基于微震监测的浅埋矿山地压活动规律研究*

李 江 江文武 湛可庆

(1.新疆煤炭设计研究院有限责任公司；2.江西理工大学应用科学学院；3.上海鹏旭信息科技有限公司)

基于微震监测的浅埋矿山地压活动规律研究*

李 江1江文武2湛可庆3

(1.新疆煤炭设计研究院有限责任公司；2.江西理工大学应用科学学院；3.上海鹏旭信息科技有限公司)

我国民采矿山的矿体埋藏浅、空区分布复杂，地压灾害事故时有发生。针对传统地压监测手段存在的缺陷，将微震监测系统应用于浅埋矿山，并对地压活动规律及灾害预测进行研究。结果表明，微震监测系统能够三维实时反应井下地压活动状况，据此可有效识别和圈定地压活动风险区域，对于矿山安全生产具有一定的参考价值。

微震监测 浅埋矿山 地压活动规律

传统地压监测手段的监测范围较小，地压活动反应的敏感度低，无法实现实时监测和风险预警[1-4]。近年来，随着计算机技术、地球物理学和量化地震学的快速发展，微震监测技术在国外特别是南非、加拿大等国的深井矿山中得到了广泛应用，在我国也越来越受到企业和政府部门的重视。对于微震监测技术的应用，大都侧重于高应力的深井硬岩矿山，而对于岩体完整性较差的浅埋矿山，应用成果较少。为此，以我国某民采矿山为工程背景，以微震监测技术为手段，开展浅埋矿山的地压活动规律研究。

1 矿山概况

某矿山浅部距地表仅约50 m，早期存在严重的民采现象，已有80多a的开采历史，目前矿区已开拓676，616，556，496，448，388，328，268，208 m共9个中段，中段高60 m。388 m中段以上为平窿开拓， 328，268 m中段为盲竖井开拓，采矿方法主要有留矿法和阶段空场法。采空区规模达380万m3(大部分地表崩塌充填，现余空区60万m3)，受矿区地质构造发育及开采欠平衡等因素的影响，近年来采区地压活动较为明显，地压活动主要集中于西部矿区、中部矿区，地压活动以巷道等工程变形、局部地段出现裂缝和底板下沉等形式为主，构造带有明显的错动，已对矿区的安全生产构成了威协。

2 微震监测系统架构及风险预测理论

2.1 微震监测系统架构

整个IMS微震监测系统共有18台检波器，其中三通道检波器3台，268，388，496 m中段各1台，单通道微震检波器15台，每个中段各5台，共计24通道。5个微震采集站，其中496 m中段有2个微震采集站，388 m中段有2个微震采集站，268 m 中段有1个微震采集站，5个微震采集站的所有微震数据将传输至388 m中段变电硐室的同步数据输出中心，通过多端口的专用数据调制解调器，由光纤收发器通过光纤传输至监控中心的微震服务器，如图1所示。

图1 矿山微震监测系统构架

2.2 风险预测理论

在地震学的相关理论中[5-6]，视体积和能量指数是描述地震孕育过程的2个重要参数，经常用来描述地震发生前岩体的变化规律。由岩石力学理论可知，岩石在接近破坏时，变形增长加快而应力增长减少；在峰值后区，应力随变形的增长而下降。根据岩石的失稳理论，岩石进入非稳定阶段后，应力下降越快，岩石失稳破坏越严重，同理也可通过累积视体积与能量指数随时间的变化获取地压灾害发生前的信息与规律。由于能量指数与微震事件发生时震源的驱动应力成比例关系，在此，能量指数可以表征岩体所受的应力状态，而视体积可以表征岩体移动变形特征。累积视体积与能量指数随时间的变化规律图可以看作由微震事件计算所得的岩体应力应变曲线，当某时刻视体积突然增加，同时伴随能量指数的快速下降，则预示着该区域岩体存在失稳的风险。此外，一般矿岩失稳前，该区域对应的地压活动频繁，微震事件数呈急剧增加的趋势，且同时伴随能量的释放也出现突增的现象。

3 监测结果分析

图2为388 m中段累计事件云图，图中388 m中段地压活动(即微震活动)区域主要集中于矿体西部，微震活动与采矿活动关联性较高，微震监测期间，在388 m中段安排生产的采场有8#～12#线的3102S，3810S，1812采场以及2#～4#线的124，102采场，临近388 m中段的328 m中段安排生产的采场有8#～12#线的3812S，1812采场，2#～4#线的124采场，以及0#～3#线的301S，313S采场。由于该类采场的采矿活动破坏了相邻围岩的平衡状态，促使采矿作业点相邻围岩应力转移，诱发新的岩体裂隙并扩展，直至围岩达到新的平衡状态。由此可知，形成微震活动的聚集区即为地压活动的活跃区域，其中以2#～4#线的124采场相邻区域微震活动最为活跃，8#～12#线的3102S，3810S采场的相邻围岩区域次之，这也说明，采矿活动引起2#～4#线的124采场相邻区域应力集中现象明显。

图2 388 m中段累计的事件密度云图

由图2(b)可知，388 m中段微震事件累计10个月时，328～388 m中段对应的124采场呈现明显的微震事件聚集区，该区域岩体稳定性的发展趋势将影响后续该相邻区域的安全生产，有必要对其进行风险分析预测。

2012年12月和2013年1月对应的328～388 m 中段124采场相邻区域的事件统计结果见图3。图3(a)显示，在2012年12月，124采场产生的单日事件数总体较少，为3～4个，但由2013年1月5日开始，该区域产生的单日事件数明显增加，且连续数日均保持10个事件数，这表明在这段时间内，该区域的地压活动频繁，见图3(b)。

图3 微震事件柱状图

另外，累积视体积与能量指数、施密特数关系曲线图也显示：在2013年1月8日前后，累计视体积存在明显的徒增现象，同时能量指数、视体积快速下降，这预示着124采场附近区域岩体破坏明显，岩体进入非稳定状态，岩体存在失稳的风险。此外，结合能量释放量与时间的变化情况可知，在2013年1月1日时，该区域岩体储存的应变能得到了突然释放(图4)，这说明该区域岩体存在一定程度的破坏，稳定性降低。

图4 能量释放与时间的关系

上述微震监测获取的各项指标，均预示着井下124采场相邻区域存在较大的失稳概率，2013年1月9日系统便在该区域发出了风险预警，在发出预警后的第4天，井下328，388 m 中段的124采场矿柱破坏，124采场几百平米区域全部垮塌，顶板冒落已波及至地表，形成较大的冲击地压，如图5所示。在后续几天内，该区域对应的单日事件数仍较大，尤其是2013年1月17日—19日，累计视体积仍然呈现出陡增现象，这主要由于前期的大规模岩体冒落诱发相邻岩体二次应力调整，新裂隙产生或裂隙进一步扩展贯通，导致了局部二次岩体冒落。

图5 388 m中段124采场地压活动引起的岩体破坏情况

4 结 论

(1)微震监测系统能够全面有效地监控矿区井地压活动状况，从三维空间角度实时记录和跟踪井下矿岩在采矿活动扰动下岩石微破裂的萌生、发育和扩展的趋势，从而有效识别和圈定逐渐形成的岩石微破裂聚集带和地压活动风险区域，为深入揭下示井下地压显现规律，矿岩失稳渐进破坏过程和发生的条件提供依据。

(2)浅埋矿山在岩体失稳前，微震事件的活动日趋频繁，如微震监测指标呈现出如下特征时，岩体失稳的概率较大：①对应区域产生的单日微震事件数明显增加，连续数日达到7～10个；②在该时间段内，岩体累计的应变能释放量呈陡增趋势；③累计视体积呈快速增大趋势，同时能量指数呈快速下降趋势。

[1] 杨承祥，罗周全，唐礼忠.基于微震监测技术的深井开采地压活动规律研究[J].岩石力学与工程学报，2007，26(4)：818-524.

[2] 赵兴东，石长岩，刘建坡，等.红透山铜矿微震监测系统及应用研究[J].东北大学学报：自然科学版，2008，29(3)：399-402.

[3] 袁节平，胡静云，周爱民，等.柿竹园多通道微震监测系统的建立及应用研究[J].矿业研究与开发，2010，30(6)：12-14.

[4] 刘晓辉，吴爱祥，王春来，等.云南会泽铅锌矿微震监测系统应用研究[J].金属矿山，2010(1)：151-154.

[5] 唐礼忠.深井矿山地震活动与岩爆监测及预测研究[D].长沙：中南大学，2008.

[6] 杨承徉.深井金属矿床高效开采及地压监测控制技术研究[D].长沙：中南大学，2007.

Research on the Earth Pressure Activity of the Shallow Buried Mine Based on Microseismic Monitoring

Li Jiang1Jiang Wenwu2Zhan Keqing3

(1. Xinjiang Coal Design and Research Institute Co., Ltd.; 2.College of Applied Science,Jiangxi University of Science and Technology; 3. Jiangxi Pengxu information and technology Co., Ltd.)

There private mine in our country with the characteristics of shallow ore mines, empty area distribution complex, the ground pressure disasters happen occasionally. Aiming at the shortcomings of the traditional press-monitoring tools,the microseismic monitoring system mining is applied to the shallow buried mines, the law of earth pressure activities and disaster prediction are researched. The research results show that, the overall situation of ground pressure can be showed in real-time with three-dimensional form, on the basis of the situation, the ground pressure risk areas are identified and delineated effectively. The research results in this paper can provide reference to ensure mine safety production.

Microseismic monitoring, Shallow buried mine, Law of earth pressure activity

*国家自然科学基金项目(编号：51004007);江西省教改课题项目(编号：JXJG-12-81-1)。

2015-01-15)

李 江(1978—)，男，高级工程师，博士，830091 新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市。