基于微震监测技术的深部采场采动规律研究

杨志国,赵少儒,汪令辉

(1.中国恩菲工程技术有限公司,北京 100038;2.西北有色地质勘查局,陕西西安 710054; 3.铜陵有色金属集团股份有限公司冬瓜山铜矿,安徽铜陵 244031)

基于微震监测技术的深部采场采动规律研究

杨志国1,赵少儒2,汪令辉3

(1.中国恩菲工程技术有限公司,北京 100038;2.西北有色地质勘查局,陕西西安 710054; 3.铜陵有色金属集团股份有限公司冬瓜山铜矿,安徽铜陵 244031)

冬瓜山铜矿是目前国内开采最深的金属矿山之一,岩石具有典型的岩爆倾向性。为了掌握岩爆发生规律,并及时采取有效安全控制措施指导矿山安全生产,矿山引进了南非ISS公司的微震监测系统,实现了对采矿引起的岩体应力、应变状态的实时监测。本文简单介绍了冬瓜山铜矿首采区的地质条件、采场结构及微震传感器的空间布置。在前期处理波形和事件聚类分析研究基础上,与生产活动相对应,采用地震参数对采场开采过程中不同阶段的应力变化规律进行了对比分析研究,并结合矿山实际的破坏事件,进行了针对性分析研究。研究成果为后续相邻采场开采及隔离矿柱稳定性的控制策略等提供依据。

岩爆;微震监测;应力;地震参数;矿柱

Abstract:Dongguashan Copper Mine is one of the deepest metal mines with rockburst proneness at present in China.In order to hold regularities of rockburst occurrence and adopt effectively control measures on time,Dongguashan Copper Mine has installed an ISS microseismic monitoring system,which can make a real-time monitoring of rock mass respond to mining.In this paper firstly geological condition,mining methods and sensors layout of initial panel are described.On the base of processing events waveform and cluster analysis primarily,by uses of seismic parameters analyzing stress or strain rule of stope during different mining stages.Combined with the actual destruction of mine incidents,it is pertinence analysized. This result will provide guidance for adjacent stope mining subsequently and pillar stability control strategy.

Key words:rockburst;microseismic monitoring;stress;seismic parameters;pillar

随着经济发展对矿山资源的需求,国内外矿山开采的深度日益加剧。[1-6]国外深井矿山的数目比较多,如南非、加拿大、澳大利亚等国家,特别是南非,其开采最深,绝大多数矿山的开采深度在2 000～3 000m,一些金矿的深度超过了3 000m,如Anglogold有限公司在威特沃特斯兰德盆地(Witwatersrand basin)最深的Savuka矿深度达3 800m。加拿大的CVRD Inco的Creighto矿,Agnico Eagle的Laronde矿采深均超过了2 000m。澳大利亚目前采矿深度超千米的矿山有7座,最深的是Mount Isa地区Xstrata的Enterprise Mine,深度为1 650m。印度卡纳塔克邦的科拉尔金矿区,已有Nundydroog、Champion Reef和Mysore这3座金矿,采深超过2 400 m。国内矿山如辽宁省抚顺的红透山铜矿,开采深度1 197m;云南省会泽铅锌矿开采深度为1 009m;广东省韶关的凡口铅锌矿开采深度900m。可以预计,未来几年内我国将有一大部分有色金属矿山开采深度将达到或超过1 000m,这些矿山的进一步开采,将面临深埋高应力的问题。冬瓜山铜矿是目前国内开采最深的金属矿山之一,主矿体赋存于-690～-1 007m,-910m原岩应力测试点最大主应力值达38.1MPa,岩石具有典型的岩爆倾向性,为了掌握深部开采中岩体的应力变化规律及控制破坏性岩爆的发生,该矿于2005年8月安装了南非ISS国际公司的微震监测和控制设备,实现了对井下生产过程的实时监测,自动分析及事件的可视化。系统自安装运行以来,每天记录的事件大约有300个,其中岩体活动事件有几十个。前期对事件波形的分析方法和分类进行了研究,将各类事件按着爆破、主要地震事件、机械震动与噪声进行了分类保存。基于前期的基础工作,本文利用微震监测技术[7-13],进一步对采场不同开采条件下岩体的应力、应变规律进行了分析研究,为保证邻近采场开采及矿柱稳定性控制提供了依据。

1 采场概况及微震监测系统传感器布置

(1)采场地质条件及开采概况

冬瓜山铜矿首采区为52～58线,共划分为3个盘区,52～54线、54～56线、56～58线,52～58线依次为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ盘区,首采区52线10#采场矿体标高从-790～-730m,走向长100m,宽18m,上部为含铜磁黄铁矿、下部为含铜蛇纹岩。[14]根据采场开采及监测系统运行情况,将开采过程分为四个阶段,①采场拉底;②采场拉槽与扩槽;③采场侧崩开采(大规模爆破生产);④采场侧崩开采(仅2次爆破),具体见图1所示,图中箭头表示开采方向。

图1 10#采场开采示意图

(2)微震监测系统传感器的布置

微震监测系统设4个微震仪(Quake Seismometer)、1个转发器(Quake Seismic Repeater)、1个井下控制室(Seismic Controller)、1个地面主控制室及光缆等,共设有16个传感器,24通道。

2 采场采动规律分析研究

2.1 确定分析范围及阶段划分

为了分析采场开采对附近采场及隔离矿柱的影响,研究生产过程与产生破坏性岩爆的关系,根据10#采场开采情况,并考虑系统定位误差,确定的分析范围为:中心点坐标(Y=84301m、X= 22525m、Z=-760m),走向长度150m,倾向长度100m,中心点以上顶板岩体的高度为150m,中心点以下底板岩体高度为100m,从采场开采至2007年1月末,52#勘探线10#采场及附近采场地震事件的分布见图2。根据采场不同时间段内的生产活动情况,分析过程共划分四个时间阶段,分别为:3月1日～5月31日、3月1日～7月10日、3月1日～9月30日、3月1日～2007年1月10日。

图2 事件在采场及周围的分布及时间分布柱状图

2.2 地震事件的发生频率分析研究

从地震事件数据库可以计算得出,前两个月地震事件的数目为181次,日平均数为2次/d,如图3所示。而到了第二阶段,地震事件数目小范围增加,达到了313次,日平均数为3.3次/d。从生产活动情况来看,第一阶段主要为中深孔爆破拉底,对原岩中的应力有释放作用,产生的应力值比较大,而第二阶段主要为大孔切槽爆破,在采场中平面的影响范围减少,而主要为竖直分阶段矿体的扩槽、破顶爆破,从事件的平面分布图也可以看出,这一阶段事件数目要明显的比第一阶段少,主要分布在采场的中部,主要由于扩槽崩落过程中引起事件的发生。

第三阶段主要为-730m水平沿中心槽两侧采场侧崩爆破出矿,地震事件数目急剧增加,为1075次,日平均数为9.5次/d,是上个阶段的近3倍,表明这个阶段地震活动性最强烈,局部巷道易产生破坏。最后一个阶段,采场爆破的次数较少,只进行了两次采场爆破,日平均数1.7次/d,达到阶段最低值,对围岩体的影响较少,最近发生的事件多数是由附近54#勘探线采场的作业活动引起。由于盘区开采从52#勘探线靠近底部的2#采场开始,从地震事件的分布来看,应力逐渐向上部采场转移,临近的11#采场应力较高,而12#采场应力要小一些。

图3 10#采场开采各个阶段地震事件的频率分布

2.3 爆破次数、药量及采出矿量的对比分析研究

从爆破次数上来看,第一阶段为13次,第二阶段只有10次,而第三阶段为7次,但是从爆破所使用的药量上对比,7月份以后爆破所使用的药量要明显比第一阶段和第二阶段的多,从图4采场各个月份的出矿量情况可以看出,7、8月份出矿量要明显增加,并达到了最大值,集中爆破和矿石的大量采出,造成了岩体活动的加速,对采场右侧矿柱的影响达到了最大。最后阶段爆破次数很少,主要为靠近采场两侧矿体的爆破,最大的地震活动也在这个位置。据现场调查来看,并没有破坏情况发生,所以在当前的开采条件下,不会对52#勘探线矿柱造成破坏,而对右侧54#勘探线穿脉隔离矿柱影响要更小。

图4 10#采场各个月份采出矿量情况

2.4 位移等值线计算与分析研究

岩体活动的平均位移采用D=M/(GA)进行计算,图5～图8为位移等值线及震级ML≥-0.5事件在采场中的平面分布情况。可以看出,各个阶段开采过程中引起岩体运动位移的最大值依次近似为0.005m、0.010m、0.016m、0.020m。3月到5月位移值比较小,而且在采场中的分布差不多,与这个阶段沿着采场中心向两侧进行拉底相吻合;到第二阶段结束,位移量增加,影响范围扩大;第三阶段,位移值增加较大,最大位移值分布在53#勘探线的左右两侧,这与沿中心切槽向两侧侧崩爆破出矿相吻合,岩体活动范围增加至下部的9#采场,上部的11#及12#采场,9#采场位移值较小,最大值约为0.003m,11#、12#采场位移值分别约为0.014m、0.011m;最后一个阶段,爆破次数较少,位移变化不明显。

2.5 与现场发生破坏事件的对比分析研究

图8 3月～2007年1月的位移等值线

上述分析可以得出,第三个时间阶段反应应力水平值增大,位移扩散速度增加,事件的活动率达到最大值,表明这一阶段危险性最大,在地质构造及顶板岩性较差的地段,诱发工程发生破坏的可能性很大。而从井下生产情况来看, -670m水平中段53#勘探线穿脉巷道2006年5月至8月之间地压活动事件显现频繁,5月份部分巷道已经出现了破裂,顶板岩石片落,在8月初,则发生了较大面积的塌落。现场实地的调查来看,沿着53#勘探线巷道顶板为深灰黑色栖霞组大理岩,节理裂隙发育,方解石裂隙充填,据估算整个破坏的长度大约有50m,而且顶板垮塌的岩石块度较大,落下的岩石使经过53#勘探线穿脉巷道的微震监测系统传输铜绞线的几处折断与破损,造成了穿脉巷道硐室内微震仪QS1数据传输中断。

3 结论

本文通过对冬瓜山铜矿52#勘探线10#采场不同开采条件下岩体的应力变化规律进行了分析研究,并与矿山实际发生的破坏事件相结合,进行了对比分析,确定了对相邻采场及矿柱的影响及应力走向,可以得出,井下生产爆破频率高、一次爆破炸药量大、采出矿量的增加,会导致岩体地震活动频率增大和强度加大,位移扩散速度加剧,应力水平急剧增大,最终导致破坏事件的发生。这将对接下来邻近及其它采场的开采策略提供必要依据。

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Study on rule of mining based on microseismic monitoring in deep stope

YANG Zhi-guo1,ZHAO Shao-ru2,WANGLing-hui3
(1.China Enfi Engineering Corporation,Beijing 100038,China;2.North-west Mining and Geological Exploration Bureau for Nonferrous Metal,Xi’an 710054,China;3.Dongguashan Copper Mine,Tongling Nonferrous Metals Group Co.,Ltd.,Tongling 244031,China)

TD853

A

1004-4051(2010)02-0107-04

2009-10-26

杨志国,男,博士,2003年毕业于黑龙江科技学院采矿工程专业,主要从事深埋高应力矿床开采方面的研究工作。