矿山开采过程地压活动综合评价分析

2022-10-14 07:46吴亚飞
有色金属(矿山部分) 2022年5期
关键词:微震震级岩体

石 峰,张 达,吴亚飞,李 坤,王 平

(1.矿冶科技集团有限公司,北京 100160;2.中国—南非矿产资源开发利用联合研究中心,北京 102628;3.国家金属矿绿色开采国际联合研究中心,北京 102628;4.西部黄金克拉玛依哈图金矿有限责任公司,新疆 克拉玛依 834000)

地下矿山开采过程中,地压活动与安全生产密切相关。采矿过程中由于巷道开挖,岩体原始应力平衡被破坏,岩体应力重新分布,内部储存的能量突然猛烈释放,会发生岩爆(冲击地压)等动力灾害现象,造成严重的人员伤亡和财产损失[1-3]。随着现代社会的高速发展,对矿产资源需求不断加大,矿山开采不断向深部延伸,发生岩体动力灾害的风险随之加大。因此,必须对矿山开采过程中地压活动进行有效监测和评价分析。

岩体破坏前,会向外界释放大量信息,如弹性波、声音、热能等,包含大量破坏前兆信息[4]。微震监测技术可以很好地接收到岩体破坏时释放的弹性波,通过反演获得岩体内部损伤及裂纹发展演化过程,被广泛应用于工程安全监测中[5-7]。国内外研究学者基于微震监测技术对岩体动力灾害进行了大量研究,并取得了一定成果。唐超等[8]针对一起岩体破裂微震定位事件案例,采用震源机制解分析了岩体破坏类型及破裂面方位。魏秀琪等[9]监测隧洞开挖过程中围岩的微震信息,提出了基于微震前兆信息的岩爆要素预测方法,并对岩爆的风险、范围、等级进行了预测。陈炳瑞等[10]获取了岩土工程灾害演化过程的微震信息,自动识别岩石破裂信息,精准定位了岩石破裂震源的位置。李庶林等[11]分析了一次爆破诱发的采空区上覆岩体破坏案例,基于微震定位数据,采用矩张量理论对微震源定位事件进行了震源机制解反演。

由于不同矿山井下开采条件差别较大,地质条件复杂,采用不同参数评价地压活动差异性较大,对应力能量演化与岩体破坏关系揭示较为模糊。此外,对比各种微震参数的地压活动评价方法,主要为微震事件时空演化特征、b值、能量指数等,分析参数较为单一,而岩体破坏是一个复杂的过程,单一分析参数难以满足现场实际需求[12]。

本文以新疆某金矿为研究对象,基于微震监测系统所监测到的数据,分析微震参数的时序特征和幂律特征,揭示岩体破坏应力能量之间的关系,评估岩体稳定性,进而对矿山地压活动进行综合评价分析。

1 微震监测系统的构建

1.1 矿山概况

新疆某金矿是一个集采、选、冶为一体的黄金生产企业,位于新疆维吾尔自治区西北部,矿区地势比较平缓,北高南低,西高东低,海拔1 340~1 370 m,相对高差30 m左右。主要采用水平分层上向全尾砂胶结充填采矿法,目前主要开采中段为725、675、625、575 m四个中段,矿体处于挤压破碎带中,上下盘围岩主要由蚀变凝灰岩、蚀变玄武岩及少量石英脉组成。

矿山开拓深度已经达到1 000 m,受深部“三高一扰动”影响,井下巷道局部应力集中。此外,随着开采深度的继续增加,地压活动更加明显,地压问题直接影响了矿山安全开采。针对上述问题,建立实时在线地压监测系统,对地压活动进行分析评价尤为重要。

1.2 监测方案设计

基于该金矿地质条件、地压活动主要显现区域、开采计划等因素,采用IMS微震监测系统,建立了24通道地压监测系统,监测范围包括725、675、625、575 m四个中段,具体传感器布置如图1所示。针对目前传感器位置布设,采用IMS可视化软件JDI进行定位误差及灵敏度分析,如图2所示,可知定位误差在10 m左右,灵敏度在-2.6矩震级左右,监测系统设计方案较好地满足了矿山地压监测需求。

图1 监测台网布置Fig.1 Layout of the monitoring station network

图2 定位误差及灵敏度分析Fig.2 Analysis of positioning error&sensitivity

1.3 定位结果验证

监测系统建成后,通过定点放炮的形式,对比爆破点实际空间坐标和系统监测到爆破事件空间坐标,最终标定出符合矿山实际地质特点的P波、S波波速。波速校正后,再次采用定点爆破的方式对波速校正结果进行验证,如表1所示,事件定位误差为3.9 m,校正后的波速完全满足监测要求。

表1 验证爆破定位结果Table 1 Blasting positioning results

2 基于微震参数的地压活动规律研究

巷道围岩的大范围破坏实质是岩体内部微小裂隙不断扩展、汇合的结果,微震事件可以较好地反映岩体内部裂隙发展过程,分析微震各参数演化特征,反映矿山地压活动规律,评估岩体稳定性状态。

2.1 微震事件空间分布特征

采矿活动中,岩体内部产生应力集中而破坏,微震事件空间分布特征可以较好地反映岩体应力集中区域。统计2019年1月至2019年11月期间微震事件,空间分布如图3所示,事件球体颜色表示微震事件发生时间。总体上采场西侧微震事件较多,其中14~18线微震事件较为集聚,与该期间矿山生产集中区域相吻合,表明该区域岩体应力较为集中,其他区域由于开采作业强度较小,微震事件数量较少且分布较为分散。

图3 微震事件空间分布Fig.3 Spatial distribution of microseismic events

2.2 岩体变形分析

通过监测到的微震事件计算岩体位移变形,该监测期间各中段14~18线微震事件较多,针对微震事件集聚区域进行变形分析。如图4所示,725、675 m中段16~18线之间位移变形较大,最大变形量为6.47 mm。结合微震事件空间分布特征,划定725、675 m中段16~18线为地压活动显现区域,该区域与开采作业面分布位置、开采强度等相关,开采作业活动对地压活动影响较大。

图4 岩体变形云图Fig.4 Cloud chart of rock mass deformation

2.3 微震事件时间序列特征

该期间微震事件累积曲线如图5所示,其中下方曲线为单位时间内微震事件数量,即微震事件活动率,上方曲线为累积微震事件曲线。岩体发生破坏时,内部新增大量新裂隙,表现为在短时间内微震事件数量迅速增长。由图5可知,2019年1月至2月期间微震活动率较弱,随后活动率有小幅度上升;3月至5月期间微震活动率逐渐下降,活动率较弱且较为平缓;5月至6月期间微震活动率出现了数次较大增长与下降,微震活动率整体处于较高水平,岩体内部不断出现能量的集聚与释放,当岩体内部储存能量达到一定程度时,岩体将发生破坏,内部能量及时释放。

图5 微震事件时间序列Fig.5 Time series of microseismic events

2.4 能量指数与累积视体积时间序列特征

微震事件能量指数EI定义为某事件所产生的实际辐射微震能量E与该区域所有事件的平均微震能E(M)之比,计算公式如下[13]:

能量指数越大,岩体内部储存的能量越大,岩体发生破坏的可能性越大。岩体发生破坏时,内部储存的能量得到快速释放,能量指数迅速下降,即能量指数的迅速下降可作为岩体发生破坏的前兆信息。

视体积可以用地震矩与静态应力降计算,公式如下:

式中,M为震级,σA为视应力,μ为刚度,在微震分析中,累积视体积曲线变化通常被认为是岩体发生应变的累积变化。

能量指数和累积视体积的变化特征可以反映岩体内部受力状态,能量指数增加并伴随着累积视体积的缓慢增加表示应变硬化过程,能量指数的下降并伴随着累积视体积的快速上升表示应变软化,岩体进入不稳定状态。

图6为累积视体积与能量指数变化曲线,2019年3月初累积视体积出现小幅度上升现象,岩体内部产生大量新裂隙,出现裂隙汇合现象。现场表现为岩体小范围破坏,体积变大导致累积视体积出现小幅度上升。能量指数呈周期性“上下跳跃”变化,与矿山开采呈周期性特点相吻合。累积视体积整体变化较为平缓,能量指数未出现突然下降现象,地压活动整体处于稳定状态。

图6 能量指数与累积视体积时间序列Fig.6 Time series of energy index and cumulative apparent volume

3 微震参数的幂律特征分析

两个参量之间的幂律关系表现为一条斜率为幂指数的直线。研究表明,微震能量E与震级M的对数之间存在幂律关系,地震学上的地震能量与地震矩对数回归曲线为一条直线,计算公式如下:

式中,E为能量,M为震级,c反映岩体受力水平,d反映岩体视在刚度。

图7为监测时间段内微震能量与矩震级对数分布曲线图,可知微震能量与矩震级对数呈明显幂律关系,微震能量随矩震级增大而增大。此外,应力水平(y轴截距)随拟合曲线斜率的增加而减小,即微震活动减弱。应力水平是表征破坏源应力释放的参数,与岩体视在刚度密切相关,岩体刚度越大,破坏过程中释放的能量越大。本周期拟合曲线c为-11.9,d为1.73,c、d值均较小,即岩体受力水平和视在刚度均处于较低水平,岩体不会发生大尺度破坏。

图7 微震能量与矩震级的对数曲线Fig.7 Logarithmic curve of microseismic energy and moment magnitude

图8为监测周期内某月微震事件震级与事件频次关系曲线,可知震级较小事件线性特征并不明显,震级较大事件线性特征较强,直线斜率的绝对值即为幂指数。地震学中,震级大于M的地震数目N可由下式计算:

图8 震级与事件频次关系Fig.8 Relationship between magnitude and event frequency

式中,a为地震活动性参数,b为一段监测时间内大震级与小震级相对占比,该监测区域内微震事件b值演化规律如图9所示。b值呈整体下降趋势,表明微震事件中震级相对较大事件逐渐增多,主要为开采强度的不断增强所致,岩体释放的能量不断增加。但各月b值均大于参考值1[6],b值较大,未来一段时间内微震事件以小震级事件为主,岩体局部发生小范围破坏,整体处于稳定状态。

图9 微震b值时间序列Fig.9 Time series of microseismic b-value

4 基于微震参数的地压活动综合分析

基于微震各参数分析结果,对矿山地压活动进行综合评估分析,具体如下:

1)微震事件活动率出现数次大幅度上升与下降,岩体内部不断出现能量的集聚与释放,岩体内储存的能量可以不断得到及时释放,岩体内部不会存储较大能量。

2)能量指数没有出现突然下降现象,且累积视体积没有出现迅速上升现象,表明岩体内部裂隙还没有完全融合贯通成较大破裂面,岩体外部没有出现较大变形。

3)微震能量与矩震级的对数较好地表现出幂律特性,岩体受力水平和视在刚度均较小,即潜在危险区域岩体相比于周围其他岩体刚度较小,震源区单位体积岩体弹性变形能释放较少。

4)微震b值均大于参考值1,b值相对较大,未来一段时间内微震主要以震级相对较小事件为主,现场表现为岩体出现局部小范围破坏。

对比微震各参数分析结果,揭示了岩体内部应力能量演化规律,对地压活动进行综合评价分析,即矿山地压活动趋于稳定,未来不会发生较大地压活动。

5 结论

本文以某金矿为研究对象,基于微震监测技术,分析矿山开采过程中各微震参数演化规律特征,对地压活动进行综合评价分析,主要得出以下结论:

1)微震事件的空间分布特征较好地反映了矿山实际开采情况。微震事件主要分布在14~18线之间,与矿山生产集中区域相吻合,其中16~18线变形较大,与开采作业面分布位置、开采强度相关,矿山开采对地压活动影响较大。

2)微震能量与矩震级对数呈明显幂律关系,拟合曲线的斜率和截距表示岩石的视在刚度和受力水平。对于震级较大微震事件,微震事件震级与事件频次线性关系明显,直线斜率的绝对值为幂指数,可以表征不同震级微震事件占比情况。

3)通过分析微震事件活动率、能量指数、累积视体积、受力水平、视在刚度和b值,有助于掌握地压活动规律,预测地压发展趋势,对矿山地压活动进行综合评价分析,分析得出矿山地压活动趋于稳定。

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