黄山铜镍矿30#矿体采空区顶板冒落及地表破裂规律研究

王学敏 叶尔布兰·瓦黑提 石峰

（1.新疆亚克斯资源开发股份有限公司，新疆哈密 839000；2.哈密市职业安全检验检测中心，新疆哈密 839000；3.矿冶科技集团有限公司，北京 100160）

1 引言

黄山铜镍矿初步设计推荐无底柱分段崩落采矿法作为主要采矿方法。设计生产能力为4000t/d，主要开采30#矿体。在30#矿体回采过程中易造成上部采空区空顶距过大，与32#矿体采区的空区间柱薄，可能贯通。

为了掌握采空区顶板的冒落规律和冒落范围，监测和预警采空区冒落和井下地压活动，在空区顶板冒落时对采空区进行监测，形成一套适用于黄山铜镍矿的先进、可靠、高效的实时在线监测系统。通过监测，实现对采空区顶板岩体裂隙发育规律、空区变化、潜在的危险源进行监测、预警，用于指导矿山安全生产。

鉴于以上原因，建立了微震在线监测系统，对530m、450m、350m中段岩体进行监测。在地表、井下中段共布设8个单分量微震传感器。

2 基于微震监测数据的顶板崩落规律分析

统计2020 年1 月至2021 年4 月530m 水平上覆采空区及地表附近监测到的微震事件，空间分布如图1 所示。由图可知，随着30#矿体逐渐开采完毕，530m 上覆采空区顶板不断向上崩落，目前崩落高度大约为700m，并逐渐向东南部倾斜。顶板不断向上崩落，引起地表塌陷，地表附近微震事件向32#塌陷坑倾斜。

统计监测系统自建成以来系统监测到所有微震事件，如图2所示，对顶板崩落与地表破裂范围分析，圈定崩落边界。从图可以看出，地表破裂和顶板破裂范围正在逐渐贯通，并有逐渐完全贯通趋势。矿山技术人员应加强对地表区域的监测与无人机巡查以及塌陷区的管理，禁止任何人员及设备进入地表塌陷区，保障生产安全。

图1 顶板崩落规律（2020年1月～2021年4月）

图2 顶板垮落与地表破裂范围

3 地表破裂及沉降变化分析

2020年度监测到的微震事件空间分布与地表无人机扫描结果对比分析，如图3所示。对比2020年9月与2021年2月地表无人机扫描结果，可知32#塌陷坑东南部出现新增裂缝，且原有裂缝变大（见图4），与微震事件主要分布在矿体东南部相吻合。此外，在30#矿体东北部微震事件呈条带状分布，现场观测到32#塌陷坑东部台阶下沉变大。此外，还监测到微震事件有向32#塌陷坑倾斜趋势，呈“西北低、东南高”趋势，均与地表无人机扫描结果相一致。

图3 微震事件空间分布与地表变化对比

图4 地表变化

4 微震事件b值特征分析

b值概念源于地震学，是描述震级频率中震级大小相对关系中的一个参量，表达式如下：

lgn(M)=a-bM

式中，M 为地震震级，n(M)为以该震级为中心的一定范围内某时间段内发生的地震次数。a 为某时间段内的地震活动水平，b则表征某时间段内大震级与小震级是相对占比。b 值越大，小震级事件居多。如图5 所示，为矿山某2 周时间段内b 值，为典型的G-R 关系曲线，直线为拟合曲线，圆点为实测值。该时间段内微震事件b值为1.818，较一般参考值较大，预示未来小震级事件居多，表明此状态岩体处于稳定阶段。而岩体大尺度破坏等动力灾害发生时，内部大尺度破裂逐渐增多，即微震大事件增多，导致b值下降。因此，b 值可以较好的反应岩体应力状态，可作为岩体动力灾害预警的一个重要参考值。

图5 震级与事件数关系

以每两周为统计周期，计算2020 年11 月至2021年4 月期间地表附近微震事件b 值，b 值曲线如图6所示。由图可知该期间b 值大多为参考值1 以下，数值较小，预示着接下来大震级微震事件将会占比增多，地表开裂及沉降将进一步发展，建议继续加强对地表塌陷区，尤其是32#塌陷坑东南部裂缝以及地表沉降的监测、现场无人机巡查扫描及三维模型沉降分析，加强对塌陷区的管理，保障生产安全。

图6 地表附近微震事件b值

5 结论

随着30#矿体逐渐开采完毕，530m 上覆采空区顶板不断向上崩落，目前崩落高度大约为700m，并逐渐向东南部倾斜。由于顶板不断崩落，引起地表塌陷，地表附近微震事件向32#塌陷坑倾斜。此外，对比地表无人机扫描结果，可知32#塌陷坑东南部出现新增裂缝，且原有裂缝变大，与微震事件主要分布在矿体东南部相吻合。通过分析地表附近微震事件b值，预测地表开裂及沉降将进一步发展。