花垣县铅锌矿复杂采空区微震监测技术应用

张建国，张 君

(1.长沙迪迈数码科技股份有限公司，湖南 长沙 410083； 2.中南大学数字矿山研究中心，湖南 长沙 410083)

1 前言

花垣县位于湖南省湘西自治州，境内铅锌矿资源非常丰富，经过多年开采形成了体量巨大的采空区群，由于一直未对采空区进行处理，导致地压事故频发，地表多处出现了塌陷坑。2016年开始引入微震监测技术对地压灾害进行监测，实现地压灾害提前预警，并指导矿山企业采取合理的采空区治理措施，进而减少矿山安全事故。本文基于花垣县铅锌矿采空区的特点，利用微震监测技术[1～3]，研究复杂采空区群中微震监测应用技术，通过空间聚类与过滤等方法，进行分区监测和地压灾害预警。

2 矿区概况

花垣县铅锌矿矿体、顶板、底板、围岩属于坚硬厚层状灰岩、泥质灰岩、云质灰岩岩性综合体。但区域上岩溶较发育，在开采中和开采后岩溶发育地段可能会发生塌陷等不良工程地质问题。铅锌矿内节理及风化裂隙发育不均匀，一般在断层两旁及含矿带构造裂隙发育，在近地表岩石发育风化裂隙交互切割破碎，易产生坑道垮塌、破碎块石崩落等不良工程地质现象。由于铅锌矿体为鸡窝状，比较分散，采用的是比较简单的进路法开采或全面法开采，经过多年开采之后形成了许多大大小小的采空区，2015年国家安监总局展开了金属非金属地下矿山采空区专项普查工作，调查结果显示花垣铅锌矿5个矿区30家铅锌矿共形成2 303万m3采空区，暴露面积约218万m2。

复杂的采空区群易形成冒顶片帮、突泥突水、局部整体垮塌等地压灾害，并伴随着空气冲击波、地表塌陷和山体滑坡等次生灾害。

3 微震监测工程与地压预警技术

矿山地压活动往往以顶板垮塌、矿柱失稳、地表沉陷、围岩片帮、甚至是岩爆等形式出现，地压活动本质是由于岩石原有的应力平衡状态被打破，使得岩石出现破裂或节理断层出现滑动进行能量释放，而能量释放往往以岩石振动的形式向四周传播。微震监测的原理就是通过在岩石破裂区周围布置振动信号检波器，检测岩石弹性波初至时和能量等相关地震学参数，通过震源定位算法计算出岩石破裂源的发生位置、发生时刻、震级等参数[4～6]。矿山地压灾害的发生往往是一个岩石不断破裂累积的过程，当岩石或节理断层受到外界的应力扰动作用出现了微破裂，微破裂事件慢慢积累并贯通，进而出现更大的破裂，最终岩石出现宏观破坏，以岩石冒顶片帮、顶板垮塌、矿柱失稳、地表沉陷等形式出现。通过微震监测可实时掌握岩石微破裂的发育和活动情况，依据相关的微震分析方法可判断出监测区域内岩体灾害风险等级，进而可以指导矿山进行灾害预防措施，避免灾害的发生。依据《花垣太丰矿山有限责任公司长登坡矿区猪圈坪铅锌矿采空区治理工程安全设施设计》要求，在封堵、充填采空区的同时布置微震监测系统对相关的采空区顶板、主要巷道及其围岩进行地压实时在线监测，针对采空区、巷道垮塌等地压灾害进行预警，为矿山生产安全部门提供安全措施建议，保障人员和设备的安全。猪圈坪铅锌矿微震监测项目设计为16通道的微震采集系统，如图1所示。

图1 微震监测网络布置图

微震监测系统由微震检波器、数据采集基站、地表服务器和时间同步等设备组成[7～8]，其拓扑结构如图2所示。

图2 微震监测系统拓扑结构图

微震监测统计分析将从微震事件的“时空强”3个方面分析微震事件的主要活动区域、事件的活动强弱、爆破与微震事件的相关性等内容。图3给出了某一监测周期内微震事件空间分布图，其中圆形球体为微震事件，不同颜色代表事件先后发生的时刻，球体大小代表微震事件震级的强弱，背景为矿区工程三维模型。

对微震事件聚集区域进行分区见图4[9～10]，根据实际的微震事件分布相关性，依据聚集区域分布特点设置4个事件观察区域。

对各观察区域进行分时段数据分析统计，同时将各观察区域各时段内的微震事件数量与当天爆破事件作对比，进行分析解释。2017年7月28日～2017年8月1日爆破事件数量与各监测区域微震事件数量对比如图5所示。

图3 微震事件空间分布图

图4 微震事件空间过滤与分区图

图5 爆破数量与观察区域微震数量对比(2017年7月28日～8月1日)

2017年8月5日～2017年8月8日爆破事件数量与各观察区域微震事件数量对比如图6所示。

图6 爆破数量与观察区域微震数量对比(2017年8月5日～8月8日)

2017年8月16日～2017年8月23日爆破事件数量与各观察区域微震事件数量对比如图7所示。

图7 爆破数量与观察区域微震数量对比(2017年8月16日～8月23日)

通过爆破事件分布区域对比分析发现，爆破区域内微震事件发生数量和震级能量相对较少，微震事件的聚集区域主要集中分布在副井两侧采空区以及副井正下方的矿柱中，而这些区域为采空区治理工程内的封堵区域，目前人员和设备严禁进入。事件的聚集区域与现场观察到的地压显现区域是一致的，通过微震事件的发生规律来看，目前该区域内地压活动比较活跃，存在地压灾害风险。

图8～图10为微震事件震级云图，震级云图表征了微震事件能量的释放水平。

图8 +320m分段近震震级云图

图9 +360m分段近震震级云图

图10 +380m分段近震震级云图

目前生产爆破区域内微震事件相对较少，表明作业区域围岩比较稳定，地压灾害风险性小。通过爆破事件与微震事件的相关性分析以及震级云图分析表明，该区域内采空区顶板稳定性较弱，事件发生的外部原因为爆破扰动，内部原因则是岩体节理裂隙发育同时富含裂隙水，封堵区域内采空区上下重叠整体的结构稳定性差。

4 结语

通过对花垣县境内的铅锌矿复杂采空区进行地压灾害分析，依托现场的微震监测工程项目，结合矿区地质条件和生产活动特点，提出了采用分区观察和分区监测分析的方法解决复杂采空区群地压灾害精确预警的难题。通过微震监测空间三维显示技术、空间过滤技术、时间序列特征分析以及震级云图分析等方法对监测区域内的采空区进行时空强多角度分析，实践表明该分析方法可以很好地解决复杂采空区地压灾害监测预警的问题。