天湖鐵礦地壓監測系統建立及其應用研究*

張龍，石峰 ，趙宗義，王平 ，白登榮

(1.新疆大明礦業集團股份有限公司， 新疆 哈密市 839000；2.礦冶科技集團有限公司， 北京 100160；3.中國-南非礦產資源開發利用聯合研究中心， 北京 102628)

0 引言

在采礦活動中，由于人為原因，井下原始應力平衡被破壞，井下巖體易產生應力集中，進而引發片幫、冒頂、巖爆等一系列地壓災害，造成設備損壞，人員傷亡等。對巖體進行穩定性監測是提前預測巖體是否發生大范圍破壞，并進行地壓管控的重要技術手段。目前，常用的巖體穩定性監測手段主要有應力位移監測[1?2]、空孔監測[3?4]、微震監測[5?9]等。通過對比上述監測手段可知，應力位移監測、空孔監測均屬于點監測，只能反映巖體局部狀態，且具有一定局限性，無法準確反映采礦過程中的巖體變化。而微震監測技術是一種區域監測，可以較好反映巖體整體裂隙發展情況，并具有實時、定位精度高等優點，目前已經廣泛應用于國內外礦山[10?12]。

天湖鐵礦采礦方法為無底柱分段崩落法，目前開采區域為940m中段的970m、955m分層。經過現場勘查，該中段礦巖應力相對比較集中，部分巷道已經出現了片幫、冒頂等變形破壞，嚴重威脅井下安全生產。由于礦區的水平構造應力和巖體硬度均較大，巖體發生動力災害的幾率較高。此外，隨著開采深度的進一步延伸，發生動力災害風險將逐漸增大，嚴重威脅礦山的安全生產。因此，基于微震監測技術，建立地壓監測系統，對井下巖體穩定性進行實時監測，對動力災害進行有效預警迫在眉睫。

1 監測方案設計與優化

針對天湖鐵礦開采過程中地壓活動的監測需求，結合實際開采特點，合理布置數值傳感器，最終建立了一套可移動式、實時在線監測與預警的20通道地壓監測系統，包含3支三分量傳感器、11支單分量傳感器。微震傳感器的位置確定布置在天湖鐵礦1000m、940m中段，各傳感器分別安裝在脈內巷道和脈外運輸巷道圍巖體內，形成一個立體的微震監測臺網，將主要監測的采場包括在其中心，使該系統能夠精確定位采場內發生的微震事件，從而準確掌握采場地壓活動情況。

對目前臺網分析進行事件定位誤差和靈敏度分析，其云圖分別如圖1、圖2所示。從圖1、圖2中可知，目前的微震事件定位誤差為10m左右，靈敏度為?2.6震級左右，能夠完全滿足礦山巖體穩定性及裂隙發展需求。

2 基于監測結果的地壓活動分析

根據礦山實際情況，對940m中段進行區域劃分，以955m水平為基準，向上每隔15m建立一個塊體分析模型，長×寬×高為550m×150m×15m，如圖3所示。通過統計監測周期內各模塊的微震事件信息分析地壓顯現規律。

圖2 微震監測系統靈敏度云圖

圖3 分析模型

2.1 微震事件空間分布特征

圖4為2019年監測系統某周期所監測到的微震事件空間分布。由圖4可知，該周955m水平微震事件較少，970m水平微震事件在J4～J13穿脈之間出現聚集，事件產生原因為采礦活動及巖體內應力重分布。基于微震事件空間分布特征，圈定潛在地壓災害危險區域，經過現場勘查，各970m水平采場西側巖體應力集中，破裂比較嚴重，如圖5所示，表明該區域微震活動較強，與監測結果相一致。

圖4 各水平微震事件空間分布

2.2 重點區域內地壓活動分析

基于微震事件空間分布特征可知，970m水平微震事件數量較多，對該中段巖體穩定性進行重點分析。

圖5 970m水平采場西側巷道片幫

（1）累計視體積、能量指數分布特征。在地震學領域中，能量指數的增大與累積視體積的緩慢增加表明，巖體處于能量積蓄的硬化階段，巖體不易發生大范圍破壞。當應力進入巖體峰值應力之后，巖體內部所儲存能量超過所能承受的能力，巖體發生破壞，表現為能量指數下降而累積視體積迅速增大。因此，在微震監測中，能量指數和累積視體積能夠很好地反映巖體內部裂隙發展的狀態和穩定性，這兩個指數可作為巖體發生大范圍破壞的預警指標。巖體發生大范圍破壞，通常伴隨著能量指數快速下降且累積視體積迅速增長的現象。

如圖6所示，監測周期內970m中段累計視體積呈穩定增加狀態，變化較為平穩，而能量指數波動較大，表明巖體內部能量不斷積聚與釋放，累積視體積沒有突然上升、能量指數沒有快速下降現象，即巖體內部出現小范圍破裂，沒有發現巖體較大范圍失穩前兆。經現場勘查，與監測結果相一致。

圖6 累積視體積時間與能量指數

（2）基于監測結果的巖體應力特征分析。微震事件的能量指數定義為該事件所產生的能量，與某區域內所有微震事件產生的平均能量相比，能量指數與巖體破壞時的驅動力呈正比。能量指數越大，巖體應力越集中，巖體發生大范圍破壞的可能性越大，可以用微震事件能量指數來表征巖體受力狀態。

圖7為970m水平圍巖應力分布情況，從圖7可以看出，J18～J20穿脈附近應力相對較大，現場巖體破壞嚴重，表明基于微震事件的巖體應力分析，可以較好地反映巖體應力狀態及穩定性。

圖7 巖體應力分布云圖

3 結論

（1）基于天湖鐵礦實際開采特點，建立了定位誤差約為10m，靈敏度為?2.6震級的高精度微震監測系統，滿足了礦山現場安全監測的需求。

（2）分析各中段微震事件空間分布特征，得出970m水平微震事件在J4～J13穿脈之間出現聚集，圈定危險區域，可較好地反映巖體狀態，與現場巖體破碎情況相一致。

（3）微震事件累計視體積-能量指數曲線可以反映巖體穩定性，累計視體積迅速上升且能量指數迅速下降，可作為巖體大范圍破壞發生的前兆信息。

（4）微震事件能量指數云圖可以較好地表征巖體受力狀態，對巖體是否發生大范圍破壞進行評估，進而為地壓管控提供技術支持。