紫金山金铜矿地下开采微震活动规律研究

林喜康，游新天

（紫金矿业集团股份有限公司紫金山金铜矿，福建 龙岩 364200）

目前，对于金属矿地下开采的稳定性监测多采用应力监测、变形监测与微震监测。应力监测、变形监测技术多根据有限点的监测数据分析一定区域的岩体应力、变形状态，但监测的时效性和空间性受到了限制，无法全天候、大规模区域监测[1-4]。微震监测技术是利用岩体受力变形和破坏过程中释放出的弹性波来监测工程岩体稳定性的技术方法。由于微震信号的产生与岩体内部微破裂的萌生和扩展密切相关，因此，每一个微震信号都包含着岩体内部状态变化的丰富信息，其特点与地震波相似，微震波蕴含了大量的震源和传播介质的信息，处理后可获得震源位置、类型、能量等信息[5-19]。利用微震的这一特点，对接收到的信号进行处理、分析，可以为岩体塌方、冒顶、片帮、滑坡和岩爆等地质或地压灾害风险评估和预警提供重要的数据支撑[20]。

1 工程概况

紫金山金铜矿矿床属斑岩成矿系列-次火山高硫中低温热液矿床。铜矿体赋存于潜水面以下原生带中，为隐伏矿床，共圈定20 个矿体，其中，主要矿体5 个，铜金属量占总金属量的86.6%。矿体分布于31线～24 线，长1 400 m，宽1 600 m，分布标高主要在100～800 m。

紫金山金铜矿+100 m 标高以下矿体设计采用地下开采，生产能力达5 000 t/d。采区矿体及顶板围岩主要为中细粒花岗岩，次隐爆角砾岩，少量英安玢岩，矿石类型为原生矿。矿床工程地质条件属坚硬半坚硬块状岩类为主、局部夹薄层软弱岩石的简单类型。采区内细微裂隙和节理较发育，但以Ⅳ级～Ⅴ级结构为主，矿岩f=8～14，矿岩均属稳固。地下开采采用大直径深孔嗣后充填的采矿方法，侧向崩矿，单段最大药量达384 kg，最大单次爆破药量接近4 t，爆破振动大，频繁的炸药爆破对周围巷道及围岩造成多次扰动，影响了围岩稳定性。0～-100 m 中段二步骤矿房回采阶段，部分采场附近巷道围岩出现了不同程度的破坏现象（图1）。

图1 下盘沿脉巷道处巷道破坏Fig.1 Roadway failure at footwall along vein roadway

2 微震监测系统

2.1 微震传感器布置及数据传输

微震监测采用湖北海震微震监测系统。紫金山金铜矿采用露天-地下联合开采模式，考虑到地下与露天边坡监测需求，设计并构建了32 通道微震监测系统，包含4 台数据采集仪、1 支三向传感器和29 支单向传感器。地采微震监测系统主要布置在-100 m中段、50 m 中段、0 m 中段与100 m 中段，各中段布置1 台数据采集仪。除50 m 中段布置1 支三向传感器与5 支单向传感器外，其他三个中段均布置8 支单向传感器，微震传感器位置如图2 所示，微震监测系统框架如图3 所示。

图2 各中段传感器布置Fig.2 Sensor location of every section

图3 微震监测系统框架图Fig.3 Frame diagram of microseismic monitoring system

各中段传感器采用通信线缆与数据采集仪连接后，通过光纤汇总与井下数据中心相连，汇总后与地表服务器相连。同时，采用地表GPS 授时实现地表-地下监测系统时间同步。

2.2 地采监测系统定位误差

微震传感器的空间布置是决定微震系统监测精度的重要因素之一。微震传感器空间上应尽量包络待监测区域。采用D值准则，结合岩体P波波速5 200 m/s的测试结果，对-100～100 m 范围平行矿体走向截面的传感器定位误差和震级精度进行了分析，实现了矿体东翼蚀变岩体区域监测精度高、兼顾全局的微震监测布置（图4）。理论分析与现场定位试验结果表明，主要开采区域微震监测定位误差小于8 m，震级灵敏度接近-2.0 级，能够满足地采微震监测需求。

图4 平行矿体走向震级精度Fig.4 Strike magnitude accuracy of parallel ore body

2.3 地采监测系统定位精度检验

为综合衡量微震监测系统的定位效果，消除误差，设计3 次放炮试验。考虑4 个中段的传感器布置，于-50 m 中段正在生产的采场进行爆破，共3 个炮孔，炮孔深度2～3 m，装药量300～900 g。打孔完成后，测量炮孔实际位置坐标。每个炮孔将药卷放至孔底，正装，不堵孔，按顺序记录每个炮孔的放炮时间，放炮间隔不小于1 min。

使用GMS 软件中的波速校正功能对岩体波速进行校正，爆破校正得出的P波波速依次为4 786.57 m/s、4 126.46 m/s、4 621.14 m/s，综合分析爆破位置以及各支传感器之间的位置关系，对试验的P波波速取平均值得到校正后的波速为4 511.39 m/s，通过校正的波速定位各个爆破位置（表1）。校正波速后的定位结果表明，3 次定位误差分别为7.09 m、5.60 m 和7.50 m，定位误差均在8 m 以内，满足监测需求。

表1 爆破定位位置及定位误差Table 1 Blasting positioning position and positioning error单位：m

3 微震事件空间分布

图5 是2023 年3 月25 日—6 月2 日紫金山金铜矿微震事件空间分布特征图。图中小球代表微震事件，球的大小代表微震事件能量。监测期间共产生微震事件数量为769 个，日事件率最高为39 个/d。-125～-75 m 范围事件总数为50 个，-25～+25 m 范围与+25～+75 m 范围的事件数分别为88 个与86 个，+75～+125 m 范围事件数为52 个。-75～-25 m 范围事件总数最多为125 个。显然，微震事件主要聚集在矿体东翼，即蚀变岩体处，且微震事件聚集区域随开采深度增加逐渐向东侧扩展。垂直方向上主要集中于-50～+100 m，在距离各中段巷道较远处微震事件较零散。由此可见，微震事件空间分布特征与蚀变岩位置、开采活动范围密切相关。

4 开采扰动下微震位移场与应力场演化规律

4.1 微震事件密度分布规律

图6 是紫金山金铜矿地采-100～+100 m 范围沿矿体走向竖直截面微震事件密度云图。由图6 可知，微震事件密度较高的区域主要分布在-50～+100 m范围，-50 m 中段东7#采场顶部、0 m 中段2#采场顶板与底板处微震事件密度均较高，约为40 个/m2。除此之外，仅在-100～-50 m 范围最东侧矿体处有一定范围分布，该处微震事件密度约为25 个/m2。微震事件密度在-50 m 中段处的7#矿房处最大，达到54 个/m2，说明该处破裂活动最活跃。这是由于7#矿房两侧较大范围矿体已开采并充填，两侧充填体相对较软，仅留7#矿房为原岩矿柱，应力集中程度较高，破裂活动较活跃。整体来看，微震事件较密集的区域附近均有正开采采场分布。

图6 微震事件密度云图Fig.6 Density nephogram of microseismic events

4.2 位移与能量指数变化规律

图7 是紫金山金铜矿地采-100～+100 m 范围沿矿体走向竖直截面微震事件位移云图。由图7 可知，位移较大的区域主要集中于-50～+50 m 中段范围，最大达到2.32E-3 m。矿体走向方向上位移分布也相对较集中，最大位移区基本以-50 m 中段7#采场为中心，跨度约为80 m。与7#矿房两侧区域相比，-50 m中段7#矿房位移稍小。位移集中区分布特征与其附近是否有正开采采场无明显关系。

图7 微震事件位移云图Fig.7 Displacement nephogram of microseismic events

图8 是logE和logM关系拟合曲线图。能量指数的物理意义代表微震事件发生时震源损伤驱动应力的大小。logE最大值为3.95，最小值为-1.06，微震事件logE主要集中在-1～2 范围内。logM最大值为10.43，最小值为6.36，微震事件logM主要集中在6.6～8.5 范围内。因此，监测期内微震事件以小能量事件为主，极少数微震事件能量对数能达到2 以上。从图8 中可以看出，5 月微震事件更贴合拟合出的曲线，4 月微震事件分布在拟合出的曲线上下相对较远的位置。能量指数EI可通过该事件产生的实测辐射能量E与其相同（或相近）地震矩所有事件所释放的平均微震能的比值来获得。

图8 logE 和logM 关系拟合曲线Fig.8 Fitting curve of the relationship between logE and logM

图9 是紫金山金铜矿地采-100～+100 m 范围沿矿体走向竖直截面微震lgEI云图。与微震事件密度云图、位移云图相比，微震lgEI较大区域分布形态及范围具有明显差别。微震lgEI较大区域主要分布在-50～50 m，整体形态呈现上部中段向矿体东翼发展的趋势。lgEI最大值为0.13，主要聚集于-50 m 中段7#采场处。依据lgEI是应力下限间接估计的物理意义，lgEI越大的区域，应力也越大。因此，-50 m 中段7#采场处应力集中程度较高。由于-50 m 中段10#采场上部50 m 中段13#采场、12#采场、10#采场已开采，该区域应力向东侧转移，造成东1#采场东侧应力集中。

图9 微震事件lgEI 云图Fig.9 lgEI nephogram of microseismic event

对比应力与位移分布规律可知，7#矿房处应力、位移均较大，但与7#矿房两侧区域相比，7#矿房应力最大，但位移并不是最大。50 m 中段E1#矿房右侧区域位移相对较小，应力较大。这两处区域均呈现出应力集中，说明这两处巷道围岩发生动力性灾害的风险较高，尤其是50 m 中段E1#采场东侧巷道。-50 m 中段7#采场西侧40 m 范围处应力较小，变形较大，该处巷道发生松脱性地压风险较大。

巷道围岩破坏现场调查表明，巷道围岩发生破坏的区域与微震事件密度、应力、位移较大区域基本吻合，主要集中于50 m 中段沿脉巷道与9#穿脉、E3#穿脉交岔口，-50 m 中段沿脉巷道与7#穿脉、E3#穿脉交岔口处，巷道破坏以片帮和冒落为主（图10）。

图10 地采现场巷道围岩破裂特征Fig.10 Fracture characteristics of roadway surrounding rock in mining site

5 结论

1）矿体东翼蚀变岩体与开采活动是影响紫金山金铜矿-100～+100 m 微震事件聚集区形态、大小等特征的重要因素。微震事件主要集中于-50～+100 m 矿体东翼，微震事件聚集区域附近均有正开采采场分布。-50 m 中段7#采场微震事件密度最大，达54 个/m2。

2）开采区域微震lgEI、位移与微震事件密度云图呈明显差异性分布特征，-50 m 中段7#采场应力较高，位移相对较大，微震事件较集中，该处发生灾害风险相对较大。

3）巷道围岩破坏现场调查发现，50 m 中段沿脉巷道与9#穿脉、E3#穿脉交岔口，-50 m 中段沿脉巷道与7#穿脉、E3#穿脉交岔口巷道出现片帮、冒落等破坏现象，巷道围岩发生破坏的位置与微震位移、应力较大区基本吻合，进一步验证了基于微震应力、位移分布特征评估岩体破坏风险方法的有效性。