復雜多重采空區處理過程微震動態監測分析

謝九敬, 彭府華

(1.洛陽欒川鉬業集團股份有限公司, 河南 洛陽市 471500；2.長沙礦山研究院有限責任公司湖南 長沙 410012；3.國家金屬采礦工程技術研究中心, 湖南 長沙 410012)

0 引 言

我國大多數金屬礦山都不同程度的受到采空區的影響，特別是一些經過幾十年開采的老礦山，比如廣西大廠礦務局、欒川鉬礦、廠壩鉛鋅礦、廣東大寶山礦和貴州開陽磷礦等。大規模未處理采空區的存在嚴重影響了礦山的安全生產，主要表現為采空區失穩導致地表塌陷、井下采空區大規模失穩可能引起井下產生高壓氣浪，威脅作業人員和設備的安全、大量積水的老采空區失穩還可能引起井下突水事故等。因此，國內外專家對采空區的研究做了大量的工作，主要包括采空區的安全評價、采空區空間精確探測、采空區穩定性監測和采空區治理等研究[1￣3]。采空區的穩定是開展生產和研究工作的前提，因此，如何監測采空區穩定性是礦山生產和研究工作的重中之重。微震監測技術是目前巖體災害監測最為先進且有效的手段，被廣泛地運用在各個方面，比如礦山采空區穩定性監測、礦震和深部巖爆監測、煤礦沖擊地壓監測、殘礦回采穩定性與應力重分布監測、邊坡穩定性監測、大爆破及余震監測和礦山大范圍巖移監測等[4￣8]。

洛陽欒川鉬業三道莊露天礦是世界著名的鉬鎢生產基地，鉬鎢地質儲量達20億t，三道莊礦床厚大集中，埋藏淺，具有很好的地下開采條件。三道莊礦區一直以地下采礦為主，從1990年代初開始，礦山為了合理回采資源，開始由地下轉露天開采，到目前為止，形成了30000 t/d的露天生產規模。三道莊礦區歷史上經過幾十年的地下開采，在露天境界下方分布著面積達120萬m2，體積1800萬m3的地下復雜采空區。這些采空區部分是1980年代民采風潮中由個體民采形成的，有的是由1990年代地下采礦形成的，由于受無序開采等歷史原因影響，采空區分布極為復雜，再加上受采空區分布特征資料的缺失和采空區自身破壞等因素影響，大部分采空區界限與邊界未知且發生了變化，導致采空區空間之間結構力學體系極其復雜[9]。為方便對三道莊露天礦的生產管理，采用分區、分期的方式進行空區處理和生產，將三道莊露天礦分A、B、C、D、E、F 6個采區，其中D區采空區分布量多且復雜，受采空區影響最為嚴重，在之前的生產過程中曾經發生過數次事故。比如，2007年，對采空區進行處理過程中，在D區1438水平縱13線附近發生了大范圍塌方，塌方面積達到9000 m2，塌陷深度約71 m。2007年以后，在其周邊又陸續進行了多次采空區處理，也發生了多次垮塌，最終形成的垮塌面積達到了約2萬m2。從2006年到2010年，在縱15線到縱17線間，采空區先后發生了數次塌陷，面積約為1.5萬m2。采空區誘發的這種大范圍臺階垮塌可能性很高，由此給作業人員和設備帶來了很大的安全隱患，嚴重影響和制約了礦山的可持續發展[10]。為了消除這種潛在的安全隱患，礦山與長沙礦山研究院合作，2011年在D區建立了一套全數字型多通道微震監測系統，實現了對采空區穩定性的全天候、實時和立體監測。

本文針對復雜多重采空區處理穩定性問題，對1350采空區爆破處理前后微震事件動態演變特征進行分析，為采空區處理過程提供了安全保證，同時，為礦山下一步采空區處理積累了經驗，也給其它類似礦山提供了參考。

1 D區開采歷史與采空區特征

D區井下基本按照1180中段、1260中段和1317中段進行開采。 1317中段采用房柱法,淺孔鑿巖爆破，1260中段和1180中段采用分段空場法,中深孔鑿巖爆破，中段之間留有20 m的水平礦柱。1317中段分為1340、1350、1360和1376四個分段，采用淺孔爆破，采高為8～10 m，空區跨度15～30 m。由于分段高度只有10～16 m，因此各分段之間頂底板厚度僅為5～6 m，導致1317中段采空區相互采透貫通現象較多。1260中段分為1260、1280、1300三個分段，采用中深孔爆破，采高為10～15 m，各分段之間頂底板厚度約為5～10 m。但是由于該部分礦體品位較高，在各分段采場回采結束后，對各分段間的水平礦柱全部進行了回收，這樣就形成了標高從1260 m到1310 m，高度達到50 m的采空區。1180中段分為1180、1192、1205和1223四個分段，同樣對1118中段各分段之間的水平礦柱進行了回收，導致形成了標高從1180 m到1250 m，高度達60 m的采空區。在采礦后期，又對1260中段部分底柱進行了回收，從而使得1180中段與1260中段部分上下貫通，形成了1180 m到1310 m的大采空區。

根據現有的采空區資料和后期鉆孔探明的采空區，D區共有13層空區，從上到下依次為： 1376,1350,1345,1340,1317,1300,1280,1260,1223,1205,1192,1180和1151空區。其中1180,1205,1223,1260,1280,1300空區之間的水平礦柱已經回收，由此形成了從1180 m到1310 m，高度達130 m，長約540 m，寬約20～40 m，體積約為400萬m3的特大型采空區。D區采空區賦存現狀如圖1所示，采空區特點見表1所示。

2 微震動態監測分析

2.1 微震系統簡介[11]

D區建立的微震監測系統為井下和地表聯合監測系統，系統為48通道，由地表露天臺階18通道和井下30通道組成。井下傳感器布置在1160 m和1070 m水平，地表傳感器布置在1350 m左右，這種布置方式能夠實現D區上部和深部采空區的全方位立體監測。井下信號由光纜傳輸至地表監控室，地表信號采用無線傳輸，這種傳輸方式可以實現微震信號的實時監測，同時，該系統具有對微震事件的精確定位和強大的后處理功能。微震系統基本結構組成如圖2所示。

圖1 D區采空區的分布

2.2 采空區處理與微震監測方案

根據三道莊礦區內各采空區的賦存特點及其相互關系,結合生產、安全的需要，對地下空區進行分區中深孔或深孔爆破處理。本文以1350空區處理為例，針對1350空區特點，在保證采空區頂板至臺階頂面厚度不小于最小安全厚度的前提下，利用臺階坡面為自由面，用中深孔爆破處理采空區，見圖3。1350空區第一次處理區域為橫13～9線，縱ⅩⅧ～ⅩⅨ線之間，穿孔臺階為1390水平與1378,1366水平。穿孔區總面積11621 m2。第二次爆破處理區域為橫7～9線，縱ⅩⅧ～ⅩⅨ線之間，穿孔臺階為1390水平、1366水平與1354水平，爆破區總面積9275 m2。采空區處理位置與D區傳感器位置關系如圖4和5所示。由圖6和圖7可以看出，目前已有的傳感器可以實現對1350空區處理前后的全天候、實時和立體監測。

表1 采空區特點

圖2 微震監測系統基本結構組成

圖3 采空區處理方法示意

2.3 采空區處理前后微震事件動態變化分析

1350空區兩次處理時間分別為2013年5月16日和2013年7月4日，圖8為微震系統實時監測圖。從圖可以看出，爆破后，微震事件開始密集增加，這段微震事件密集時間在爆破后2 h內，說明爆破后2 h內是巖體破裂活躍期。

圖4 空區處理位置與傳感器位置的平面關系

圖5 空區處理位置與傳感器位置的立體關系

圖6 采空區爆破處理實時監測結果

2.3.1 微震非定位事件動態變化分析

距離1350第一次空區處理區域相對較近的為地表d-6傳感器，圖7是爆破處理前后d-6傳感器微震事件變化趨勢圖，可以看出，爆破前微震事件水平很低且變化很小，爆破當天微震事件突然增加，并到達峰值，之后開始下降并恢復到相對平穩水平。距離1350第二次空區處理區域相對較近的傳感器為27#，圖8是27#傳感器7月份微震事件水平變化趨勢，可以看出，在爆破當天微震事件達到峰值，之后迅速下降，但是從8號開始，微震事件水平開始重新升高，并在12號達到峰值，之后迅速下降并回復到正常水平。

圖7 1350空區第一次處理附近傳感器微震事件變化趨勢

圖8 1350空區第二次處理附近傳感器微震事件變化趨勢

圖9是2013年5月份到8月份所有傳感器微震事件變化趨勢，它反映的是D區整體地壓發展變化情況。可以看出，在5月份空區處理后，微震事件水平突然增加，之后恢復到相對穩定水平，但是該平均事件水平比爆破處理前明顯要高，6月份微震事件水平維持在該變化水平。在7月4號空區處理后，7月份有兩三次地壓相對活躍期，經過7月份的調整后，8月份地壓恢復到5月份爆破處理前微震事件水平。

2.3.2 微震定位事件動態分析

圖10和圖11分別是2013年5月份到8月份巖體破裂定位事件平面圖和立體圖，定位事件一共21個，2013年全年巖體破裂定位事件為35個，其中5月份～8月份事件占全年的60%。并且出現了一個明顯的定位事件聚集區域，聚集區域為26#、27#傳感器附近。由此可見，1350空區爆破處理后，在應力重新分布過程中，發生了較大規模的巖體破裂和垮塌，這是由于空區處理過程中的爆破震動以及爆破后的碎石堆積可能會加劇下部采空區頂板和礦柱的壓力，另一方面空區爆破處理后原有的采空區結構發生變化，巖體中應力會重新分布，應力重分布后可能會導致新的采空區發生失穩破壞。

圖9 所有傳感器微震事件變化趨勢

因此，從爆破前后微震事件變化趨勢可以看出，爆破區域附近傳感器微震事件在爆破后達到峰值，之后迅速下降，經過應力重分布等調整后，恢復到正常水平。這樣一個調整過程可能持續幾天到一個月不等，并且在這個調整過程中很有可能出現局部巖體破裂和垮塌的現象。因此，在日常空區處理過程中一定要密切關注傳感器微震事件水平，要對微震事件動態變化特征進行分析，只有當微震事件恢復并保持在相對穩定的水平才可以解除對處理區域的警戒。

圖10 2013年5月份～8月份巖體破裂定位事件平面分布

圖11 2013年5月份～8月份巖體破裂定位事件立體分布

3 結 論

(1) 詳細闡述了欒川鉬礦D采區開采歷史和采空區特征，介紹了針對該采空區群建立的微震監測系統，并描述了1350空區處理方法及空區處理區域與傳感器位置關系。

(2) 通過對1350空區處理過程的實時監測發現，爆破后2 h內是巖體破裂的活躍期；采空區處理區域微震事件水平在爆破后突然增加，經過幾天到半個月時間的調整后恢復到穩定水平；在爆破后應力調整和重分布的這段時期內，局部采空區可能會出現較大規模的巖體破裂和垮塌。

(3) 目前已經建立的多通道微震監測系統，可以保證對D區采空區處理過程的全天候、實時和立體監測，為礦山的安全生產起到保駕護航的作用。

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