自然崩落法頂板穩(wěn)定性監(jiān)測分析與預(yù)警研究*

劉 強，魏銀鴻，王 平，彭 張，蔡永順

(1.礦冶科技集團有限公司，北京 102628；2.中國-南非礦產(chǎn)資源開發(fā)利用聯(lián)合研究中心，北京 102628;3.國家金屬礦綠色開采國際聯(lián)合研究中心，北京 102628；4.云南迪慶有色金屬有限責任公司，云南 香格里拉 674400)

0 引言

自然崩落法開采是利用礦巖自重進行落礦，受斷層構(gòu)造和放礦作業(yè)影響，頂板崩落速度和崩落面積難以掌控，大面積頂板突然崩落嚴重威脅井下人員與設(shè)備安全[1-3]。采用地壓監(jiān)測手段可及時掌握頂板狀態(tài)，時域反射(TDR)、鉆孔電視等技術(shù)針對性強、精度高，但點監(jiān)測無法兼顧整個采區(qū)頂板，若網(wǎng)格布置過密，成本較高；微震監(jiān)測技術(shù)具備大尺度、實時性等特點，能夠?qū)崿F(xiàn)對頂板巖體破裂狀態(tài)的宏觀監(jiān)測[4-8]，通過研究頂板監(jiān)測區(qū)域微震活動性參數(shù)變化特征，可實現(xiàn)頂板災(zāi)害有效預(yù)警。

部分學者在礦山巖體微震活動性參數(shù)方面展開研究：文獻[9-10]對微震事件時空演化規(guī)律進行分析，歸納巖體大尺度破裂前后b值變化特征；尚仕科等[11]通過對微震事件震級、頻率能量等參數(shù)變化進行統(tǒng)計，總結(jié)掘進和回采過程中巖爆活動規(guī)律；文獻[12-14]研究礦山地震視應(yīng)力和變形參數(shù)時間序列特征，討論潛在區(qū)域性地震成核區(qū)的地震活動危險性和巖體破壞形態(tài)的評價與預(yù)測；文獻[15-20]依托礦山巖體破壞失穩(wěn)案例，對微震活動性參數(shù)進行研究并形成預(yù)警體系；文獻[21-22]根據(jù)初至時間、震源定位等參數(shù)，基于地震學理論對巖體穩(wěn)定性進行預(yù)測預(yù)報。

對于不同地質(zhì)條件與開采方法的礦山，巖體失穩(wěn)過程中微震活動性參數(shù)有所差異，因此需要長期觀察統(tǒng)計礦山微震活動規(guī)律，并有效利用巖體失穩(wěn)事件進行預(yù)警研究。普朗銅礦建立包含多種設(shè)備的頂板綜合監(jiān)測系統(tǒng)，在某時段基于多源參數(shù)，有效預(yù)警1次2#溜井區(qū)域頂板大面積崩落的失穩(wěn)事件。為確立頂板巖體失穩(wěn)預(yù)警期，基于失穩(wěn)事件監(jiān)測微震數(shù)據(jù)，研究巖體失穩(wěn)微震活動性參數(shù)特征，為后續(xù)整個采區(qū)其他區(qū)域頂板穩(wěn)定性監(jiān)測預(yù)警工作提供借鑒。

1 頂板穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)

為更準確掌握自然崩落法開采過程中頂板崩落狀態(tài)，以微震監(jiān)測技術(shù)大尺度監(jiān)測為主，以時域反射和鉆孔電視等點監(jiān)測技術(shù)為輔對普朗銅礦頂板進行監(jiān)測，分析頂板崩落動態(tài)變化規(guī)律。根據(jù)微震事件由地表到底部結(jié)構(gòu)時空分布，宏觀圈定頂板巖體破裂和崩落邊界，利用微震活動性參數(shù)監(jiān)測頂板崩落變化過程。同時，基于時域反射、鉆孔電視等點監(jiān)測數(shù)據(jù)確定的頂板邊界位置，動態(tài)修正頂板崩落范圍，對采區(qū)頂板崩落邊界與崩落速度、存窿面和崩落面等進行關(guān)聯(lián)分析，掌握開采過程中頂板崩落時空演化規(guī)律。

綜合監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測點在3 720 m水平投影如圖1所示。在井下3 720 m出礦水平N4，N1，S3，S6 4條穿脈內(nèi)布設(shè)18個單分量微震傳感器和2個三分量微震傳感器，同時在對應(yīng)地表區(qū)域豎直向下打4個鉆孔，在每個鉆孔內(nèi)不同高度分別布置2個單分量微震傳感器。時域反射系統(tǒng)監(jiān)測孔布置于采區(qū)地表2#溜井位置，通過地表鉆孔布置同軸電纜，鉆孔電視系統(tǒng)監(jiān)測孔布置于2#溜井附近。

圖1 綜合監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測點在3 720 m水平投影

2 頂板失穩(wěn)事件預(yù)警

以微震事件時空分布宏觀圈定出的頂板崩落邊界為基礎(chǔ)，結(jié)合TDR、鉆孔電視實時數(shù)據(jù)對頂板穩(wěn)定性狀態(tài)進行監(jiān)測，基于多源參數(shù)對頂板失穩(wěn)進行預(yù)測預(yù)警。根據(jù)地表觀測結(jié)果，3#TDR監(jiān)測點和2#溜井周邊地表開裂嚴重，因此建立3 個微震監(jiān)測塊體模型，統(tǒng)計分析微震事件時空變化規(guī)律，微震監(jiān)測塊體模型如圖2所示。各區(qū)域每天微震事件數(shù)量變化如圖3所示。由圖3可知，9月11日～9月17日，相距較近的2#溜井和3#TDR 2個塊體模型內(nèi)微震事件突增，而9月18日～10月1日突減，微震事件數(shù)量突增又突減通常被視為較大規(guī)模巖體變形破壞前兆，表明上述區(qū)域頂板存在失穩(wěn)風險。

圖2 微震監(jiān)測分析模型

圖3 每日各區(qū)域微震事件數(shù)量變化

TDR監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖4所示。由圖4可知，9月10日～10月5日，3#TDR監(jiān)測點數(shù)據(jù)有3次較為明顯的突降，同時鉆孔電視監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示9月8日后頂板崩落高度變化幅度較大，進一步證明2#溜井及3#TDR區(qū)域頂板可能發(fā)生大面積崩落。因此，礦山需要及時調(diào)整放礦作業(yè)安排，暫停2#溜井附近核心區(qū)域出礦口放礦量，并減少周邊區(qū)域出礦口放礦量，最大限度預(yù)防頂板失穩(wěn)產(chǎn)生的沖擊影響。鉆孔電視監(jiān)測系統(tǒng)于10月18日監(jiān)測到2#溜井區(qū)域頂板大面積崩落情況，因礦山提前預(yù)警采取相關(guān)措施，沒有造成人員傷亡、設(shè)備損壞，確保礦山現(xiàn)場安全生產(chǎn)。

圖4 TDR監(jiān)測數(shù)據(jù)

3 頂板失穩(wěn)前后微震活動性參數(shù)分析

失穩(wěn)事件發(fā)生表明基于微震監(jiān)測、時域反射、鉆孔電視等多源參數(shù)的頂板失穩(wěn)預(yù)警有效，但由于采區(qū)賦存多條斷層，地質(zhì)條件復(fù)雜，隨開采強度增加，整個采區(qū)頂板薄弱區(qū)域均存在失穩(wěn)風險。礦山僅在已有地壓顯現(xiàn)的2#溜井安裝時域反射和鉆孔電視監(jiān)測系統(tǒng)，對整個采區(qū)頂板監(jiān)測只能依靠具備大尺度區(qū)域監(jiān)測性能的微震監(jiān)測系統(tǒng)。因此，通過分析頂板大面積崩落前后監(jiān)測區(qū)域事件數(shù)量變化、b值、能量指數(shù)、累積視體積、施密特數(shù)等微震活動性參數(shù)，研究普朗銅礦頂板巖體失穩(wěn)微震參數(shù)特征，確立適用于該礦山的頂板失穩(wěn)預(yù)警期，為后續(xù)整個采區(qū)其他區(qū)域頂板穩(wěn)定性監(jiān)測預(yù)警工作提供參考。

3.1 b值變化規(guī)律分析

b值指地震學中描述震級與頻度分布關(guān)系的參數(shù)，礦山開采過程中誘發(fā)微震事件一定程度也適用震級與頻度分布關(guān)系，如式(1)所示：

lgn=a-bM

(1)

式中：M為矩震級；n指大于等于矩震級M的事件數(shù)量；a表示微震活動性水平量度；b表示在一定時段內(nèi)，大震級事件數(shù)量與小震級事件數(shù)量比例變化關(guān)系。

礦山開采誘發(fā)震動事件過程中，b值越小，大震級事件比例越大，巖體失穩(wěn)可能性越大。當巖體處于穩(wěn)定期，b值較大且相對穩(wěn)定；隨巖體受開采影響破裂發(fā)育，b值隨局部破裂產(chǎn)生的小震級事件增多而增大；當巖體裂隙擴展貫通，甚至揭露斷層等構(gòu)造，導(dǎo)致大震級事件增多，小震級事件減少，b值突然減小，數(shù)值一般接近1或小于1。因此，b值可作為礦山頂板巖體失穩(wěn)預(yù)警參數(shù)。

以9月1日～10月20日監(jiān)測到的微震事件為研究對象，分析事件前后模塊內(nèi)微震事件b值變化規(guī)律。以10 d為1個周期，每2 d計算1次得到b值數(shù)值變化如圖5所示。由圖5可知，2#溜井與3#TDR模塊內(nèi)微震事件b值變化趨勢大致相同，由于3#TDR模塊內(nèi)監(jiān)測到微震事件數(shù)量相對較少，個別時段數(shù)值出現(xiàn)較大波動，因此，基于2#溜井模塊曲線劃分時段。9月1日～9月11日b值逐漸增大，表明該時段頂板巖體內(nèi)部微小破裂較為頻繁，裂隙處于初步發(fā)育階段，小震級微震事件占比較大；9月11日～10月4日b值呈減小趨勢，頂板巖體內(nèi)裂隙逐漸擴展貫通，能量集中釋放，伴隨較多大震級微震事件，是頂板失穩(wěn)事件征兆；鉆孔電視監(jiān)測系統(tǒng)于10月18日監(jiān)測到2#溜井區(qū)域頂板崩落情況，b值逐漸增大并恢復(fù)正常水平。對比事件前后b值變化可知，當某區(qū)域內(nèi)微震事件b值出現(xiàn)增大后又突然減小情況時，b值減小日期的后38 d內(nèi)可作為頂板失穩(wěn)預(yù)警期。

圖5 b值數(shù)值變化

3.2 微震活動性參數(shù)時間特征分析

在礦山巖體失穩(wěn)過程中，累積視體積Va、能量指數(shù)EI、施密特數(shù)Scs等震源活動性參數(shù)有明顯變化，可用以表征巖體穩(wěn)定狀態(tài)。微震事件視體積表征地震非彈性變形體積，與釋放能量和體變勢相關(guān)；能量指數(shù)是給定微震事件所釋放的能量與相同地震矩下平均能量之比；施密特數(shù)用以描述巖體中震動擴展在時空中的復(fù)雜程度，參數(shù)表征如式(2)～(4)所示：

(2)

(3)

(4)

類比巖體破壞過程，在應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰值之后，應(yīng)力迅速下降，巖體變形加快，巖體失穩(wěn)前能量指數(shù)和施密特數(shù)突然下降，累積視體積上升。上述現(xiàn)象可作為大規(guī)模巖體失穩(wěn)的征兆，但對于不同地質(zhì)條件的礦山，征兆出現(xiàn)與巖體失穩(wěn)間時間間隔不同，通過分析礦山已發(fā)生巖體失穩(wěn)事件過程中累積視體積與能量指數(shù)變化特征可獲取預(yù)警征兆信息，對有效規(guī)避地壓災(zāi)害意義重大。

失穩(wěn)事件前后2#溜井分析模型內(nèi)微震事件累積視體積與能量指數(shù)變化曲線如圖6所示。由圖6可知，10月18日頂板大面積崩落前能量指數(shù)出現(xiàn)多次下降，統(tǒng)計5次下降日期單日能量指數(shù)數(shù)值變化情況見表1。其中，9月25日下降幅度相對最大，表明進入2#溜井區(qū)域頂板失穩(wěn)預(yù)警期。由圖6可知，9月1日～9月25日期間累積視體積逐漸上升，能量指數(shù)上下波動，此時頂板巖體主要處于能量儲蓄階段，當能量超過巖體儲能界限時，巖體內(nèi)部裂隙逐漸發(fā)育；9月25日之后，能量指數(shù)迅速下降，累積視體積繼續(xù)增加，表明巖體出現(xiàn)破壞，能量已經(jīng)釋放；此后，巖體裂隙繼續(xù)發(fā)育擴展，24 d后頂板發(fā)生大面積崩落。

表1 能量指數(shù)變化統(tǒng)計

圖6 累積視體積與能量指數(shù)變化

失穩(wěn)事件前后2#溜井分析模型內(nèi)微震事件累積視體積與施密特數(shù)變化曲線如圖7所示。統(tǒng)計5次施密特數(shù)單日內(nèi)數(shù)值變化，見表2。9月29日施密特數(shù)下降幅度相對最大，視為頂板失穩(wěn)預(yù)警期開端；9月29日之前，能量指數(shù)正常上升，施密特數(shù)出現(xiàn)幾次小范圍波動，巖體內(nèi)部微破裂逐漸擴展；9月29日之后該區(qū)域微震擴散性增加，施密特數(shù)迅速下降，表明巖體已處于不穩(wěn)定階段；20 d后頂板發(fā)生大面積崩落。

圖7 累積視體積與施密特數(shù)變化

表2 施密特數(shù)變化統(tǒng)計

3.3 頂板失穩(wěn)預(yù)警期確定

通過對本次事件前后監(jiān)測區(qū)域微震事件b值、能量指數(shù)、累積視體積、施密特數(shù)等微震活動性參數(shù)分析，得到3個基于不同參數(shù)特征的頂板失穩(wěn)預(yù)警時間。其中，b值計算結(jié)果因周期不同差異較大，且需要較長時間確定其是否處于連續(xù)下降狀態(tài)，僅以短時段b值下降作為預(yù)警點可能出現(xiàn)誤判。根據(jù)礦山實際工作，由b值變化規(guī)律得到38 d預(yù)警時間為時過早，影響礦山正常生產(chǎn)。

結(jié)合失穩(wěn)事件前后累積視體積與能量指數(shù)變化特征、累積視體積與施密特數(shù)變化特征，認為普朗銅礦頂板失穩(wěn)預(yù)警期以24 d為宜。未安裝時域反射、鉆孔電視等點監(jiān)測設(shè)備的其他區(qū)域，一旦出現(xiàn)微震活動性參數(shù)變化，需及時進行預(yù)警，預(yù)警期內(nèi)礦山需加強頂板及地表監(jiān)測，注意現(xiàn)場巖體變化與異常響動，做好危險規(guī)避措施，必要時應(yīng)停止預(yù)警區(qū)域出礦，并及時進行人員撤離。

4 結(jié)論

1)利用微震監(jiān)測、時域反射、鉆孔電視等監(jiān)測系統(tǒng)，準確預(yù)警1次較大規(guī)模的頂板失穩(wěn)事件，表明基于多源參數(shù)的局部監(jiān)測技術(shù)效果良好，但時域反射、鉆孔電視等點監(jiān)測設(shè)備不能覆蓋整個采區(qū)頂板，其他區(qū)域頂板穩(wěn)定性監(jiān)測主要依靠微震監(jiān)測系統(tǒng)。

2)根據(jù)微震事件頂板大面積崩落前后b值變化，結(jié)合累積視體積與能量指數(shù)變化特征、累積視體積與施密特數(shù)變化特征，確定普朗銅礦頂板失穩(wěn)預(yù)警期為24 d，研究結(jié)果可為后續(xù)整個采區(qū)其他區(qū)域頂板穩(wěn)定性監(jiān)測工作提供借鑒。