微震技術在淺埋鎢礦床地壓監測中的應用*

黃智群，江文武，李家福，吳小豐

(1.江西漂塘鎢業有限公司， 江西 贛州市 341000；2.江西理工大學 應用科學學院， 江西 贛州市 341000；3.上海鵬旭信息科技有限公司， 上海 200000)

0 引 言

我國贛南鎢礦開采歷史悠久，地質條件復雜，早期民采現象嚴重，多礦脈同時開采，隨著開采深度增加，地壓活動愈演愈烈，此前如應力計、位移計等傳統的地壓監測手段存在埋設點位要求高，監測獲取的數據單一、監測范圍有限，監測數據反應滯后等技術缺陷。隨著各項技術的快速發展，尤其是計算機、數字技術、地震學和物理學等交叉學科的運用，促使微震監測技術快速發展，微震監測技術在國外礦山穩定性監測預報方面已經成為一種重要手段。1980年代后，微震監測技術逐步引入到我國的深井礦山和高陡邊坡，如冬瓜山銅礦、三河尖煤礦、平煤十一礦、會澤鉛鋅礦、凡口鉛鋅礦、張馬屯鐵礦、華豐煤礦以及錦屏二級水電站等工程先后建立了微震監測系統[1-7]，并在巖體穩定性監測與災害預測預報方面逐步凸顯出它的技術優勢。然而，微震監測技術在淺埋礦山方面的應用在國內外鮮有報道。為此，本文以漂塘鎢錫礦作為工程背景，開展微震監測技術方面的研究，研究結果可為我國其他淺埋礦山地壓活動的理論研究和現場監測提供借鑒。

1 礦山背景

漂塘鎢錫礦有 60多年的開采歷史，早期礦區民采現象嚴重，且經多年的開采，已形成了大量的采空區，加之礦區內斷層發育，有東西向、北東至北北東向和北西向，較大斷層有 11條，F3和 F2斷層橫切整個礦體，斷層相鄰區域巖層非常破碎，穩定性較差，暴露后即產生垮塌。這些礦山的客觀因素，導致近年來漂塘礦區地壓活動頻繁，已對礦區的安全生產構成了嚴重威協。為此，地壓問題已經引起了礦山及有關主管部門的高度重視，開采早期漂塘礦區采用全站儀、自制的地壓滑尺和較先進的聲發射監測儀等方法對采空區穩定性進行監測，在一段時間以來，雖然這些傳統的監測手段為掌握空區穩定性提供了相關數據信息，在一定程度上對礦山的安全生產起到了積極作用，但這些監測手段普遍存在監測數據滯后，監測范圍覆蓋面窄，難以實現實時在線監測和災害預測預報功能。具體表現為：監測點布局受限制明顯，難以布置在采空區巖層移動活躍區域，導致采空區穩定性監測數據敏感度低；監測數據受外部環境和采集人員的影響較大，且數據的獲取是間斷性的，時效性差，不能獲得采空區穩定性的真實有效的實時數據；監測人員必須到地壓活動現場讀數，監測人員的安全問題得不到保障。

2 微震監測效果分析

漂塘礦區沿走向方向分為西區、中區和東區，為了控制地壓活動，開采采用階梯式下降模式，中、西區下降速度快，西區I帶礦體和Ⅲ帶礦體受F3斷層、F5斷層影響明顯，中區偏東區域礦體受到 F2大斷層橫切等構造的影響，結合近期礦區地壓活動西區最為明顯，中東區次之。出于上述采礦活動空間分布特點，在系統設計時，以礦區西區作為地壓活動監測重點區域，中區次之，同時適當兼顧東部區域，構建了 41通道的 IMS地壓微震監測管理系統。

圖1（a）、圖1（b）分別為328中段313采場相鄰區域2015年12月、2016年1月累積的事件分布圖，圖2（a）、圖2（b）為對應時間的事件柱狀圖，通過對比分析可以發現，2015年12月份328中段313采場相鄰區域的地壓活動平靜，該區域產生的事件數少，進入2016年1月份后，該區域產生的事件數呈現增多趨勢，單日事件數達到5至7個，該區域地壓活動逐步呈現活躍趨勢，尤其是 1月21日單日事件數達到了11個，同時在1月21日該區域對應的累積視體積[8]呈現增加趨勢，能量指數呈現突降趨勢，見圖3所示，這些特征說明328中段對應 313采場相鄰區域地壓活動呈現異常特征，結合上述考慮，該區域存在局部失穩的概率較大。次日凌晨328中段對應的313采場的鏟運機道出現了失穩垮塌。

圖1 328中段313采場相鄰區域累積的事件分布

圖2 微震事件柱狀圖

圖3 能量指數與累計視體積隨時間演化規律

由圖4可知，2013年7月份268中段微震事件較為聚集，其中268中段至328中段的0線301采場相鄰區域即為一個風險區域，需對其進行地壓活動風險評估預測。

圖5（a）和圖5（b）為2013年6月份和2013年7月份的事件柱狀圖，由圖5（a）可知，在2013年6月初期，268中段至328中段0線的301采場相鄰區域地壓活動較為頻繁，該區域產生的單日事件數基本達到了 10個，但此時間段內，累計視體積變化平緩，并沒有呈現出加速變形趨勢，同時這些事件均屬于小震級事件，這些微震監測指標特征表明，這段時間該區域微震事件聚集較為明顯，主要是301采場自身的采礦活動誘發了相鄰圍巖應力轉移，導致巖體內部形成新的微裂隙或原有裂隙進一步擴展。

圖4 2013年7月份268中段微震事件分布

圖5 微震事件柱狀圖

圖6 能量指數、施密特數與累計視體積隨時間演化規律

在6月中下旬，301采場相鄰區域二次應力調整結束，地壓活動區域平靜，直到7月初，301采場地壓活動重新活躍，且尤其是7月初至20日，單日事件數達到 10個左右，累計視體積呈現明顯快速增加現象（見圖6），伴隨能量指數快速下降，上述種種跡象表明，301采場相鄰區域巖體穩定性明顯降低，巖體存在局部失穩的風險，隨后礦山對301采場相鄰巷道的非穩定的巖體進行誘導崩落處理，確保了該區域的安全生產。

綜上可知，漂塘鎢錫礦地壓災害發生前的一些特征指標將呈現出異常特征，視體積、能量指數、事件頻率等適合漂塘鎢錫礦的地壓活動特征。值得注意的是，與深井硬巖礦山相比，鎢礦床一般出露地表，采空區賦存淺，原巖應力小，巖體完整性較差，節理裂隙較發育，導致巖體介質存儲應變能的能力小，采空區發生地壓災害前、后能量釋放量較小，與此同時，地壓災害發生過程中沒有大震級事件產生，從圖3、圖6中震級與事件分布可知，地壓災害發生前后，對應區域產生的最大震級僅為-1.1級，這表明鎢礦床采空區地壓災害的發生可能更多受控于巖體結構面，這與深井硬巖礦山對應的巖爆地壓災害微震特征存在本質的區別。

3 結 論

（1）微震監測技術在漂塘鎢錫礦運行和監測效果較好，系統能有效監測和記錄采空區圍巖內部微裂隙產生、聚核發育和擴展失穩的整個過程，為地壓活動規律分析和災害預測預防提供了基礎。

（2）地壓災害發生前后，視體積、能量指數、事件頻率等指標會呈現異常突變現象，這些指標可以作為地壓災害的前兆性特征指標。

（3）與深井礦山相比，漂塘鎢錫礦的部分監測指標存在明顯弱化現象，地壓災害發生前后，能量釋放突變值的數量級較小，沒有大震級事件產生，尤其是局部巖體失穩中，能量釋放不明顯，這表明鎢礦采空區地壓災害的發生可能更多受控于巖體結構面。