基于微震監(jiān)測(cè)的出礦穿脈圍巖穩(wěn)定性分析

吳明，王晶，劉強(qiáng)，彭張，王平

(1.云南迪慶有色金屬有限責(zé)任公司，云南 香格里拉市 674400；2.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 102628)

0 引言

自然崩落法底部結(jié)構(gòu)有較長(zhǎng)的服務(wù)年限要求，在構(gòu)造應(yīng)力和上覆礦巖重力的共同作用下，底部結(jié)構(gòu)巷道圍巖處于長(zhǎng)期的變形破壞過(guò)程中[1-3]。底部結(jié)構(gòu)形成之后，礦柱周圍巖體被采出，崩落后的礦石堆積在底部結(jié)構(gòu)上，礦柱理論上處于單軸受壓狀態(tài)[4-7]。但由于原生構(gòu)造將底部結(jié)構(gòu)切割成不規(guī)則的塊體，構(gòu)造應(yīng)力使得礦柱應(yīng)力狀態(tài)更加復(fù)雜，加之各個(gè)進(jìn)路放礦不均勻，極易在局部區(qū)域形成應(yīng)力集中，造成穿脈巷道收斂破壞[8-11]。

為有效對(duì)地壓實(shí)施管控，普朗銅礦建立了一套微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于監(jiān)測(cè)底部結(jié)構(gòu)圍巖的變形破壞狀態(tài)。在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，賦存較多斷層的采區(qū)南部S1～S5 穿脈圍巖地壓顯現(xiàn)突出，局部巷道出現(xiàn)底鼓、頂板下沉等收斂變形，噴射混凝土斷裂脫落。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，礦山對(duì)S4、S5 等穿脈巷道及出礦口采取長(zhǎng)錨索、注漿、網(wǎng)噴混凝土和U 型鋼拱架等綜合支護(hù)形式進(jìn)行修復(fù)加固，同時(shí)調(diào)整S4、S5 穿脈變形破壞區(qū)域周邊出礦口的出礦量，對(duì)底部結(jié)構(gòu)變形起到了抑制作用。

本文針對(duì)地壓?jiǎn)栴}嚴(yán)重的S4 穿脈，以一段時(shí)間內(nèi)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為例，分析了穿脈圍巖在變形破壞與管控治理過(guò)程中微震事件的時(shí)間-空間-強(qiáng)度演化過(guò)程，研究了累計(jì)視體積與能量指數(shù)隨時(shí)間變化的特征，以期為底部結(jié)構(gòu)其他穿脈地壓管控提供參考依據(jù)。

1 地壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概況

普朗銅礦微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要布設(shè)在3720 m 水平N4、N1、S3、S6、S9 等5 條穿脈出礦穿脈內(nèi)，共27 個(gè)傳感器正常運(yùn)行，同時(shí)在3660 m 運(yùn)輸水平布設(shè)了8 個(gè)微震監(jiān)測(cè)點(diǎn)形成空間包絡(luò)。微震傳感器通過(guò)鉆孔安裝在巖體內(nèi)部，數(shù)據(jù)采集基站布置在大巷中的永久變電所內(nèi)（見(jiàn)圖1）。

圖1 3720 m 水平微震傳感器布置

2 微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

采區(qū)賦存5 條貫穿的大斷層以及眾多交錯(cuò)的小斷層，采區(qū)南部區(qū)域巖體較為破碎，在上覆崩落礦石的高壓作用下，巷道出現(xiàn)不同程度的變形破壞。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巡查記錄，南部S1～S5 穿脈圍巖地壓顯現(xiàn)突出，S4、S5 穿脈多條斷層交匯區(qū)域巷道出現(xiàn)收斂變形，S4 穿脈W2～E10 進(jìn)路之間巷道出現(xiàn)了底鼓、頂板下沉現(xiàn)象，出礦口鋼拱架嚴(yán)重變形（見(jiàn)圖2），E6～E16 進(jìn)路區(qū)域巷道開(kāi)裂，局部噴射混凝土斷裂脫落，因此將S4 穿脈作為重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行地壓狀況監(jiān)測(cè)分析。此后礦山對(duì)S4、S5 穿脈損毀段巷道及出礦口采取長(zhǎng)錨索、圍巖加固注漿、網(wǎng)噴混凝土、鋼拱架等綜合支護(hù)形式的修復(fù)加固方案。同時(shí)根據(jù)應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，調(diào)整S4、S5 變形破壞區(qū)域周邊出礦口出礦量，緩解局部應(yīng)力集中，抑制巷道圍巖進(jìn)一步破壞。

圖2 S4 穿脈圍巖破壞情況

3 微震事件時(shí)空分布變化分析

巖體在破裂過(guò)程中所產(chǎn)生的微震信號(hào)包含了大量巖體破壞信息，通過(guò)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以獲得巖體破裂期間震源發(fā)生的時(shí)間、空間、強(qiáng)度等參數(shù)。大規(guī)模地壓災(zāi)害實(shí)際是由小尺度巖體破裂發(fā)育貫通形成大尺度破壞而造成的。微震事件集的變化規(guī)律反映了巖體破裂狀態(tài)演變過(guò)程，表征頂板巖體的破裂發(fā)育程度，利用統(tǒng)計(jì)地震學(xué)和定量地震學(xué)研究方法能夠評(píng)估巖體的穩(wěn)定性。基于微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，針對(duì)S4 穿脈圍巖建立了長(zhǎng)570m×寬60m×高60 m 的塊體模型，長(zhǎng)度范圍由西沿大巷至東沿大巷，寬度范圍覆蓋S4 穿脈兩側(cè)底部結(jié)構(gòu)礦柱，高度范圍以3270 m 出礦水平為基準(zhǔn)上下各延伸30 m。

圖3 為2020 年11 月至2021 年6 月，每2 個(gè)月S4 穿脈監(jiān)測(cè)模型內(nèi)微震事件的數(shù)量與震級(jí)（M）分布情況。2020 年11 月至2020 年12 月微震事件數(shù)量相對(duì)較少，微震事件震級(jí)基本分布在-4 至-2之間；2021 年1 月至2021 年2 月微震事件數(shù)量有所增加，表明該時(shí)段S4 穿脈巖體破裂發(fā)育加劇；2021 年3 月至2021 年4 月微震事件數(shù)量減少，則與礦山強(qiáng)化支護(hù)抑制了巷道圍巖進(jìn)一步破壞有關(guān)；2021 年5 月至2021 年6 月時(shí)段微震事件數(shù)量大幅增加，-3 級(jí)以上微震事件數(shù)量占比增大，表明該時(shí)段巖體破裂過(guò)程釋放的能量增大。

圖4 為對(duì)應(yīng)時(shí)段微震事件空間分布情況。2020年11 月至2021 年2 月微震事件主要分布在S4 穿脈偏西側(cè)的W1～E7 進(jìn)路，且2021 年1 月至2021年2 月該區(qū)域微震事件數(shù)量激增且異常聚集，表明底部結(jié)構(gòu)巖體出現(xiàn)了較為強(qiáng)烈的變形破碎，與現(xiàn)場(chǎng)S4 穿脈W2～E10 進(jìn)路出現(xiàn)了底鼓、頂板下沉現(xiàn)象相一致，礦山在該區(qū)域采用了注漿、U 型鋼拱架、網(wǎng)噴混凝土等支護(hù)方式。結(jié)合圖3 可知，2021 年3 月至2021 年6月S4 穿脈東側(cè)微震事件數(shù)量明顯增加，2021 年5 月至2021 年6 月數(shù)量增加較多，且震級(jí)大于-3 的微震事件占比上升，表明S4 穿脈西側(cè)進(jìn)行局部強(qiáng)化支護(hù)后出現(xiàn)了應(yīng)力轉(zhuǎn)移，在出礦量不均的共同作用下，東側(cè)相對(duì)完整的巖體也出現(xiàn)了破裂情況。現(xiàn)場(chǎng)巡查發(fā)現(xiàn)E6～E16 進(jìn)路巷道開(kāi)裂，局部噴射混凝土斷裂脫落情況，礦山采取長(zhǎng)錨索、圍巖加固注漿等方式進(jìn)行了強(qiáng)化支護(hù)。

圖3 微震事件數(shù)量與震級(jí)分布

圖4 微震事件空間分布

4 累計(jì)視體積與能量指數(shù)變化分析

類比巖石力學(xué)的應(yīng)力應(yīng)變曲線，微震能量指數(shù)與視體積的變化規(guī)律是一致的。在應(yīng)力應(yīng)變曲線的峰前，能量指數(shù)的增大與視體積慢速增加的狀態(tài)表明震源區(qū)巖體是穩(wěn)定的，處于能量積蓄階段；在應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰值后，由于巖石承載能力下降，對(duì)應(yīng)的能量指數(shù)下降而視體積增大，表明巖體出現(xiàn)不可逆的塑性變形。因此，累計(jì)視體積和能量指數(shù)的變化特征反映了巖體變形的全過(guò)程特征，能量指數(shù)突降，累積視體積突增，可以看作一定規(guī)模巖體破壞的征兆。

圖5 為S4 穿脈監(jiān)測(cè)模型內(nèi)微震事件累計(jì)視體積與能量指數(shù)隨時(shí)間變化特征，2020 年11 月至2020 年12 月累計(jì)視體積穩(wěn)步上升，累計(jì)視體積有所波動(dòng)，該階段巖體有零星破碎現(xiàn)象，整體上還處于蓄能狀態(tài)；2020 年1 月出現(xiàn)能量指數(shù)突降，累計(jì)視體積突增，與上述S4 穿脈偏西側(cè)的W1～E7 進(jìn)路微震事件異常聚集現(xiàn)象相關(guān)聯(lián)，表明此時(shí)巖體內(nèi)部產(chǎn)生大量的微裂隙，出現(xiàn)擴(kuò)容現(xiàn)象，體積急劇增大；2021 年3 月至2021 年4 月又多次出現(xiàn)能量指數(shù)突增突降，累計(jì)視體積突增現(xiàn)象，則說(shuō)明在開(kāi)采過(guò)程中，隨著應(yīng)力分布的變化，支護(hù)后的圍巖及其周邊區(qū)域圍巖再次出現(xiàn)破壞，S4 穿脈巖體處于支護(hù)強(qiáng)化和破裂變形的反復(fù)過(guò)程中。

圖5 累積視體積與能量指數(shù)變化

因此礦山在實(shí)際地壓管控工作中，可采用讓壓支護(hù)措施，使巖體內(nèi)部應(yīng)力得到一定的釋放或轉(zhuǎn)移，有利于支護(hù)體與圍巖形成應(yīng)力平衡，從而延長(zhǎng)支護(hù)體的壽命，減少支護(hù)修復(fù)工作的頻次。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)普朗銅礦底部結(jié)構(gòu)S4 穿脈微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，并結(jié)合礦山生產(chǎn)和支護(hù)作業(yè)情況，得到以下結(jié)論：

（1）微震事件時(shí)空演化規(guī)律反映了穿脈巷道圍巖的變形破裂過(guò)程，微震事件在數(shù)量上的增加和空間上的聚集表征巖體正處于強(qiáng)烈破碎發(fā)育過(guò)程中，此時(shí)對(duì)穿脈巷道進(jìn)行強(qiáng)化支護(hù)可抑制圍巖變形；

（2）微震事件累計(jì)視體積與能量指數(shù)隨時(shí)間的變化特征與穿脈圍巖變形破壞過(guò)程相一致，隨著應(yīng)力分布的變化，支護(hù)后的圍巖再次出現(xiàn)破壞，巖體處于支護(hù)強(qiáng)化和破裂變形的反復(fù)過(guò)程中，采用讓壓支護(hù)措施有利于使支護(hù)體與圍巖形成應(yīng)力平衡。