复杂多重采空区处理过程微震动态监测分析

谢九敬, 彭府华

(1.洛阳栾川钼业集团股份有限公司, 河南 洛阳市 471500；2.长沙矿山研究院有限责任公司湖南 长沙 410012；3.国家金属采矿工程技术研究中心, 湖南 长沙 410012)

0 引 言

我国大多数金属矿山都不同程度的受到采空区的影响，特别是一些经过几十年开采的老矿山，比如广西大厂矿务局、栾川钼矿、厂坝铅锌矿、广东大宝山矿和贵州开阳磷矿等。大规模未处理采空区的存在严重影响了矿山的安全生产，主要表现为采空区失稳导致地表塌陷、井下采空区大规模失稳可能引起井下产生高压气浪，威胁作业人员和设备的安全、大量积水的老采空区失稳还可能引起井下突水事故等。因此，国内外专家对采空区的研究做了大量的工作，主要包括采空区的安全评价、采空区空间精确探测、采空区稳定性监测和采空区治理等研究[1￣3]。采空区的稳定是开展生产和研究工作的前提，因此，如何监测采空区稳定性是矿山生产和研究工作的重中之重。微震监测技术是目前岩体灾害监测最为先进且有效的手段，被广泛地运用在各个方面，比如矿山采空区稳定性监测、矿震和深部岩爆监测、煤矿冲击地压监测、残矿回采稳定性与应力重分布监测、边坡稳定性监测、大爆破及余震监测和矿山大范围岩移监测等[4￣8]。

洛阳栾川钼业三道庄露天矿是世界著名的钼钨生产基地，钼钨地质储量达20亿t，三道庄矿床厚大集中，埋藏浅，具有很好的地下开采条件。三道庄矿区一直以地下采矿为主，从1990年代初开始，矿山为了合理回采资源，开始由地下转露天开采，到目前为止，形成了30000 t/d的露天生产规模。三道庄矿区历史上经过几十年的地下开采，在露天境界下方分布着面积达120万m2，体积1800万m3的地下复杂采空区。这些采空区部分是1980年代民采风潮中由个体民采形成的，有的是由1990年代地下采矿形成的，由于受无序开采等历史原因影响，采空区分布极为复杂，再加上受采空区分布特征资料的缺失和采空区自身破坏等因素影响，大部分采空区界限与边界未知且发生了变化，导致采空区空间之间结构力学体系极其复杂[9]。为方便对三道庄露天矿的生产管理，采用分区、分期的方式进行空区处理和生产，将三道庄露天矿分A、B、C、D、E、F 6个采区，其中D区采空区分布量多且复杂，受采空区影响最为严重，在之前的生产过程中曾经发生过数次事故。比如，2007年，对采空区进行处理过程中，在D区1438水平纵13线附近发生了大范围塌方，塌方面积达到9000 m2，塌陷深度约71 m。2007年以后，在其周边又陆续进行了多次采空区处理，也发生了多次垮塌，最终形成的垮塌面积达到了约2万m2。从2006年到2010年，在纵15线到纵17线间，采空区先后发生了数次塌陷，面积约为1.5万m2。采空区诱发的这种大范围台阶垮塌可能性很高，由此给作业人员和设备带来了很大的安全隐患，严重影响和制约了矿山的可持续发展[10]。为了消除这种潜在的安全隐患，矿山与长沙矿山研究院合作，2011年在D区建立了一套全数字型多通道微震监测系统，实现了对采空区稳定性的全天候、实时和立体监测。

本文针对复杂多重采空区处理稳定性问题，对1350采空区爆破处理前后微震事件动态演变特征进行分析，为采空区处理过程提供了安全保证，同时，为矿山下一步采空区处理积累了经验，也给其它类似矿山提供了参考。

1 D区开采历史与采空区特征

D区井下基本按照1180中段、1260中段和1317中段进行开采。 1317中段采用房柱法,浅孔凿岩爆破，1260中段和1180中段采用分段空场法,中深孔凿岩爆破，中段之间留有20 m的水平矿柱。1317中段分为1340、1350、1360和1376四个分段，采用浅孔爆破，采高为8～10 m，空区跨度15～30 m。由于分段高度只有10～16 m，因此各分段之间顶底板厚度仅为5～6 m，导致1317中段采空区相互采透贯通现象较多。1260中段分为1260、1280、1300三个分段，采用中深孔爆破，采高为10～15 m，各分段之间顶底板厚度约为5～10 m。但是由于该部分矿体品位较高，在各分段采场回采结束后，对各分段间的水平矿柱全部进行了回收，这样就形成了标高从1260 m到1310 m，高度达到50 m的采空区。1180中段分为1180、1192、1205和1223四个分段，同样对1118中段各分段之间的水平矿柱进行了回收，导致形成了标高从1180 m到1250 m，高度达60 m的采空区。在采矿后期，又对1260中段部分底柱进行了回收，从而使得1180中段与1260中段部分上下贯通，形成了1180 m到1310 m的大采空区。

根据现有的采空区资料和后期钻孔探明的采空区，D区共有13层空区，从上到下依次为： 1376,1350,1345,1340,1317,1300,1280,1260,1223,1205,1192,1180和1151空区。其中1180,1205,1223,1260,1280,1300空区之间的水平矿柱已经回收，由此形成了从1180 m到1310 m，高度达130 m，长约540 m，宽约20～40 m，体积约为400万m3的特大型采空区。D区采空区赋存现状如图1所示，采空区特点见表1所示。

2 微震动态监测分析

2.1 微震系统简介[11]

D区建立的微震监测系统为井下和地表联合监测系统，系统为48通道，由地表露天台阶18通道和井下30通道组成。井下传感器布置在1160 m和1070 m水平，地表传感器布置在1350 m左右，这种布置方式能够实现D区上部和深部采空区的全方位立体监测。井下信号由光缆传输至地表监控室，地表信号采用无线传输，这种传输方式可以实现微震信号的实时监测，同时，该系统具有对微震事件的精确定位和强大的后处理功能。微震系统基本结构组成如图2所示。

图1 D区采空区的分布

2.2 采空区处理与微震监测方案

根据三道庄矿区内各采空区的赋存特点及其相互关系,结合生产、安全的需要，对地下空区进行分区中深孔或深孔爆破处理。本文以1350空区处理为例，针对1350空区特点，在保证采空区顶板至台阶顶面厚度不小于最小安全厚度的前提下，利用台阶坡面为自由面，用中深孔爆破处理采空区，见图3。1350空区第一次处理区域为横13～9线，纵ⅩⅧ～ⅩⅨ线之间，穿孔台阶为1390水平与1378,1366水平。穿孔区总面积11621 m2。第二次爆破处理区域为横7～9线，纵ⅩⅧ～ⅩⅨ线之间，穿孔台阶为1390水平、1366水平与1354水平，爆破区总面积9275 m2。采空区处理位置与D区传感器位置关系如图4和5所示。由图6和图7可以看出，目前已有的传感器可以实现对1350空区处理前后的全天候、实时和立体监测。

表1 采空区特点

图2 微震监测系统基本结构组成

图3 采空区处理方法示意

2.3 采空区处理前后微震事件动态变化分析

1350空区两次处理时间分别为2013年5月16日和2013年7月4日，图8为微震系统实时监测图。从图可以看出，爆破后，微震事件开始密集增加，这段微震事件密集时间在爆破后2 h内，说明爆破后2 h内是岩体破裂活跃期。

图4 空区处理位置与传感器位置的平面关系

图5 空区处理位置与传感器位置的立体关系

图6 采空区爆破处理实时监测结果

2.3.1 微震非定位事件动态变化分析

距离1350第一次空区处理区域相对较近的为地表d-6传感器，图7是爆破处理前后d-6传感器微震事件变化趋势图，可以看出，爆破前微震事件水平很低且变化很小，爆破当天微震事件突然增加，并到达峰值，之后开始下降并恢复到相对平稳水平。距离1350第二次空区处理区域相对较近的传感器为27#，图8是27#传感器7月份微震事件水平变化趋势，可以看出，在爆破当天微震事件达到峰值，之后迅速下降，但是从8号开始，微震事件水平开始重新升高，并在12号达到峰值，之后迅速下降并回复到正常水平。

图7 1350空区第一次处理附近传感器微震事件变化趋势

图8 1350空区第二次处理附近传感器微震事件变化趋势

图9是2013年5月份到8月份所有传感器微震事件变化趋势，它反映的是D区整体地压发展变化情况。可以看出，在5月份空区处理后，微震事件水平突然增加，之后恢复到相对稳定水平，但是该平均事件水平比爆破处理前明显要高，6月份微震事件水平维持在该变化水平。在7月4号空区处理后，7月份有两三次地压相对活跃期，经过7月份的调整后，8月份地压恢复到5月份爆破处理前微震事件水平。

2.3.2 微震定位事件动态分析

图10和图11分别是2013年5月份到8月份岩体破裂定位事件平面图和立体图，定位事件一共21个，2013年全年岩体破裂定位事件为35个，其中5月份～8月份事件占全年的60%。并且出现了一个明显的定位事件聚集区域，聚集区域为26#、27#传感器附近。由此可见，1350空区爆破处理后，在应力重新分布过程中，发生了较大规模的岩体破裂和垮塌，这是由于空区处理过程中的爆破震动以及爆破后的碎石堆积可能会加剧下部采空区顶板和矿柱的压力，另一方面空区爆破处理后原有的采空区结构发生变化，岩体中应力会重新分布，应力重分布后可能会导致新的采空区发生失稳破坏。

图9 所有传感器微震事件变化趋势

因此，从爆破前后微震事件变化趋势可以看出，爆破区域附近传感器微震事件在爆破后达到峰值，之后迅速下降，经过应力重分布等调整后，恢复到正常水平。这样一个调整过程可能持续几天到一个月不等，并且在这个调整过程中很有可能出现局部岩体破裂和垮塌的现象。因此，在日常空区处理过程中一定要密切关注传感器微震事件水平，要对微震事件动态变化特征进行分析，只有当微震事件恢复并保持在相对稳定的水平才可以解除对处理区域的警戒。

图10 2013年5月份～8月份岩体破裂定位事件平面分布

图11 2013年5月份～8月份岩体破裂定位事件立体分布

3 结 论

(1) 详细阐述了栾川钼矿D采区开采历史和采空区特征，介绍了针对该采空区群建立的微震监测系统，并描述了1350空区处理方法及空区处理区域与传感器位置关系。

(2) 通过对1350空区处理过程的实时监测发现，爆破后2 h内是岩体破裂的活跃期；采空区处理区域微震事件水平在爆破后突然增加，经过几天到半个月时间的调整后恢复到稳定水平；在爆破后应力调整和重分布的这段时期内，局部采空区可能会出现较大规模的岩体破裂和垮塌。

(3) 目前已经建立的多通道微震监测系统，可以保证对D区采空区处理过程的全天候、实时和立体监测，为矿山的安全生产起到保驾护航的作用。

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