基于微震監(jiān)測(cè)的地壓活動(dòng)時(shí)空分布研究基于微震監(jiān)測(cè)技術(shù)的深井開(kāi)采地壓活動(dòng)規(guī)律研究

1研究對(duì)象近十年來(lái)，隨著數(shù)字技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、地球物理和量化地震學(xué)的快速發(fā)展，微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)在國(guó)外，尤其是在南非和加拿大的深井中得到廣泛應(yīng)用。我國(guó)也有少數(shù)礦山開(kāi)展礦山地壓活動(dòng)的微震監(jiān)測(cè),如門(mén)頭溝煤礦于20世紀(jì)80年代就采用波蘭SYLOK微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行地壓活動(dòng)的監(jiān)測(cè),興隆莊煤礦于21世紀(jì)初采用澳大利亞研制的地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、凡口鉛鋅礦于2004年引進(jìn)加拿大ESG微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[2~6]進(jìn)行地壓活動(dòng)的監(jiān)測(cè)。當(dāng)前,我國(guó)礦山進(jìn)入深井開(kāi)采已呈必然趨勢(shì),為實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn),開(kāi)展基于微震監(jiān)測(cè)技術(shù)的深井礦山巖體破壞和地壓活動(dòng)規(guī)律研究顯得迫切而重要。冬瓜山礦床賦存于-690~-1007m,主井深度為1120m(+95~-1025m),具有原巖應(yīng)力高(38MPa)、巖溫高(39℃)、存在巖爆傾向等復(fù)雜開(kāi)采技術(shù)條件,是國(guó)內(nèi)目前開(kāi)采深度達(dá)到1000m的大型深埋銅礦山之一,屬典型的深井開(kāi)采礦山。為保證礦山高效安全開(kāi)采,“十五”期間,“深井巖爆與地壓監(jiān)測(cè)及控制技術(shù)研究”課題組引進(jìn)南非ISS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng),建立了以微震監(jiān)測(cè)為主的巖爆與地壓綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng),開(kāi)展對(duì)巖體應(yīng)力活動(dòng)的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),采集巖體活動(dòng)的振動(dòng)波形數(shù)據(jù),進(jìn)行地震學(xué)處理、分析和可視化研究,初步揭示了礦床因開(kāi)采引起的巖體應(yīng)力活動(dòng)和變形規(guī)律。2地震活動(dòng)參數(shù)大量研究資料表明,巖體在破壞之前,必然持續(xù)一段時(shí)間以聲波的形式釋放積蓄的能量。礦床開(kāi)采活動(dòng)在巖體中引起彈性變形和非彈性變形,在巖體中積蓄的彈性勢(shì)能在非彈性變形過(guò)程中以震動(dòng)波的形式被逐步或突然釋放出去,這種能量釋放的強(qiáng)度,隨著結(jié)構(gòu)臨近失穩(wěn)而變化,導(dǎo)致巖體內(nèi)部發(fā)生微震(microseismos,MS)事件。這種通過(guò)分析微震事件產(chǎn)生的信號(hào)(位置、震級(jí)等參數(shù))特征,推斷開(kāi)挖過(guò)程中的巖體狀態(tài)和礦巖的力學(xué)行為,估測(cè)礦巖是否發(fā)生破壞,以實(shí)現(xiàn)防止、控制或預(yù)測(cè)潛在的不穩(wěn)定巖體,從而避免危險(xiǎn)事故發(fā)生的技術(shù),稱(chēng)為微震監(jiān)測(cè)技術(shù)。微震信號(hào)的特征取決于震源性質(zhì)、所經(jīng)巖體性質(zhì)及監(jiān)測(cè)點(diǎn)到震源的距離等。描述微震事件采用定量地震學(xué)方法。在震源周?chē)贾靡欢〝?shù)量的傳感器,組成傳感器網(wǎng)絡(luò),當(dāng)巖體內(nèi)出現(xiàn)微震時(shí),傳感器即可將由巖體內(nèi)部破壞處所產(chǎn)生的應(yīng)力波信號(hào)拾取,通過(guò)多點(diǎn)同步數(shù)據(jù)采集測(cè)定各傳感器接收到該信號(hào)的時(shí)刻,連同各傳感器坐標(biāo)及所測(cè)波速代入非線性方程:式中:tj為在測(cè)點(diǎn)j所觀測(cè)到事件的P波或S波的到時(shí)時(shí)間,t0為該事件的未知震源時(shí)間,Tj(h)為P波或S波傳播到第j測(cè)點(diǎn)的未知傳播時(shí)間,LOCj(x)為觀測(cè)到時(shí)時(shí)間tj與計(jì)算到時(shí)時(shí)間t0+Tj(h)之差。通過(guò)求解5個(gè)以上方程構(gòu)成方程組的唯一解,可確定震源的時(shí)空參數(shù),達(dá)到定位之目的。礦床開(kāi)采活動(dòng)產(chǎn)生應(yīng)力集中。要監(jiān)測(cè)巖體對(duì)開(kāi)采的反應(yīng),就必須連續(xù)不斷地在時(shí)間和空間上量化描述應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)流動(dòng)變化的參數(shù)。地震事件分析是對(duì)出現(xiàn)于一定體積?V和一定時(shí)間?t內(nèi)的許多地震事件數(shù)量和強(qiáng)度的分析。常采用4個(gè)獨(dú)立的地震活動(dòng)參數(shù)(ΣE,ΣM,)的對(duì)數(shù)形式對(duì)地震活動(dòng)進(jìn)行量化和定義。其中,為事件間的平均時(shí)間,為相臨事件之間的平均距離(包括震源大小),ΣM為地震矩的和,ΣE為發(fā)射能量的和。由這4個(gè)基本量可以推得十幾個(gè)地震參數(shù),如地震應(yīng)變?chǔ)舠、地震應(yīng)力σs、視體積VA、地震Schmidt數(shù)Scs等。這些參數(shù)描述了同震變形及其相關(guān)的應(yīng)變率、應(yīng)力和流變特性的統(tǒng)計(jì)特性。與本文相關(guān)的主要參數(shù)和公式為式中:m為震級(jí);E為發(fā)射的地震能(J);σA為視應(yīng)力(Pa);μ為震源處的平均位移(m);A為震源面積(m2);c3為尺寸因素,且c3≈2;G為剛度;M為地震矩(N·m)。3系統(tǒng)的控制和組成冬瓜山微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由硬件和軟件組成。硬件系統(tǒng)包括地震傳感器(sensor)、數(shù)據(jù)采集單元地震儀(quakeseismometer,QS)、井下通信控制中心(seismiccontroller)、地面監(jiān)測(cè)控制中心、終端用戶計(jì)算機(jī)及通訊電源電纜。軟件系統(tǒng)包括控制和管理微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行控制軟件(RTS);對(duì)采集的波形進(jìn)行地震波波形分析、處理和參數(shù)計(jì)算,提供地震學(xué)分析平臺(tái)的地震學(xué)分析軟件(JMTS);以及在三維窗口中顯示對(duì)采集地震數(shù)據(jù)分析的各類(lèi)圖像,提供多種參數(shù)的時(shí)間序列曲線和圖表,滿足不同空間和時(shí)間范圍地震活動(dòng)研究需要的微震事件可視化解釋分析軟件(JDI)。微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成與結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)由16個(gè)傳感器、4個(gè)QS、1個(gè)地震儀轉(zhuǎn)發(fā)器(QS_Rep)、1個(gè)地下控制器、1個(gè)地表監(jiān)測(cè)控制中心及與之相連的通訊電纜組成。每個(gè)QS連接4個(gè)傳感器,其中3個(gè)為一維傳感器,1個(gè)為三維傳感器。各傳感器采集地震模擬信號(hào)通過(guò)QS轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)骄峦ㄐ趴刂浦行?再通過(guò)光纜傳輸?shù)降乇肀O(jiān)測(cè)控制中心進(jìn)行處理和分析。該系統(tǒng)的有效監(jiān)測(cè)范圍為600m×400m×220m,礦床首采區(qū)域震源定位誤差<10m,系統(tǒng)靈敏度為-2.0里氏震級(jí)。4地壓活動(dòng)規(guī)律的研究4.1全尾砂膠結(jié)充填采礦場(chǎng)分布冬瓜山礦床首采區(qū)段用階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法開(kāi)采。礦體緩傾斜,沿礦體走向劃分盤(pán)區(qū),盤(pán)區(qū)之間暫留隔離礦柱,其寬度為18m。沿盤(pán)區(qū)長(zhǎng)度方向劃分采場(chǎng),礦房采場(chǎng)長(zhǎng)82m,礦柱采場(chǎng)長(zhǎng)78m,采場(chǎng)寬均為18m。先采礦房,后采礦柱,礦房采場(chǎng)采用尾砂膠結(jié)充填,礦柱采場(chǎng)用尾砂充填。首采區(qū)段劃分4個(gè)盤(pán)區(qū),盤(pán)區(qū)和采場(chǎng)分布見(jiàn)圖2。2004年開(kāi)始回采,至2006年9月,52–2#,52–6#,52–8#采場(chǎng)已回采結(jié)束,但尚未充填。雖然采動(dòng)范圍大,但采空區(qū)體積較小且相對(duì)孤立?；夭蓞^(qū)域主要集中于1#~2#盤(pán)區(qū)南端,掘進(jìn)工作主要是礦體上部的鑿巖硐室施工和礦體底部的巷道掘進(jìn)和拉底工程施工。4.2地壓活動(dòng)相對(duì)功能區(qū)由于礦山在不同空間區(qū)域和時(shí)間段進(jìn)行不同工序的開(kāi)采活動(dòng),為揭示地壓活動(dòng)的時(shí)空變化規(guī)律,有必要進(jìn)行地壓活動(dòng)的時(shí)空特征分析[10~15]。結(jié)合礦山實(shí)際開(kāi)采情況,按月劃分時(shí)間段進(jìn)行地壓活動(dòng)分析。這里僅以2005年9月和2006年1月的地壓活動(dòng)分布及其集中區(qū)圈定來(lái)說(shuō)明研究過(guò)程和結(jié)果。圖3(a),(b)分別是2005年9月微震事件空間三維分布透視圖及其水平投影圖。采用系統(tǒng)中JDI軟件在圖3中對(duì)首采區(qū)域地震事件進(jìn)行地壓活動(dòng)集中區(qū)圈定,圖3(c)給出首采區(qū)地震事件及其空間范圍,圖3(d)為地壓活動(dòng)相對(duì)集中區(qū)在水平面上的投影范圍(線圈所圍區(qū)域)。從圖中可清晰看出地壓活動(dòng)相對(duì)比較集中的區(qū)域,集中區(qū)較小且比較分散。圖中球體表示地震事件,球的位置為地震震源位置,球的大小為地震矩對(duì)數(shù),球的顏色由深到淺分別表示地震事件發(fā)生的先后時(shí)間。一個(gè)地震事件也可由像素點(diǎn)、圓圈、砂漏等符號(hào)表示,其大小可由不同的地震參數(shù)如震級(jí)、地震矩、震源半徑、視應(yīng)力、釋放的能量等多種參數(shù)表示,同樣,球體的顏色亦可用于表達(dá)其他地震參數(shù)。采用同樣的方法可獲得2006年1月的地壓活動(dòng)相對(duì)集中區(qū)的空間分布及其在水平面上的投影范圍。把2005年9月和2006年1月的地壓活動(dòng)相對(duì)集中區(qū)重疊后如圖4所示,其中2005年9月的地壓活動(dòng)相對(duì)集中區(qū)范圍線用實(shí)線表示。顯然,地壓活動(dòng)相對(duì)集中區(qū)發(fā)生了明顯的變化。對(duì)比井下采掘活動(dòng)記錄可知,地壓活動(dòng)相對(duì)集中區(qū)的變化與井下采掘活動(dòng)緊密相關(guān),各地壓活動(dòng)相對(duì)集中區(qū)與采掘工程位置相對(duì)應(yīng)。首采區(qū)各個(gè)地壓活動(dòng)相對(duì)集中區(qū)之間相對(duì)獨(dú)立,表示地壓活動(dòng)較弱,采掘活動(dòng)引起巖層活動(dòng)之間的相互影響小。4.3首采區(qū)段地震和地質(zhì)條件分析采用地震學(xué)參數(shù)平面震源上的平均位移和視應(yīng)力(σA),在水平面上分別繪制和lgσA的等值線圖,研究其分布特征,分析首采區(qū)段巖層應(yīng)力和變形及其強(qiáng)度分布。這里仍以2005年9月和2006年1月2個(gè)時(shí)段的地壓活動(dòng)研究為例加以討論。圖5是2005年9月首采區(qū)段的和lgσA等值線圖。從圖5(a)可以看出,井下采掘引起的位移分布靠近52與53線的回采區(qū)、盤(pán)區(qū)北部和東部區(qū)域。最大位移集中區(qū)域位于52–8#采場(chǎng)的53線頂板巖體,位移約為0.04m,其他位移區(qū)的位移都小于0.01m,發(fā)生在首采區(qū)域采掘范圍附近。這些變形與這期間采場(chǎng)頂板鑿巖和采場(chǎng)底部結(jié)構(gòu)施工以及回采爆破有關(guān)。圖5(b)表明,較大的視應(yīng)力主要分布于采場(chǎng)開(kāi)采活動(dòng)區(qū),其量值大約為5.8Pa。值得注意的是,在56線8#~10#采場(chǎng)隔離礦柱附近引起了較大的視應(yīng)力集中區(qū),量值約為8.3Pa。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn),該處掘進(jìn)巖石為有巖爆傾向的石英閃長(zhǎng)巖,地質(zhì)鉆機(jī)在此附近進(jìn)行探礦活動(dòng)。結(jié)合位移分布可以看出,應(yīng)力釋放除在很小的范圍內(nèi)引起較大位移外,在絕大部分范圍內(nèi)并沒(méi)有產(chǎn)生明顯的位移,說(shuō)明其量值并不高。56線附近局部出現(xiàn)的視應(yīng)力集中區(qū)與該處的位移發(fā)生區(qū)基本吻合,說(shuō)明有一定的位移,但位移并不大。圖6是2006年1月首采區(qū)段的和lgσA等值線圖。對(duì)比圖6(a)與圖5(a)可以看出,該時(shí)間段內(nèi)首采區(qū)段位移有兩個(gè)特點(diǎn):一是發(fā)生位移的區(qū)域縮小了,說(shuō)明位移區(qū)域發(fā)生了明顯變化;二是回采范圍發(fā)生較大位移區(qū)內(nèi)位移增大到0.046m。比較圖6(b)與圖5(b)可以看出,仍然有兩個(gè)相對(duì)較大的應(yīng)力集中區(qū),其中量值較大的集中區(qū)位于回采范圍內(nèi),但該集中區(qū)的范圍相對(duì)較小,視應(yīng)力有所下降,量值分別約為5.2和5.9Pa。回采區(qū)域應(yīng)力主要集中在采場(chǎng)位置,最大應(yīng)力集中區(qū)在有巖爆傾向的石英閃長(zhǎng)巖中。上述分析表明,通過(guò)地震位移和視應(yīng)力參數(shù)可了解首采區(qū)段巖層應(yīng)力和變形大小的變化及其分布,利用其等值線圖可以明確劃分巖層變形和應(yīng)力分布集中區(qū)域。首采區(qū)段目前應(yīng)力和位移活動(dòng)區(qū)主要分布于回采和掘進(jìn)作業(yè)區(qū)域,相對(duì)而言,位移較大的區(qū)域主要集中于回采區(qū),掘進(jìn)區(qū)位移作業(yè)一旦結(jié)束位移就停止。此外,應(yīng)力和變形是波動(dòng)的,并不是隨著開(kāi)采的進(jìn)行一定會(huì)增大,也存在減小的變化。4.4隔離礦柱巖體位移特征監(jiān)測(cè)盤(pán)區(qū)礦柱的應(yīng)力活動(dòng)和穩(wěn)定狀態(tài)對(duì)礦區(qū)安全生產(chǎn)具有重要意義。目前,采場(chǎng)回采活動(dòng)主要分布于54線隔離礦柱兩側(cè),因此有必要對(duì)54線隔離礦柱圍巖中的應(yīng)力和變形及其分布進(jìn)行研究。繪制不同時(shí)段內(nèi)隔離礦柱巖體的位移、視應(yīng)力對(duì)數(shù)lgσA、累積視體積(cumulativeapparentvolume,CAV)半徑等值線圖,分析不同時(shí)間段內(nèi)隔離礦柱巖體的應(yīng)力和變形分布。圖7為2006年6月30日前90d和前300d隔離礦柱中的位移與lgσA等值線圖、位移與CAV半徑等值線圖。從前300d的累積圖形來(lái)看,位移總量較小,最大值為0.015m。相對(duì)較大的累積位移主要分布在52–6#~52–7#采場(chǎng)和54–5#~54–6#采場(chǎng)區(qū)域,且靠近采場(chǎng)的頂板巖層,這是由該區(qū)域采場(chǎng)回采比較集中所致;另外,在采場(chǎng)的西北端開(kāi)挖及其變形引起的位移也較大。最大視應(yīng)力位于隔離礦柱的WN端,量值為5.6Pa。結(jié)合位移分布特征和累積視體積分布特征,說(shuō)明該區(qū)域巖體位移由該區(qū)域井巷圍巖應(yīng)力集中形成。從長(zhǎng)期來(lái)看,累積視體積約等于被開(kāi)挖出的巖體體積,顯然,最大累積視體積集中于回采區(qū)。從圖7可以看出,不同時(shí)間段內(nèi)位移、視應(yīng)力和累積視體積的空間和強(qiáng)度分布發(fā)生了明顯變化,到后期(前90d),隔離礦柱WN端應(yīng)力、視位移及累積視體積都減小或消失了,進(jìn)一步證明隔離礦柱WN端的地壓活動(dòng)及巖層應(yīng)力和變形是由井巷掘進(jìn)所引起。4.5采場(chǎng)開(kāi)挖引起的位移用分析隔離礦柱的方法對(duì)52–2#試驗(yàn)采場(chǎng)進(jìn)行地壓活動(dòng)研究。圖8是系統(tǒng)運(yùn)行(2005年9月1日起)30,90和300d后,52–2#采場(chǎng)縱剖面上的圍巖應(yīng)力和位移分布圖。從圖中可以看出,系統(tǒng)運(yùn)行后30d內(nèi)產(chǎn)生位移的范圍較小,且集中于采場(chǎng)的上下端;隨著開(kāi)采的進(jìn)行,產(chǎn)生位移的范圍從該位置沿底部結(jié)構(gòu)水平逐漸擴(kuò)大,但是累積位移量變化不大,量值小于0.003m。圍巖應(yīng)力變化相對(duì)比較明顯,與采場(chǎng)開(kāi)采過(guò)程密切相關(guān),隨著開(kāi)挖體積不斷增大,視應(yīng)力集中區(qū)范圍擴(kuò)大,其量值增大,但最大視應(yīng)力值并不隨其增大,相反還減小,30d為8.5Pa,90d為8.0Pa,300d為6.0Pa。從位移和視應(yīng)力變化范圍可看出,開(kāi)挖過(guò)程中巖體的狀態(tài),產(chǎn)生位移和應(yīng)力的范圍在擴(kuò)大,對(duì)周?chē)鷰r體影響在增強(qiáng)。位移和視應(yīng)力量值較小,說(shuō)明采場(chǎng)的地壓活動(dòng)較弱,采場(chǎng)的巖層是穩(wěn)定的。5開(kāi)采地壓活動(dòng)規(guī)律研究(1)冬瓜山數(shù)字化微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用研究初步揭示了現(xiàn)有開(kāi)采條件下首采區(qū)段地壓活動(dòng)的規(guī)律。研究表明,首采區(qū)段應(yīng)力和位移活動(dòng)區(qū)主要分布在回采和掘進(jìn)作業(yè)區(qū)域。(2)目前的地壓活動(dòng)主要由采掘活動(dòng)引起,各地壓活動(dòng)集中區(qū)與采掘工程相對(duì)應(yīng),在時(shí)空上隨采掘活動(dòng)的改變而發(fā)生變化