某铜矿井下采空区稳定性微震活动规律研究

袁子清 崔冰 苟建会 杨亮亮

（①矿冶科技集团有限公司 北京1026281 ②金属矿山智能开采技术北京市重点实验室 北京102628③承德铜兴矿业有限责任公司 承德0672501 ④新疆亚克斯资源开发股份有限公司 哈密 839000）

1 引言

当前，采空区是国内许多矿山生产中造成灾害最主要的源头之一，对矿山人民财产与生命安全存在严重威胁，因此，对采空区稳定性进行监测与研究对矿山的安全生产有着重要意义［1-2］。近年来，很多学者对采空区探测、监测及其稳定性分析技术开展了大量研究工作，并取得了不少研究成果[3-9]。其中，微震监测技术以其非接触、实时动态、大尺度三维立体监测的优点逐渐成为当前及未来的主流监测技术，被广泛应用于矿山地压灾害的评估和预警等方面[10]。

某铜矿经过数十年开采，井下形成了南六号特大采空区，且采空区下盘围岩赋存多条断层，对采空区周边围岩的稳定性产生严重影响。为了保障矿山深部资源的安全高效开采，该铜矿引进了世界先进的IMS 公司的微震监测系统，对南六号采空区下盘空区围岩的稳定性进行动态监测。本文对采空区近1年来的微震监测数据进行了分析研究，得到了采空区围岩微震活动的时空强规律，为未来井下采空区稳定性分析及地压灾害评估与治理提供参考。

2 工程概况

南六号采空区位于东部，最大宽度达到100m，在采区33～57 线间，走向延续数百米，整体形态呈下大上小，中间被多天岩枝隔断。采空区南侧赋存F1、F2、F3 等三条断层（见图1），F1、F2 断层斜交向两侧延伸，平均宽度0.5m，F3断层距采空区相对较远。其中在37～41线之间F2断层对采空区围岩稳定性影响最大，在下三中段距离采空区最近处小于10m，下三中段主巷道顶部产生最大宽度达20mm的裂缝。

图1 下三地质平面图

3 微震监测系统简介

为了实现对南六号空区下盘围岩的动态立体监测，铜兴矿业公司在下一到下三之间布置了一套8通道的IMS 微震监测系统，其中，下一中段布置了2 个传感器（WZ-1～WZ-2），下三中段布置了4 个传感器（WZ-3～WZ-6），监测范围为33#～41 线之间，具体布置位置如下图2所示。

4 微震活动时空强规律

4.1 分析模型建立

为了准确分析南六号空区下盘围岩的稳定性，尤其涵盖下盘围岩的F2断层区域，同时，结合微震监测系统的有效监测范围及精度，建立了微震监测数据分析模型，垂直方向在下一中段～下三中段间，水平上在35～41 线间，模型尺度长*宽*高为150m*110m*120m，三维分析模型如下图2所示。

图2 微震监测分析模型图

4.2 微震活动时空强规律

为了解南六号空区下盘围岩的稳定性情况，对下盘重点关注区域近1 年来的微震监测数据进行了分析，旨在掌握其微震活动的时空强规律，为未来井下采空区稳定性分析及地压灾害评估与治理提供参考。

（1）采空区围岩微震活动时间分布规律

经监测系统统计，南六号空区下盘围岩重点监测区域近1 年来共产生微震事件568 个，从图3 近1年来的微震监测事件日小时分布图来看，微震事件主要发生在每日的3:00～4:00、9:00～15:00、17:00～23:00间，呈现一定的时间分布规律。此外，统计显示微震事件里氏震级在-5.2～-0.2之间，震级偏小，且从图4的累积视体积与能量指数曲线也可以看出，近1年来重点监测区域内没有出现能量指数快速下降且累积视体积突然显著上升的情况，因为能量指数快速下降，累积视体积持续增长，常作为岩爆和大尺度岩体破裂发生的前兆，因此，图4 说明下盘空区围岩没有发生较大垮落破坏，岩体基本处于稳定状态。

图3 微震事件日小时分布图

图4 累积视体积与能量指数时间序列曲线

（2）采空区围岩微震活动空间分布规律

图5 为微震事件的空间分布图，从图可知，微震事件主要分布在空区下盘围岩的37#～39#线间，尤其在37#线附近聚集分布，高程上主要分布下三中段上下各20 米范围内，且微震事件基本聚集在空区边界附近，说明临空区围岩产生一定的松动破坏。

图5 微震事件空间分布规律

（3）基于微震监测的采空区围岩应力位移分布规律

图6为基于微震事件的围岩应力云图，从图可看出，在F2断层走向附近能量指数相对较大，说明空区下盘F2 断层附近围岩是应力集中区域，是潜在的较大围岩破坏区域，应加强该区域的地压观测与分析。同时，从图7 围岩位移云图可看出，37～39 线附近的临空区下盘围岩变形较大，变形约20mm。且根据现场反馈，井下工人偶尔听到采空区有较小的岩石掉落声，说明空区围岩存在小规模的垮落破坏，与实际及理论情况基本相符。

图6 微震应力云图

图7 微震位移云图

5 结论

通过对铜兴矿业南六号采空区下盘围岩重点监测区域近1 年来的微震监测数据分析，得到了以下结论：

（1）南六号空区下盘围岩重点监测区域近1年来共产生微震事件568个，微震事件主要发生在每日的3:00～4:00、9:00～15:00、17:00～23:00间，呈现一定的时间分布规律。此外，统计显示微震事件里氏震级在-5.2～-0.2 之间，震级偏小，且没有出现能量指数快速下降且累积视体积突然显著上升的情况，说明下盘空区围岩没有发生较大垮落破坏，岩体基本处于稳定状态。

（2）在水平上，微震事件主要分布在空区下盘围岩的37#～39#线间，高程上主要分布下三中段上下各20米范围内，且微震事件基本聚集在空区边界附近，说明临空区围岩产生一定的松动破坏。

（3）空区下盘的F2断层附近围岩能量指数较大，应力相对集中，是未来发生较大围岩破坏的潜在危险区域，应加强该区域的地压观测与分析；而数据分析显示37～39线附近的临空区下盘围岩变形较大，最大变形约20mm，说明空区围岩存在小规模的垮落破坏，与实际及理论情况基本相符。