基于微震监测数据的矿山地压活动分析
2023-08-04李玉娟杨云琛吴爽刘强
李玉娟 杨云琛 吴爽 刘强
（1.矿冶科技集团有限公司，北京 102628；2.云南迪庆有色金属有限责任公司，云南香格里拉 674400）
普朗铜矿采用自然崩落法进行回采，矿石崩落后长期堆积在底部结构之上，造成底部结构岩体产生变形破坏。由于赋存多条贯穿采区的断层，在构造应力的共同作用下，底部结构局部巷道围岩与矿柱地压问题凸显[1-4]。为此，普朗铜矿在底部结构建立了一套包括微震监测系统，同时配合钻孔应力单点监测，多尺度掌握底部结构地压状态。通过地压监测数据的处理，结合现场生产与地压状况，为矿山编排出矿作业计划提供参考[5-8]。
1 矿山概况
1.1 采矿方法
普朗铜矿设计矿石生产规模为1250 万t/a。一期首采中段为3720m，即开采3720m 标高以上的矿体。采用平硐开拓，中段采用无人驾驶有轨电机车运输。3720m 标高为出矿水平，矿石经铲运机出矿进入溜井，下到有轨运输水平。3670m 标高为有轨运输水平，采用沿脉装矿、环形运输，设计运输车辆为40t 电机车双机牵引10 辆20m3底侧卸式矿车。矿石经电机车矿车运到地下破碎站，经破碎后，由胶带送到选矿厂。
1.2 地压状况
开采过程中，底部结构应力集中且受断层影响，岩体破碎严重，巷道与支护结构出现变形。从现场巡查情况来看，采区底部结构S1～S7穿脉东西两侧地压显现，特别是断层揭露区域围岩破坏变形严重，S1～S5 西沿多条穿脉出现顶板沉降、片帮、底鼓等不同程度的变形破坏。
1.3 地压监测系统概况
矿山在井下建立了一套微震监测系统，在井下3720m 出矿水平的N4、N1、S3、S6、S9等5个穿脉内布设24 个传感器，在3660m 水平在1#、3#运输巷布设8个传感器。同时在3720m 出矿水平N3、N2、S2、S4、S5穿脉内针对性的布设钻孔应力计，实现点面结合、多尺度协同的矿山地压监测系统。
2 微震监测数据处理
微震监测系统监测到震动信号后，需要对震动波形进行鉴别和处理。震动信号中除爆破信号与微震信号外，还存在诸多干扰信号，主要为机械振动信号、电流干扰信号等，需要对爆破信号与微震信号波形进行鉴别，图1 为典型矿山爆破与微震信号波形。信号识别后，到时拾取是事件定位的关键，通常采用能量法中的长短时窗比法（STA/LTA）进行到时拾取，STA指信号在固定长度的短时窗，LTA指长时窗中的平均值，用二者比值来描述该段信号的振幅即能量的变化情况，比值突变点认定为震动信号的到时点，经计算后获得精确定位的微震事件。
图1 典型矿山震动波形
3 地压活动分析
将定位后的微震事件导入矿山三维模型，结合现场生产作业与岩体实际情况，对矿山底部结构地压情况进行分析，为矿山编排出矿计划提供参考。
3.1 底部结构微震监测数据分析
以普朗铜矿3720m 水平为中心，向上下各30m建立底部结构分析模型，分析底部结构区域微震事件时空演化规律。图2 为2022 年7 月与8 月底部结构监测到的微震事件空间分布情况，上述两个月微震事件分布区域相似，由于8 月微震监测系统断电，监测到的微震事件数量有所减少。7 月与8 月主要位于N3～S2 穿脉W9～E1 进路与S6～S9 穿脉W9～W5进路，西侧出矿作业与各穿脉1#溜井溜矿作业诱发了大量的微震事件，采区中部与西部微震事件较少。该情况与矿山雨季管控期间，东部区域大量出矿，而雨季管控区出矿量较少相一致，微震事件时空分布反映了底部结构生产作业情况。
图2 微震事件空间分布
为更准确的分析底部结构微震事件的空间分布规律，平行于穿脉方向将底部结构每隔30m 进行划分，统计每个分区内的微震事件数量。如图3所示，8月～9 月N3～S3 之间、S6～S8 之间穿脉微震事件较多，与现场出矿作业地点相吻合。采区S2穿脉以北区域与S6 穿脉以南区域整体上地压状况良好，S2～S5 穿脉地压问题相对突出，特别是西侧区域进路围岩严重变形，需继续做好危险区域管控。
图3 底部结构各穿脉内微震事件数量分布
3.2 底部结构应力监测数据分析
微震监测数据反映了底部结构岩体的宏观破裂情况，钻孔应力数据代表了具体位置的精确受力状态。图4 为S2 与S5 穿脉钻孔应力测点的应力值曲线，S2、S5 穿脉测点基本均在7 月～8 月未出矿区域，因此应力值变化幅度不大，S2-E7测点应力值处于持续的波动状态，S5-E19 测点应力值在8 月初呈现1MPa 上下的波动，表明以上两测点所在矿柱出现破裂情况，岩体仍处于不稳定状态。
图4 钻孔应力计监测数据
3.3 出矿作业建议
根据7 月～8 月地压监测数据与现场实际生产状况，采区S2 穿脉以北区域与S6 穿脉以南区域整体上地压状况良好，8月后若无大规模降水情况下可以加大出矿量；S2～S5 穿脉地压问题相对突出，断层交汇区域仍处于不稳定状态，需缓慢加大出矿量。编排出矿计划时应在时间与空间上梯度增长，不可在长期未出矿的区域突然大量出矿，否则将打破已形成的相对平衡稳定的矿岩结构状态。
4 结论
（1）采用长短时窗比法对矿山震动波形进行鉴别和处理，获得精确定位的微震事件并导入矿山三维模型，结合现场生产作业与岩体实际情况，可以对矿山地压情况进行实时分析。
（2）微震事件时空分布反映了普朗铜矿底部结构生产作业情况，S2 穿脉以北区域与S6 穿脉以南区域地压状况良好，S2～S5 穿脉地压问题相对突出，需继续做好危险区域管控。
（3）地压状况良好区域可以加大出矿量，断层交汇区域仍处于不稳定状态，需缓慢加大出矿量，编排出矿计划时应在时间与空间上梯度增长。
