微震事件的多参数信息监测岩爆技术研究

2014-03-04尚仕科张苏闯袁本胜

有色金属（矿山部分） 2014年6期

尚仕科，张苏闯，王平，袁本胜

（1．中矿金业股份有限公司，山东招远265400；2．北京矿冶研究总院，北京102628）

中金玲南金矿围岩主要由蚀变矿化程度不同的黄铁绢英岩和黄铁绢英岩化碎裂岩组成，其稳固性较差。同时矿体位于靠近主裂面的糜棱岩、断裂带中心部位，岩石较破碎，易发生坍塌、冒顶、掉块现象。而且随着回采深度的不断增加（目前开拓深度已超过1 200m），回采过程中常伴有岩爆现象，岩爆诱发的动力灾害已经严重制约了矿山的安全开采。因此，对玲南金矿深部开采的岩体稳定性的判断、评估和预报就显得尤为重要。

针对玲南金矿深部开采过程中存在的岩爆灾害，在深部易发生岩爆的潜在危险区内布设传感器，通过微震监测系统获得微破裂的多种参数信息［1－8］，对掘进和回采过程中的岩爆活动规律进行综合分析。本论文研究微破裂获得的多种参数信息包括微震事件时间和空间分布规律、微震事件震级与频率关系分布和能量地震矩分布规律等。

1 微震监测系统的构建

1．1 井下微震监测台网的建设

本文采用南非IMS高精度监测系统，该系统是一套具备在线微震数据采集、自动处理、人机交互分析的数字化、智能化、可视化的岩体稳定性监测设备。其硬件组成主要包括传感器、模拟滤波预处理接线盒、数据采集模块GS及其UPS电源、单端口及四端口的DSL调制解调器、数据控制服务器等。

根据玲南金矿地压显现及传感器的台阵精度分析，最终传感器布设在18中段、20中段、22中段、24中段、26中段和30中段，共设有7个数据采集基站和25个传感器。

图1 微震数据采集系统服务器安装Fig．1 The server installation of seismic system

图2 传感器现场安装图Fig．2 The installation of sensors

1．2 微震监测台网的定位精度分析

微震监测系统的定位精度直接决定了岩体稳定监测的准确性。为了验证本系统的定位精度，在位于20～22中段之间的21中段，选择一处进行定点爆破试验。

通过将实测坐标与爆破定位结果计算出的坐标进行对比分析，测定的平均定位误差为5．8m。该结果证明了该微震监测系统的传感器空间布置合理，定位精度能够满足矿山微震监测的需要，达到了预期的效果。

表1 定点爆破定位结果验证表Table 1 The results acquired by fixed－point blasting

2 基于微震监测事件的多参数信息的岩爆监测分析研究

通过研究回采过程中的微震事件的多参数信息，如微震事件分布规律、微震事件震级与频率关系和能量地震矩分布规律等，对岩爆活动规律进行综合监测分析。

2013年7月1日至2013年8月26日期间，该矿的出矿区主要集中在18和20中段，同时22中段正处于掘进阶段。本论文以此时间段18至22中段生产中的微震监测数据为研究对象。

2．1 基于微震事件分布的岩爆监测分析

对2013年7月1日至20日和2013年7月21日至8月26日的微震事件分布关系进行对照分析研究。7月1日至8月26日微震事件分析图如图3所示。根据图3可得出以下分析结论：

1）7月1日至20日和7月21日至8月26日的事件统计分布可以得出，微震事件的时间分布与现场爆破时间分布一致，都集中在2点至7点和15点至19点。因此可以得出，大部分微震事件都是由于爆破引起的，而在非爆破事件中由采动诱发的事件很少。

2）根据7月1日至20日和7月21日至8月26日的事件三维分布，可以得到爆破震动诱发微震事件的区域，且此区域表明22中段的掘进爆破更易诱发周边微震事件的产生。

3）在18至22中段，7月21日至8月26日的微震事件分布要明显少于7月1日至20日和7月21日的事件，表明18至22中段的出矿并未造成事件的聚集，不易诱发岩爆灾害。

综上所述，根据微震事件位置、时间等分布规律，可以很好地对岩爆进行监测。

2．2 基于微震事件震级频率关系的岩爆监测分析

大量统计表明，矿山开采诱发的地震事件与天然地震遵循同样的规则，两者都服从古登堡—里克特的频度震级关系［9］。

式（1）中n是大于等于震级m的地震数目，a、b为参数，其中参数a为地震活动性水平量度，而参数b通常接近于1，描述了在给定时间内小震次数与大震次数的相对数。式（1）中的b值可以对微震事件集合内部结构的调整变化进行反映，通常表现为发生大震与小震数目比例的变化关系。大量研究表明，地震发生前b值要比余震的低，因此作为识别前震的b值，也可以用作对井下岩爆的监测。利用b值对岩爆进行监测可以狭义地理解为：b值减小表示微震群体内大震数目的增加，发生岩爆的可能性较大，反之亦然。

图3 7月1日至8月26日微震事件分布Fig．3 The analysis of seismic event from July 1to August 26

根据7月1日至20日和7月21日至8月26日两个阶段的微震事件震级—频率分布规律，拟合得出此两个阶段的b值分别为0．991、1．66。

根据两个阶段的b值变化情况可以看出，在7月1日至20日b值为0．991，较一般的参考值1略低，预示着未来一段时间较大微震发生数量可能会增加，然而在7月21日至8月26日阶段b值为1．66，大于一般参考值1，b值并没有延续上一个阶段呈现减小趋势，预示未来一段时间发生较大微震的可能性很小。综上所述，未来一段时间内发生岩爆动力灾害的可能性不大。

2．3 基于微震事件能量地震矩的岩爆监测分析

大量微震事件能量与微震矩（体变势）之间的统计关系，与应力和应变曲线关系类似。因此，可以根据微震事件能量和地震矩统计的线性拟合关系，即E－M的斜率d值，对岩爆进行监测。d值可以反映震源区域的刚度情况，较大的d值表示岩体刚度大，发生脆性破坏（岩爆）的可能性较大。

根据7月1日至20日和7月21日至8月26日两个阶段的微震事件能量—地震矩分布规律，可得出两个阶段的E－M的斜率d值分别为2．81、2．14，d值呈现减小的趋势，表明研究区域岩体的刚度呈下降趋势，未来一段时间发生岩爆的可能性较低。

2．4 微震监测事件多参数信息的岩爆监测分析研究

需指出的是，单独利用微震事件单个参数信息对岩爆进行监测分析，都存在相对应的局限性，如强剪切区的某一区域微震事件存在“停滞”［10］，即此高应力集中的过程微震事件并不表现聚集的动态变化，即此情况并不能简单用微震事件分布规律进行解释。同时，微震事件震级频率关系（b值）、微震事件能量地震矩关系（d值）都是建立在统计学的基础上，利用其对研究区域岩爆进行监测的准确性取决于历时统计的长短性。

基于上述分析，本论文通过综合利用微震事件分布规律、b值（微震事件震级频率关系）和d值（微震事件能量地震矩关系），综合对玲南金矿18～22中段7月21日至8月26日掘进和回采过程中的岩爆进行监测分析，分析结果表明掘进和回采在未来一段时间并不会受到岩爆动力灾害，此分析结果在现场得到了很好的验证。