mechanism and degree of damage are expatiated respectively.Predicting mine quake disaster by the time series curves of miroseismic active rate(∑N/△t)，apparent volume(VA)and energy index(EI)is proposed.The physical meaning and possible characteristics in rock failure process are theoretical analyzed respectively.Field application shows:before the occurrence of ground pressure disaster occurring，microseismic activity rate(∑N/△t)and apparent volume(VA)will sharply increase，energy index(EI)quickly decrease.

deep underground mining;microseismic activities;temporal and spatial distribution;prediction and forecast

TD324+.2

A

1009－3842(2011)06－0001－06

2011－08－23

教育部長江學者和創新團隊發展計劃資助(IRT0950)國家自然科學基金重點資助項目(50934002)

劉曉輝(1984－)，男，四川德陽人，北京科技大學采礦工程在讀博士，主要從事微震監測技術及膏體充填方面的研究。E－mail:xiaohuiliu28@yahoo.cn