黃山銅鎳礦30#礦體采空區(qū)頂板冒落及地表破裂規(guī)律研究

王學(xué)敏 葉爾布蘭·瓦黑提 石峰

（1.新疆亞克斯資源開(kāi)發(fā)股份有限公司，新疆哈密 839000；2.哈密市職業(yè)安全檢驗(yàn)檢測(cè)中心，新疆哈密 839000；3.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160）

1 引言

黃山銅鎳礦初步設(shè)計(jì)推薦無(wú)底柱分段崩落采礦法作為主要采礦方法。設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為4000t/d，主要開(kāi)采30#礦體。在30#礦體回采過(guò)程中易造成上部采空區(qū)空頂距過(guò)大，與32#礦體采區(qū)的空區(qū)間柱薄，可能貫通。

為了掌握采空區(qū)頂板的冒落規(guī)律和冒落范圍，監(jiān)測(cè)和預(yù)警采空區(qū)冒落和井下地壓活動(dòng)，在空區(qū)頂板冒落時(shí)對(duì)采空區(qū)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，形成一套適用于黃山銅鎳礦的先進(jìn)、可靠、高效的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)采空區(qū)頂板巖體裂隙發(fā)育規(guī)律、空區(qū)變化、潛在的危險(xiǎn)源進(jìn)行監(jiān)測(cè)、預(yù)警，用于指導(dǎo)礦山安全生產(chǎn)。

鑒于以上原因，建立了微震在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)530m、450m、350m中段巖體進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在地表、井下中段共布設(shè)8個(gè)單分量微震傳感器。

2 基于微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的頂板崩落規(guī)律分析

統(tǒng)計(jì)2020 年1 月至2021 年4 月530m 水平上覆采空區(qū)及地表附近監(jiān)測(cè)到的微震事件，空間分布如圖1 所示。由圖可知，隨著30#礦體逐漸開(kāi)采完畢，530m 上覆采空區(qū)頂板不斷向上崩落，目前崩落高度大約為700m，并逐漸向東南部?jī)A斜。頂板不斷向上崩落，引起地表塌陷，地表附近微震事件向32#塌陷坑傾斜。

統(tǒng)計(jì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自建成以來(lái)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到所有微震事件，如圖2所示，對(duì)頂板崩落與地表破裂范圍分析，圈定崩落邊界。從圖可以看出，地表破裂和頂板破裂范圍正在逐漸貫通，并有逐漸完全貫通趨勢(shì)。礦山技術(shù)人員應(yīng)加強(qiáng)對(duì)地表區(qū)域的監(jiān)測(cè)與無(wú)人機(jī)巡查以及塌陷區(qū)的管理，禁止任何人員及設(shè)備進(jìn)入地表塌陷區(qū)，保障生產(chǎn)安全。

圖1 頂板崩落規(guī)律（2020年1月～2021年4月）

圖2 頂板垮落與地表破裂范圍

3 地表破裂及沉降變化分析

2020年度監(jiān)測(cè)到的微震事件空間分布與地表無(wú)人機(jī)掃描結(jié)果對(duì)比分析，如圖3所示。對(duì)比2020年9月與2021年2月地表無(wú)人機(jī)掃描結(jié)果，可知32#塌陷坑?xùn)|南部出現(xiàn)新增裂縫，且原有裂縫變大（見(jiàn)圖4），與微震事件主要分布在礦體東南部相吻合。此外，在30#礦體東北部微震事件呈條帶狀分布，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)到32#塌陷坑?xùn)|部臺(tái)階下沉變大。此外，還監(jiān)測(cè)到微震事件有向32#塌陷坑傾斜趨勢(shì)，呈“西北低、東南高”趨勢(shì)，均與地表無(wú)人機(jī)掃描結(jié)果相一致。

圖3 微震事件空間分布與地表變化對(duì)比

圖4 地表變化

4 微震事件b值特征分析

b值概念源于地震學(xué)，是描述震級(jí)頻率中震級(jí)大小相對(duì)關(guān)系中的一個(gè)參量，表達(dá)式如下：

lgn(M)=a-bM

式中，M 為地震震級(jí)，n(M)為以該震級(jí)為中心的一定范圍內(nèi)某時(shí)間段內(nèi)發(fā)生的地震次數(shù)。a 為某時(shí)間段內(nèi)的地震活動(dòng)水平，b則表征某時(shí)間段內(nèi)大震級(jí)與小震級(jí)是相對(duì)占比。b 值越大，小震級(jí)事件居多。如圖5 所示，為礦山某2 周時(shí)間段內(nèi)b 值，為典型的G-R 關(guān)系曲線，直線為擬合曲線，圓點(diǎn)為實(shí)測(cè)值。該時(shí)間段內(nèi)微震事件b值為1.818，較一般參考值較大，預(yù)示未來(lái)小震級(jí)事件居多，表明此狀態(tài)巖體處于穩(wěn)定階段。而巖體大尺度破壞等動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生時(shí)，內(nèi)部大尺度破裂逐漸增多，即微震大事件增多，導(dǎo)致b值下降。因此，b 值可以較好的反應(yīng)巖體應(yīng)力狀態(tài)，可作為巖體動(dòng)力災(zāi)害預(yù)警的一個(gè)重要參考值。

圖5 震級(jí)與事件數(shù)關(guān)系

以每?jī)芍転榻y(tǒng)計(jì)周期，計(jì)算2020 年11 月至2021年4 月期間地表附近微震事件b 值，b 值曲線如圖6所示。由圖可知該期間b 值大多為參考值1 以下，數(shù)值較小，預(yù)示著接下來(lái)大震級(jí)微震事件將會(huì)占比增多，地表開(kāi)裂及沉降將進(jìn)一步發(fā)展，建議繼續(xù)加強(qiáng)對(duì)地表塌陷區(qū)，尤其是32#塌陷坑?xùn)|南部裂縫以及地表沉降的監(jiān)測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人機(jī)巡查掃描及三維模型沉降分析，加強(qiáng)對(duì)塌陷區(qū)的管理，保障生產(chǎn)安全。

圖6 地表附近微震事件b值

5 結(jié)論

隨著30#礦體逐漸開(kāi)采完畢，530m 上覆采空區(qū)頂板不斷向上崩落，目前崩落高度大約為700m，并逐漸向東南部?jī)A斜。由于頂板不斷崩落，引起地表塌陷，地表附近微震事件向32#塌陷坑傾斜。此外，對(duì)比地表無(wú)人機(jī)掃描結(jié)果，可知32#塌陷坑?xùn)|南部出現(xiàn)新增裂縫，且原有裂縫變大，與微震事件主要分布在礦體東南部相吻合。通過(guò)分析地表附近微震事件b值，預(yù)測(cè)地表開(kāi)裂及沉降將進(jìn)一步發(fā)展。