基于微震监测的地压灾害预警参数分析研究①

2022-03-19覃敏，刘畅

矿冶工程 2022年1期

覃敏，刘畅

（1.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南长沙410012； 2.金属矿山安全技术国家重点实验室，湖南长沙410012）

岩体差异性和复杂性使得岩体在失稳破坏时具有一定先兆特征，之后在岩体与外在环境的相互作用下诱发形成地压灾害。原岩状态下矿体、围岩体受到采掘扰动，其承载的应力场会重新分布，局部或区域位置产生应力集中，积聚的弹性能超过极限时岩体就会产生应变、变形，诱发微破裂，直至开裂、失稳及破坏等，形成一系列能量释放的宏观表现形式。

地压灾害不可能完全消除，只能进行预防和控制，预防地压灾害的有效手段是现场监测。监测方式主要有应力监测、位移监测、声发射监测和微震监测［1］。微震监测技术目前处于快速发展和相对成熟的阶段，已在多个矿山得以应用［2-6］。

本文基于云南驰宏锌锗股份有限公司下属麒麟厂已建成的微震监测系统，建立有效微震事件库，依据地压活动性预警原则，结合开采实际，对微震时间序列、空间分布与演化、定量地震学参数等指标进行统计、分析与研究，确定麒麟厂范围内多参量预警阀值，以实现地压灾害监测预警的目标。

1 麒麟厂微震监测台网布置

云南驰宏锌锗股份有限公司会泽矿业分公司始建于1951 年［7］，麒麟厂是其下设矿山之一。麒麟厂主要采用竖井开拓，提升井1＃竖井和2＃竖井组成井下二段竖井接力提升系统。 1＃竖井为混合井，采用塔式提升，位于矿山厂和麒麟厂中间，井口地表标高+2 538 m，井底标高+1 677 m。井下与1＃竖井连接的主运输中段为1 751 m 中段，连通2＃盲竖井。 2＃盲竖井亦为混合井，井口标高+1 750.6 m，井底标高+961 m，开拓深度超1 500 m。随着矿山不断向深部延伸，地应力不断增大，导致井下地压活动日益显现，多处出现了片帮冒顶、巷道挤压变形、岩爆等现象。为了对地压灾害进行监测和预警，在麒麟厂1 751～1 031 m 水平建立了1 套38 通道的微震监测系统［7］。该系统由7 台数据采集仪（包括3 台8 通道的数据采集仪和4 台4 通道数据采集仪）和32 个传感器（包括3 个三分量传感器和29 个单分量传感器）组成。

2 基于微震的地压活动性预警原则

参考国内外科研工作者地震⁃微震⁃声发射研究成果［8-9］，并结合监测实践，基于微震地压活动性预警的原则为：

1）时间序列。一定区域、一段监测时间内微震事件的能级与频次持续高于平均值或快速上升，且无明显交替释放过程，可定义为活跃期，需要进行预警。

2）空间分布与演化。一定时间区间、区域内微震事件的能级与集中程度快速上升，可定义为活跃区域，需要进行预警。

3）定量地震学参数。根据具体指标参数变化，拟合现场地压显现记录，首先总结高低值特征，其次总结其变化规律，提出相应的预警阀值。

多参量预警在现场应用中很容易发生冲突，造成顾此失彼或以偏概全，为保证预警指标结果一致性、提高预警准确性与效率，原则上，时间序列、空间分布与演化、定量地震学参数三者中任一指标触发阀值，综合预警，现场可能会发生地压灾害。

3 麒麟厂地压灾害多参量预警规律分析

3.1 建立有效微震事件数据库

作为后续基于微震监测地压活动性分析基础，有效微震事件库中的数据连续性至关重要。保证其连续性根本且唯一的方法是维持当前微震监测系统的主结构完整、分支单元运行正常。其次，为了尽可能提高有效微震事件库可靠性，微震监测系统台网布置中传感器位置及其密度都有较高要求，理论上形成包络状椭球体，从而达到精确控制误差、剔除误差置信区间外的微震事件数据库［10-11］。包络状椭球体误差控制模型如图1 所示，麒麟厂数据筛选对比如图2 所示。 2018年7 月1 日～10 月9 日期间，有效微震事件库基本情况为：筛选前有效微震事件411 次，筛选后有效微震事件402 次；振级M为-2.40～0.30，地震矩对数（lgM）为7.7～10.6，能量对数（lgE）为1.2～5.2。

图1 包络状椭球体误差控制模型

图2 微震事件监测数据筛选

3.2 筛选后有效微震事件统计

振动能量是描述矿岩体失稳的弹性能释放强度及应力场迁移演化规律的常见强度参量；振级是以其包含的部分体积波的振幅来表征振动尺度的常见参量。本文根据处理后的微震事件库从振级和振动能量两个指标进行统计分析，初步判定矿山地压活动状况。麒麟厂微震事件分级统计结果见表1。

表1 麒麟厂微震事件能量与振级分级统计结果

由表1 可知，麒麟厂整体地压活动事件能级较小，所占比例较大，相对较大事件（M≥0）数量较少，仅占3.48%；从辐射能量方面来看，整体上以小能量事件为主，主要分布在100 ～100 000 J 区间，占91.54%，较大辐射能量事件（E≥10 000 J）占27.61%，其中辐射能量E≥100 000 J 的事件6 次。麒麟厂范围内的微震事件呈一般微震强度特征。

3.3 时间、空间和强度因子的演化规律

3.3.1 时间序列及其强度因子

岩体破裂事件与矿山生产活动息息相关，每日的采掘活动直接影响到矿山微震事件的活动情况，通过掌握微震事件每日的振动频率和振动能量意义较大。麒麟厂范围内微震事件累积释放能量与频次统计分析结果如图3 所示。由于能量区间差别较大，能量因素采用对数处理。

由图3 可知，该时间区间内，麒麟厂日累积释放能量平均水平为10 000 J，日频次平均4 次，结合时间序列分布，能量与频次总体变化较为平缓（变化区间较小，除部分空值外），呈交替状时间分布，根据活跃期判定，2018 年7 月9～11 日、7 月23～25 日、7 月27～29日、8 月5～8 日处于微震活动活跃期，需加强监测与安全巡视，甚至实施地压控制等措施。

图3 麒麟厂日累积释放能量与频次统计分析

时序集中度用来衡量微震事件在时间序列中的活动强度。在有效监测时间内，微震事件振动越频繁，即时序越集中，则发生地压灾害的可能性越大；反之，可能性越小［9］。定义时序集中度指标为：

式中ΔT和Var（T）分别为时间区间内相邻微震事件发生时间间隔的平均值和方差。Q时＝0 表示周期性产生微震事件；0 ＜Q时＜0.5 表示准周期性产生微震事件；0.5 ≤Q时≤1 表示以平稳的齐次泊松方式产生微震事件；1 ＜Q时＜+∞表示以丛集方式产生微震事件。根据实验室试验以及现场应用实例，试件塑性破坏、现场岩体失稳往往发生在时序集中度Q时＞1 时，因此评价时间序列强度因子时，时序集中度Q时处于明显高值区时，现场需进行预警。计算时序集中度如图4 所示。

图4 麒麟厂时序集中度分布

从图4 可以看出，2018 年9 月底出现指标峰值，10 月初也出现高值区，根据预警原则，预计后续时间区间会出现时间集中度的丛集过程，即现场地压显现可能性较大。

3.3.2 空间演化及其强度因子

利用微震监测系统软件，对麒麟厂采集的有效微震事件从空间分布角度研究其活动变化过程，便于掌握矿山地压活动的显现位置规律。麒麟厂微震事件空间分布演化过程如图5 所示。

由图5 可以看出，时间区间内微震事件主要分布在深部1 211～1 091 m 中段，1 571 m、1 751 m 中段仅7 月份监测到有效微震事件，分布离散；较大微震事件主要分布于1 151 m 和1 211 m 中段。结合矿山生产实际情况，微震事件的集中程度与对应中段相吻合。

图5 麒麟厂空间分布演化过程

空间震中程度用来衡量微震事件在三维上的活动强度。在固定三维空间方位内，微震密集分布时，微震活动性强，地压灾害可能性大，如果正常离散分布，则微震活动性弱，地压灾害可能性小。定义震源集中程度指标Q空为：

式中λ1，λ2，λ3均为协方差矩阵的特征根。Q空越小，椭球体越小，表征微震事件集中程度越高，微震活动性强，地压灾害可能性越大；反之亦然。根据实验室试验以及现场应用实例，试件塑性破坏、现场岩体失稳往往发生在震中集中程度Q空低值区，因此评价空间集中度因子时，震中集中程度Q空处于明显低值区，即Q空≤100 作为预警阀值，现场需进行预警。根据以上定义的空间演化强度因子数学模型，由麒麟厂有效微震事件库计算震中集中度，结果如图6 所示。

图6 麒麟厂震中集中度分布

从图6 可以看出，在2018 年9 月底、10 月初Q空出现低值区，根据预警原则，预计后续时间区间有可能会出现地压显现问题。

3.3.3 地震学参数分析

b值反映微震事件库中较大能级事件所占比例大小，b值越大，能量较大事件所占比例越小；反之所占比例越大［9］。对麒麟厂范围的a、b进行计算统计，拟合计算结果如图7 所示，变化曲线如图8 所示。

图7 麒麟厂总体a、b 值

图8 麒麟厂b 值变化曲线

由图7 ～8 可以看出，在此监测时间区间内，麒麟厂总体a＝3.480 5、b＝0.407 1，大部分b值皆低于总体b值，但交替状明显，其中8 月中下旬、9 月上旬、9 月下旬、10 月上旬呈低b值特征，表征麒麟厂范围内在该时间区间地压显现可能性相对较大。结合现场采掘与地压显现情况，确定麒麟厂b≤0.20 为预警阀值。

βn值反映矿山监测区域内一段时间中微震活动率的变化情况。βn越大，表征微震活动率大，微震诱发地压灾害可能性也就越大。对麒麟厂范围在该时间区间内的βn值进行计算，变化曲线见图9。

由图9 可以看出，βn高值区主要集中在2018 年7月份，说明在该时间段微震活动率较大，地压显现可能性较大。结合现场采掘与地压显现情况，确定麒麟厂βn≥1.5 为预警阀值。