某深井矿山微地震活动研究

刘晓辉，武力聪，容宇

(1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083;2.云南驰宏锌锗股份有限公司会泽采选厂，云南曲靖 654211)

某深井矿山微地震活动研究

刘晓辉1，武力聪1，容宇2

(1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083;2.云南驰宏锌锗股份有限公司会泽采选厂，云南曲靖 654211)

云南驰宏锌锗股份有限公司会泽铅锌矿是我国一个千米深井矿山，其下属8号矿体采深已达1200余米，矿体赋存条件复杂，地应力高，导致微地震活动频发。本文根据微震监测数据及井下开采活动，对微震活动的时空分布、诱发模式以及预测预报进行了研究。结果表明:微震活动的时空分布主要与开采活动及地质构造有关，根据发生位置、震级大小、破坏特征可将微地震的诱发模式分为应变破裂、矿柱冲击以及断层滑移破裂三类，阐述了各自的发生机制。提出以地震学参数－活动率∑N/△t、视体积VA、能量指数EI的时间序列曲线来预测矿震灾害，并对其物理意义及破坏过程中可能出现的特征进行了理论分析，现场应用后证明:地压灾害发生前，活动率∑N/△t及视体积VA急剧增加，能量指数EI突然降低。

深井开采;微震活动;时空分布;预测预报

1 引言

随着矿山浅部资源的逐渐枯竭，深部开采将成为企业可持续发展的一种必然趋势。在深部开采过程中，必将面临着许多安全问题，而从目前国内外一些深部开采矿山的现状来看，矿山微地震是深部开采所面临的一个最为严峻的安全问题［1］。矿山微震是采掘活动引起的一种诱发地震，在区域应力场和采掘活动共同作用下，采区及周围应力处于失调不稳的异常状态，在局部地区积累了一定能量后以冲击或重力等作用方式释放出来而产生的岩层震动［2］。岩爆、垮塌等井下动力灾害均伴有不同频率不同强度的微震活动。

云南驰宏锌锗股份有限公司会泽铅锌矿是我国一个千米深井矿山，其下属8号矿体采深已达1200余米，矿体赋存条件复杂，地应力高，导致微地震活动频发。为保证井下安全高效回采，云南驰宏锌锗股份有限公司会泽铅锌矿于07年8月引进了南非ISSI公司的24通道全数字型ISS地震监测系统，应用于8号矿体开采的微震监测，实现了对深部高地应力复杂条件下的岩爆、矿震等动力灾害安全监测的基本条件［3］。

2 微震时空分布研究

会泽铅锌矿微震监测系统自2007年8月运行以来，共监测到微震事件3300余起，监测震级范围为ML=－2.0～4.0，其中最大震级为ML=2.1，最小震级为ML=－1.6，震级与事件数分布如表1所示。根据微震监测数据结合8号矿体的主要开采活动，对微震活动的时空分布特征进行了研究，为矿山安全生产及地质灾害的控制提供参考依据。

表1 微震事件震级分布

2.1 时间分布特征

微震时间分布特征研究的方法是对一定空间一定时间内发生的微震事件∑N进行统计，观察微震活动频率∑N/在时间上的变化规律，同时结合实际采掘情况，对其与开采活动之间的关系进行研究［4－5］。

ISS微震监测系统的后处理程序可直接绘制出微震活动在每日(周)内的分布直方图。如图1所示，为8号矿体开采过程中某日微震活动的分布情况，横坐标为时间，间隔长度为1小时，纵坐标为微震事件次数，左上角的颜色条表示一定的震级范围。观察发现，绝大部分事件的震级处于ML＜1.0范围内，且这些事件的微震活动在一日内存在三个峰值时期，即每日03∶00～05∶00，12∶00～14∶00，19∶00～21∶00三个时段的微地震活动较为频繁，最大可达90次/h。结合井下开采资料分析后发现，这些时段正好与采场爆破时间对应，爆破扰动诱导围岩内的预存裂隙发展、贯通，而由此伴生的微震事件也相应增多，当岩体内应力重新平衡后，地压活动趋于平静，微震活动减少，直至下一次爆破活动。观察表明:微震活动在采场爆破2h后趋于平静，因此，为保证出矿工作的安全，可将其安排在采场爆破2h以后进行。对于ML＞1.0的事件，因其发生频率很小，对其年分布情况进行研究。如图2所示，为08年内震级ML＞1.0事件的分布情况，间隔长度为1月。由图可知，此类事件的分布较随机，分布与开采活动无明显关系。

研究结果表明:震级ML＜1.0的事件在时间上的分布具有较强的规律性，且与开采过程具有较强的一致性，而ML＞1.0的事件数量很少，分布随机，与开采活动无明显关系。造成这种情况的原因可能是前一类事件与开采面的破裂变形相联系，事件发生数目是开采活动的函数，而后一类事件主要是由于地质间断面运动形成的，分布较随机。

2.2 空间分布特征

8号矿体赋存于下石炭统摆佐组上部粗晶白云岩(C1b)中，主要矿石类型为块状硫化矿石。矿体范围内共揭露断裂7条，规模较小，水平错距1～4m。图3所示为07年12月微震活动空间分布情况，图中红色锥体为传感器位置，灰色线条为地层模型，断层由红色线条标示［6－7］。观察发现，微震活动主要分布在矿体上盘，这是由于上盘C1b岩层中存在一层泥质夹层，造成了其下盘岩体形成局部应力增高现象，当开挖至岩性硬软变化部位时，硬脆性夹层内微震活动频发。同时，断层周围聚集部分事件，这是由于开采扰动激活断层产生滑移剪切形成的，这类事件往往震级较大，现场破坏也相应严重。图中圈定的两个区域为微震事件聚集区，对比井下采掘资料，此区域与正在回采的1331中段1盘区及1451中段3盘区对应，井下回采导致地压活动加剧，由此引发的微震事件增多，则形成了两个微震活动频发区。研究表明:微地震活动的空间分布与地质构造，原岩应力以及开采活动有关。

3 微震诱发模式

根据微震活动的时空分布规律及其与开采活动之间的关系，按照发生位置、震级大小、现场破坏特征等特点对其发生模式进行了分类研究。

3.1 应变破裂

应变破裂是该矿最常见的微震活动，开采扰动引起岩体局部应力集中，当巷道、硐室等开挖面周边岩体承受的应力超过其强度时，岩体内的预存裂隙将发展、贯通，直至产生塑性破坏。应变型岩爆的危险性与岩体承受的应力、岩体强度、开挖面形状和尺寸以及岩体刚度等有关［8］，其主破裂的震级(ML＜1.0)及释放的应变能一般较小，因此破坏程度有限。如图4(a)，(b)所示，为典型的应变破裂事件，聚集区为出矿道附近，开挖活动造成巷道围岩应力集中，当应力超过岩体强度时，岩体内预存微裂隙开始扩展，同时伴随有一定量的小微震事件，裂隙贯通到某一程度导致岩体塑性破坏，同时对应一个主破裂事件(ML=0.3红色球体)。

3.2 矿柱冲击

矿柱冲击也是局部应力集中的结果，但其震级(1.0＜ML＜2.0)及释放能量较大，破坏程度相对要强烈些，且与矿柱的结构参数及围岩情况有关。如图4(c)，(d)所示，图示中微震事件聚集区域为某一矿柱，其左侧矿房已回采结束，但还未来得及充填，右侧矿房正在进行回采，矿柱处于“半孤岛”状态，这样势必造成矿柱严重应力集中。在爆破等开采活动的影响下，矿柱内部不断损伤，同时伴随大量微地震事件，最终衍生为宏观失稳。

3.3 断层滑移破裂

开挖扰动引起岩体内的应力重新分布，将会激活深部断层等结构面，结构面的滑移产生较大的微震事件(2.0＜ML)，释放的应变能以地震波的形式传播到开挖表面，导致原来地质构造分割出来的离散岩块的猛烈弹射。岩块弹射的速度和可能造成破坏的严重程度与微震事件的强度和震源距开挖自由面的距离有关，节理发育的巷道周边岩块很容易发生弹射，此类破坏的能源来自远离破坏处的微震震源，破坏形式以岩体高速位移为特征［9］。如图4 (e)，(f)所示，断层F在开挖活动的影响下被激活发生滑移。同时产生大量震级较大的微震事件，这些震源辐射出的地震波与自由面上的破碎岩块叠加，使其获得一定的动能，导致岩爆的发生。

图4 微地震诱发模式

4 微地震预测研究

微地震研究的最终目的即是对井下动力灾害进行预测，为安全生产提供保障。目前微震预测的主要方法是通过对各种定量地震学参数的时间序列分析，研究参数时空变化特征，进而掌握岩体破坏的演化规律，实现预测预报的目的。会泽铅锌矿ISS微震监测系统可以实现对多种定量地震参数的快速计算，例如微震能量E，地震视体积VA，能量指数EI等。由于在微地震预测方面存在许多偶然性和不确定性，且目前关于这些参数时间序列成功应用于预测预报的报道主要体现在个别事例上。因此，需要通过井下实际地压灾害与微地震监测数据的对比研究来确定适合会泽铅锌矿的地震学预测指标。

4.1 现场监测数据

07年2月，井下开采至1331m中段的7分层1盘区，如图5所示，正在回采4号矿房，3号矿柱右侧的3号矿房已回采结束，但还未来得及充填，造成3号矿柱应力集中，片剥现象严重。图6为此区域微震监测的实际情况，自4号矿房开采以来，共收集到微震事件90余个，利用系统地震学统计软件绘制出微震活动率，累计视体积VA以及能量指数EI的时间序列曲线，如图7，图8所示。

4.2 微震活动率时间序列曲线

图7为微震活动率时间序列曲线，横坐标为日期(7－Nov～19－Dec)，间隔时间长度为1天。观察发现，11月内微震活动较均匀，虽出现过几次峰值，但总体来说事件量较少，且震级较低。而12月内的微震活动相对较为频繁，且活动率呈逐渐增高的趋势，添加趋势线且根据其增长率将其划分为3个阶段，其分别对应不同的岩体破裂阶段。A－B，预存裂隙闭合阶段;B－C，纯弹性变形阶段;C－D，裂隙贯通扩展阶段。微震活动率在12月15日附近出现急剧增加的趋势，将此突增点作为预测点，制定防范措施。井下于12月16日12:33发生垮冒，同时对应一个主破裂事件(如图6所示)震级ML=0.8，释放应变能量39300J。

图7 微震活动率时间序列曲线

4.3 累计视体积∑VA及能量指数EI时间序列曲线

图8为累计视体积∑VA及能量指数EI与时间的关系曲线，其中蓝线为∑VA，红线为EI。观察发现，曲线∑VA在07年11、12月之间共有三次突增，曲线EI有三次突减，均对应图中的A、B、C三处所示。尤其是在C处，累计视体积∑VA由3.15E－3激增到4.19E－3，而能量指数EI由0.5突减至0.25，可将其看作为矿柱破坏过程中的应变软化阶段，随着应力的减小，应变反而持续增大。12月16日，现场垮塌，冒落量达100T，由于提前预报，疏散了工作人员，未有人员损伤及设备损失。结果表明:破坏性灾害发生前，微震活动率及视体积VA突增，能量指数EI突减。

图8 累计视体积∑VA及能量指数EI时间序列曲线

5 结论

(1)微震活动的时空分布特征表明:震级ML＜1.0的微震事件与开采活动密切相关，此类事件主要与开采面的破裂变形相联系，事件发生数目是开采活动的函数;ML＞1.0的事件分布较零乱，与开采活动无明显关系，此类事件由地质间断面运动形成，数量少且分布随机。微震活动主要分布于矿体上盘及矿区断层附近，且采动范围与事件聚集区对应，开采活动是影响微震活动空间分布的重要因素。

(2)通过现场地压记录及大量监测数据，按照发生位置，震级大小，现场破坏特征等方面将会泽铅锌矿的微震诱发模式分为三类:应变破裂，震级较小(ML＜1.0)，主要发生在开挖面周围，通常以片剥，掉块的形式出现，破坏程度有限;矿柱冲击破裂，震级(1.0＜ML＜2.0)及释放能量较大，破坏相对严重;断层滑移型破裂，震级较大(2.0＜ML)，震源远离破坏处，破坏形式为松散岩体的突然冒落。

(3)根据地震学定量分析理论，提出以微震活动率，视体积VA以及能量指数EI的时间序列曲线来对微震破坏进行预测，并解释了其物理意义及岩体破裂前可能出现的特征，现场应用结果表明:破坏性地压灾害发生前，微震活动率急剧增加，视体积VA增大，能量指数急剧减小。

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Study on Microseismic Activities in a Deep Mine

LIU Xiao－hui1，WU Li－cong1，RONG Yu2

(1.School of Civil＆Environment Engineering，University of Science＆Technology Beijing，Beijing 100083，China;
2.Mine and Mineral Dressing Plant，Yunnan Chihong Zn＆Ge Co.，LTD.，Qujing 654211，Yunnan，China)

Huize Lead＆Zinc mine is a deep kilometer well in Yunnan chihong Zn＆Ge Co.，LTD.in China，in which 8#orebody＇s mining depth has reached more than 1200m.The deep ore body has complicated condition and high ground stress，which causes microseismic occuring frequently.Based on micro－seismic monitoring date and mining activities underground，the temporal and spatial distribution，induced model，prediction and forecast of microseismic activities are studied.The results show:temporal and spatial of the microseismic activities associates with mining activities and geological structure.According to occurrence location，the size of magnitude and failure characteristics，the induced model of microseismic activity is divided into three types:strain burst，pillar－foundation failure and fault slip，occurrence mechanism and degree of damage are expatiated respectively.Predicting mine quake disaster by the time series curves of miroseismic active rate(∑N/△t)，apparent volume(VA)and energy index(EI)is proposed.The physical meaning and possible characteristics in rock failure process are theoretical analyzed respectively.Field application shows:before the occurrence of ground pressure disaster occurring，microseismic activity rate(∑N/△t)and apparent volume(VA)will sharply increase，energy index(EI)quickly decrease.

deep underground mining;microseismic activities;temporal and spatial distribution;prediction and forecast

TD324+.2

A

1009－3842(2011)06－0001－06

2011－08－23

教育部长江学者和创新团队发展计划资助(IRT0950)国家自然科学基金重点资助项目(50934002)

刘晓辉(1984－)，男，四川德阳人，北京科技大学采矿工程在读博士，主要从事微震监测技术及膏体充填方面的研究。E－mail:xiaohuiliu28@yahoo.cn