基于微震監測的深部巖體開挖過程中圍巖穩定性研究

栗盼平

(新疆阿舍勒銅業股份有限公司 阿勒泰 836500)

0 引言

微震監測技術作為一種先進的地壓監測手段，在南非、加拿大、美國、澳大利亞、印度的深井礦山中得到廣泛應用[1]。自上世紀八九十年代被引進到我國以來，微震監測技術逐步成為地下工程開挖過程中地壓災害監測和安全生產管理的重要手段。1986年，門頭溝煤礦[2]曾采用波蘭SAK-SYLOK微震監測系統對采煤區的微震活動進行了監測，在我國首次實現了多通道微震監測的技術；微震監測作為一種先進的巖體破裂過程實時監測與分析技術，近年來被廣泛應用于礦山、水利、邊坡等巖體工程安全風險管理及災害預警中，并取得了一些重要的研究成果。然而，利用微震監測技術對大藥量集中爆破開挖擾動下深部圍巖體微裂紋的損傷演化機理方面的研究相對較少。隨著阿舍勒銅礦開采深度的不斷增加，開采作業所面臨的環境條件發生重大變化，深部巖體開挖所誘致的以巖爆為代表的重大地質災害問題日益突出。因此，在深部巖體的開挖過程中，有必要建立合理的微震監測系統，實現對開挖過程的連續監測，揭示大藥量集中爆破開挖擾動下深部圍巖體微裂紋的損傷演化機理，從而對深部圍巖體穩定性進行評估預警，為微震監測技術在金屬礦山深部巖體開挖過程中圍巖穩定性的應用奠定基礎。

1 微震監測系統的構建

隨著開采深度的不斷增加，阿舍勒銅礦深部開采面臨著以下幾個方面的問題：⑴深部礦體受節理裂隙切割、斷層的影響，巖體結構呈塊狀、散體狀和碎裂狀，使得巖體完整性和整體強度大大降低；⑵在高應力環境和大藥量頻繁爆破的強烈擾動下，深部巖體開挖極易誘發圍巖體發生巖爆等地質災害；⑶為滿足礦山二期工程設計生產能力，深部開采需要多中段、多采場進行回采落礦，頻繁的開挖擾動和復雜的力學環境下，極易導致深部巷道和采場圍巖體失穩破壞。鑒于此，需要構建微震監測系統，捕捉開挖擾動作用下深部圍巖體破壞的時空演化特征，揭示圍巖體微裂紋損傷演化機理，為礦山深部安全開采和安全管理提供技術指導。

1.1 微震監測系統介紹

微震監測采用中國科學院武漢巖土力學研究所和武漢海震科技有限公司聯合研發的新一代巖石破裂高精度智能微震監測系統，該系統可對巖石工程動力型災害進行24小時不間斷監測，實現數據實時自動采集、自動分析、自動定位等技術，能獲取地質災害孕育全過程的信息、特征和規律，為監測范圍內巖體穩定性評估、災害預警預報提供依據。當巖體發生微破裂產生彈性波時，傳感器首先接收到微震信號并將模擬信號傳輸到數據采集單元，進行數模轉換和數據濾波等預處理。之后通過調制解調器（DSL）和電纜線實現數采單元和服務器之間的數據傳輸和時間同步，通過電纜傳輸至地表控制中心，同時基于Internet網絡在地表控制中心和遠程微震監測中心將數據下載之后進行分析處理。

1.2 傳感器的布置與安裝

針對阿舍勒銅礦深部監測的需求，結合礦體賦存條件、開采現狀和開采規劃，在充分利用礦山現有開拓巷道和硐室的條件上，遵循傳感器空間位置布置原則進行布置。對井下深部各中段進行現場踏勘并和礦山技術人員進行交流后，確定了一套32通道的微震監測系統傳感器布置方案，實現對二期工程開采區域地壓活動的監測與預警。鑒于微震監測系統通道數目和傳感器數目的限制，采取避輕就重、重點突出的原則，選取地壓活動頻繁和有較強巖爆傾向性的代表性區域作為監測的重點。因此，結合微震監測系統的特點，并參考礦山生產實際，微震傳感器擬定布置在50 m、150 m、250 m、350 m中段，但由于現場250 m中段開拓工程較少，不利于傳感器布置位置的選擇，因此將250 m中段替換為200 m中段。最終，32通道的微震監測系統分為4個子系統，分別布置在50 m、150 m、250 m和350 m中段。4個中段各布置一個數據采集中心，都為8通道，井下數據交換中心布置在150 m中段。各中段數據采集中心以及150 m中段的井下數據交換中心都布置于新副井石門休息硐室中，微震監測系統服務器布置在地表調度監控室。

2 圍巖微震活動性與礦山生產活動的關系

對于深部礦體的開挖，圍巖體微震活動性與回采工序、開挖規模、開挖進度、炸藥使用量等因素有關。回采對圍巖的損傷程度越大，微震活動性就越強；單位時間內開挖巖體體積越大，圍巖能量釋放越大，巖體損傷區和損傷程度也會越大；炸藥使用量越多，巖體所受到的損傷范圍和損傷程度越大，圍巖體微震活動就越頻繁。

2.1 圍巖微震活動性與回采工序之間的關系

大直徑深孔空場嗣后充填法因其采準工程布置較少，生產效率高、相對安全，被用于阿舍勒深部開采的主要采礦方法。阿舍勒銅礦0 m分段采場距離地表900 m，在2017年4月期間共監測到微震事件878個，微震事件在一天24小時的分布情況見圖1。

圖1 0 m中段微震活動隨時間分布

據統計，這期間僅有北4號采場下盤進行了拉槽爆破及中孔爆破，北4號采場拉槽爆破的時間集中在下午18：00～20：00期間，中孔爆破時間集中在0：00～1：00之間。

由圖1可知，0：00～2：00期間監測到的微震事件數較多，這期間主要是北4號采場進行了中孔爆破，爆破會對采場周圍巖體造成一定程度的損傷，所以微震事件相對較多。下午18：00～20：00期間采場進行大規模集中拉槽爆破，微震高峰期開始發生在采場拉槽爆破期間，說明大規模爆破巖體開挖對深部巖體造成強烈的擾動和損傷，從而導致了圍巖巖體內部裂隙的產生和擴展。大規模集中爆破后，深部巖體微震活動性還會保持較高的水平持續很長一段時間，說明開挖破壞了巖體的原有應力場，破壞后的應力場需要重新分布直到達到新的應力平衡。由此可見，在深部采場開挖過程中，大規模集中爆破對圍巖體的損傷程度最大，并且開挖后圍巖巖體需要在很長一段時間內才能達到新的應力平衡。由此提醒有關現場管理人員，在大爆破后3小時之內進行的各項工序中，應該加強對圍巖巖體的監視，采取必要的措施，降低巖爆等地質災害發生的風險。

2.2 圍巖微震活動性與炸藥使用量之間的關系

圍巖微震活動性與炸藥使用量有關，通對比過0 m中段在2017年4月開挖炸藥使用量與爆破后監測到的微震事件數進行對比，得出圍巖微震活動性與炸藥使用量之間的關系見圖2所示。

圖2 微震事件數與炸藥使用量的關系

從圖2可以看出，每次爆破后所測得的微震事件個數與當次炸藥使用量曲線走勢幾乎相同，炸藥使用量越多，圍巖所受到的損傷程度和損傷范圍越大，微震活動性越頻繁。大爆破時，炸藥使用量對圍巖體微震活動性有很大的影響作用。因此，在圍巖能量釋放率較大，具有強烈巖爆傾向性的區域，可以通過適當減少爆破炸藥使用量，降低施工的進度，增加圍巖應力調整時間，以降低巖爆發生的風險。

3 深部巖體開挖過程中圍巖損傷演化規律研究

微震事件的發生與巖石的破裂具有高度的相關性，對巖體破裂過程中微震活動性的研究有利于認識這種關系。基于微震監測技術對巖石破裂過程中微裂紋演化規律進行研究，捕捉巖石失穩破壞的前兆特征，為深部巖體開挖圍巖體穩定性監測提供理論支持。

3.1 能量指數對數與累積視體積

一個微震事件的能量指數EI為該事件產生的輻射微震能E與該區域內所有事件的平均微震能之比，如式⑴所示。平均能量可由該區域的平均能量實測值和微震體變勢P關系Log E (P)=d logP+c求得。d=1.0表示平均能量與視應力成比例關系，能量指數越大表示微震震源的驅動力越大。

圖3 能量指數與累積視體積隨時間的演化規律

當巖體發生應變硬化時，能量指數對數增加并伴隨著視體積的增加，此時巖體處于穩定狀態；當巖體發生應變軟化時，能量指數對數下降并伴隨著視體積的增加，此時巖體處于不穩定狀態。因此，可通過能量指數對數與累積視體積的變化關系來獲取地壓災害發生前的前兆信息與規律。圖3為0 m中段北4號采場上盤區域頂板冒落前能量指數對數與累積視體積的變化關系。在4月11日之前，能量指數對數和累積視體積呈現出增加的趨勢，這個時期的圍巖主要處于峰值強度前的壓密和彈性變形階段，巖體較為穩定；4月11日到4月19日，頂板圍巖體受到深部高應力和爆破作用的頻繁擾動作用下，內部裂紋開始逐漸貫通直至發生破壞，此時能量指數對數出現下降而累積視體積出現進一步增加的趨勢，此時巖體進入非穩定破壞階段；之后，累積視體積進一步增加，能量指數對數重新開始增加，進入巖爆和大尺度巖體破裂發生的危險期。在進入危險期后的第3天，即4月21日，北4號采場上盤頂板發生大體積冒落。由于底部礦石墊層的作用，此次頂板冒落事件并沒有對設備和人員造成影響。利用累積視體積和能量指數對數的變化規律可以對巖體大尺度破裂事件做出預警。

3.2 微震活動性b值變化特征

國內外大量研究表明，深部巖體的開挖所誘發的微震事件均服從Gutenberg與Richter提出的地震震級與頻度的統計關系見式（2）。

式中：M為震級；N為震級大于M的微震事件次數；a，b為常數，其中b值是巖體破裂事件相對震級分布的函數，因此，b值也是裂紋擴展尺度的函數。b值不僅是一個統計學上的分析參數，它還有直接的物理意義。當深部巖體由穩定狀態過渡到不穩定狀態時，巖體內由于小震級事件的不斷增多，而b值逐漸增大；當巖體進入不穩定狀態直到破壞時，由于巖體內微裂紋不斷擴展和貫通，小震級事件逐漸變為大震級事件，b值將會逐漸減小，因此，可利用b的變化趨勢作為巖體破壞風險評估的一個重要指標。

圖4微震事件b值特征隨時間的變化規律

圖4 為2017年0 m中段北4號采場周圍區域微震事件b值變化規律。在4月6日到4月12日期間，b值出現小幅度的增加，說明巖體在高應力和爆破作用的頻繁擾動下，內部微小破裂增多，小裂紋在事件總數中占的比例逐漸增加；4月12日到4月18日，b值出現快速下降，說明巖體內部微裂紋逐漸擴展、貫通形成尺度較大的裂紋，小裂紋在事件總數中的比例逐漸減小而大裂紋所占比例逐漸增多。4月18號后b值保持相對穩定，常常把b值下降階段作為大體積巖體破裂的預警期，巖爆或大尺度巖體破裂常常發生在這個階段之后，4月21日，北4號采場上盤頂板發生大體積冒落事件。因此，可以把b值快速下降的時段作為巖爆和大體積巖體破裂的前兆特征。

5 結論

隨著礦山開采深度的不斷增加，開采作業所面臨的環境條件發生重大變化，深部巖體開挖所誘致的地質災害問題日益突出。因此，有必要研究合理的微震監測技術，實現對開挖過程的連續監測，從而對巖體穩定性進行評估預警。通過在阿舍勒銅礦深部巖體開挖過程中布置微震監測技術對圍巖穩定性進行監測，得出以下結論：

⑴圍巖體微震活動性與回采工序、開挖進度、炸藥使用量等因素有關。在回采工序中，大規模集中爆破對圍巖體的損傷程度最大，開挖破壞了圍巖巖體原有的應力場，圍巖巖體需要在開挖后很長一段時間內才能達到新的應力平衡。炸藥使用量越多，圍巖所受到的損傷程度和損傷范圍越大，微震活動性越頻繁，因此，在具有強烈巖爆傾向性的區域，可以通過適當減少爆破炸藥使用量，降低施工的進度，增加圍巖應力調整時間，以降低圍巖體破壞發生的風險。

⑵采用能量指數與累積視體積、微震活動性b值特征作為參數的變化規律，可以有效的對深部圍巖體巖爆和大尺度破裂事件作出評估和預警。能量指數顯著下降而累積視體積顯著增加可以作為巖爆和大尺度巖體破裂的前兆特征。在巖體大尺度破裂發生之前，b值快速下降，說明巖體內大尺度破裂事件增多，所占事件總數的比例增加，因此，可以把b值快速下降的時段作為巖爆和大尺度巖體破裂的前兆特征。

⑶在對深部圍巖體微裂紋演化規律的研究中，有一些參數或數據可能受系統的靈敏度、微震的定位精度、人工處理數據的誤差等因素的影響較大，因此，需要綜合能量指數、累積視體積、b值等參數的變化規律對巖爆和大尺度巖體破裂進行預測分析，捕捉巖石失穩破壞的前兆特征，為深部圍巖體穩定性監測和評估提供依據。

[1]Srinivasan C,Arora S,Benady S.Precursory monitoring of i mpending rockbursts in Kolar gold mines fro m microseis mic e missions at deeper levels[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences.1999,36(7)：941-948.

[2]魯振華,張連城.門頭溝礦微震的近場監測效能評估[J].地震.1989,1(5)：32-39.