某銅礦井下采空區穩定性微震活動規律研究

袁子清 崔冰 茍建會 楊亮亮

（①礦冶科技集團有限公司 北京1026281 ②金屬礦山智能開采技術北京市重點實驗室 北京102628③承德銅興礦業有限責任公司 承德0672501 ④新疆亞克斯資源開發股份有限公司 哈密 839000）

1 引言

當前，采空區是國內許多礦山生產中造成災害最主要的源頭之一，對礦山人民財產與生命安全存在嚴重威脅，因此，對采空區穩定性進行監測與研究對礦山的安全生產有著重要意義［1-2］。近年來，很多學者對采空區探測、監測及其穩定性分析技術開展了大量研究工作，并取得了不少研究成果[3-9]。其中，微震監測技術以其非接觸、實時動態、大尺度三維立體監測的優點逐漸成為當前及未來的主流監測技術，被廣泛應用于礦山地壓災害的評估和預警等方面[10]。

某銅礦經過數十年開采，井下形成了南六號特大采空區，且采空區下盤圍巖賦存多條斷層，對采空區周邊圍巖的穩定性產生嚴重影響。為了保障礦山深部資源的安全高效開采，該銅礦引進了世界先進的IMS 公司的微震監測系統，對南六號采空區下盤空區圍巖的穩定性進行動態監測。本文對采空區近1年來的微震監測數據進行了分析研究，得到了采空區圍巖微震活動的時空強規律，為未來井下采空區穩定性分析及地壓災害評估與治理提供參考。

2 工程概況

南六號采空區位于東部，最大寬度達到100m，在采區33～57 線間，走向延續數百米，整體形態呈下大上小，中間被多天巖枝隔斷。采空區南側賦存F1、F2、F3 等三條斷層（見圖1），F1、F2 斷層斜交向兩側延伸，平均寬度0.5m，F3斷層距采空區相對較遠。其中在37～41線之間F2斷層對采空區圍巖穩定性影響最大，在下三中段距離采空區最近處小于10m，下三中段主巷道頂部產生最大寬度達20mm的裂縫。

圖1 下三地質平面圖

3 微震監測系統簡介

為了實現對南六號空區下盤圍巖的動態立體監測，銅興礦業公司在下一到下三之間布置了一套8通道的IMS 微震監測系統，其中，下一中段布置了2 個傳感器（WZ-1～WZ-2），下三中段布置了4 個傳感器（WZ-3～WZ-6），監測范圍為33#～41 線之間，具體布置位置如下圖2所示。

4 微震活動時空強規律

4.1 分析模型建立

為了準確分析南六號空區下盤圍巖的穩定性，尤其涵蓋下盤圍巖的F2斷層區域，同時，結合微震監測系統的有效監測范圍及精度，建立了微震監測數據分析模型，垂直方向在下一中段～下三中段間，水平上在35～41 線間，模型尺度長*寬*高為150m*110m*120m，三維分析模型如下圖2所示。

圖2 微震監測分析模型圖

4.2 微震活動時空強規律

為了解南六號空區下盤圍巖的穩定性情況，對下盤重點關注區域近1 年來的微震監測數據進行了分析，旨在掌握其微震活動的時空強規律，為未來井下采空區穩定性分析及地壓災害評估與治理提供參考。

（1）采空區圍巖微震活動時間分布規律

經監測系統統計，南六號空區下盤圍巖重點監測區域近1 年來共產生微震事件568 個，從圖3 近1年來的微震監測事件日小時分布圖來看，微震事件主要發生在每日的3:00～4:00、9:00～15:00、17:00～23:00間，呈現一定的時間分布規律。此外，統計顯示微震事件里氏震級在-5.2～-0.2之間，震級偏小，且從圖4的累積視體積與能量指數曲線也可以看出，近1年來重點監測區域內沒有出現能量指數快速下降且累積視體積突然顯著上升的情況，因為能量指數快速下降，累積視體積持續增長，常作為巖爆和大尺度巖體破裂發生的前兆，因此，圖4 說明下盤空區圍巖沒有發生較大垮落破壞，巖體基本處于穩定狀態。

圖3 微震事件日小時分布圖

圖4 累積視體積與能量指數時間序列曲線

（2）采空區圍巖微震活動空間分布規律

圖5 為微震事件的空間分布圖，從圖可知，微震事件主要分布在空區下盤圍巖的37#～39#線間，尤其在37#線附近聚集分布，高程上主要分布下三中段上下各20 米范圍內，且微震事件基本聚集在空區邊界附近，說明臨空區圍巖產生一定的松動破壞。

圖5 微震事件空間分布規律

（3）基于微震監測的采空區圍巖應力位移分布規律

圖6為基于微震事件的圍巖應力云圖，從圖可看出，在F2斷層走向附近能量指數相對較大，說明空區下盤F2 斷層附近圍巖是應力集中區域，是潛在的較大圍巖破壞區域，應加強該區域的地壓觀測與分析。同時，從圖7 圍巖位移云圖可看出，37～39 線附近的臨空區下盤圍巖變形較大，變形約20mm。且根據現場反饋，井下工人偶爾聽到采空區有較小的巖石掉落聲，說明空區圍巖存在小規模的垮落破壞，與實際及理論情況基本相符。

圖6 微震應力云圖

圖7 微震位移云圖

5 結論

通過對銅興礦業南六號采空區下盤圍巖重點監測區域近1 年來的微震監測數據分析，得到了以下結論：

（1）南六號空區下盤圍巖重點監測區域近1年來共產生微震事件568個，微震事件主要發生在每日的3:00～4:00、9:00～15:00、17:00～23:00間，呈現一定的時間分布規律。此外，統計顯示微震事件里氏震級在-5.2～-0.2 之間，震級偏小，且沒有出現能量指數快速下降且累積視體積突然顯著上升的情況，說明下盤空區圍巖沒有發生較大垮落破壞，巖體基本處于穩定狀態。

（2）在水平上，微震事件主要分布在空區下盤圍巖的37#～39#線間，高程上主要分布下三中段上下各20米范圍內，且微震事件基本聚集在空區邊界附近，說明臨空區圍巖產生一定的松動破壞。

（3）空區下盤的F2斷層附近圍巖能量指數較大，應力相對集中，是未來發生較大圍巖破壞的潛在危險區域，應加強該區域的地壓觀測與分析；而數據分析顯示37～39線附近的臨空區下盤圍巖變形較大，最大變形約20mm，說明空區圍巖存在小規模的垮落破壞，與實際及理論情況基本相符。