基于微震监测的地压活动时空分布研究基于微震监测技术的深井开采地压活动规律研究

基于微震监测的地压活动时空分布研究基于微震监测技术的深井开采地压活动规律研究

1研究对象近十年来，随着数字技术、计算机科学、地球物理和量化地震学的快速发展，微地震监测技术在国外，尤其是在南非和加拿大的深井中得到广泛应用。我国也有少数矿山开展矿山地压活动的微震监测,如门头沟煤矿于20世纪80年代就采用波兰SYLOK微震监测系统进行地压活动的监测,兴隆庄煤矿于21世纪初采用澳大利亚研制的地震监测系统、凡口铅锌矿于2004年引进加拿大ESG微震监测系统[2~6]进行地压活动的监测。当前,我国矿山进入深井开采已呈必然趋势,为实现安全生产,开展基于微震监测技术的深井矿山岩体破坏和地压活动规律研究显得迫切而重要。冬瓜山矿床赋存于-690~-1007m,主井深度为1120m(+95~-1025m),具有原岩应力高(38MPa)、岩温高(39℃)、存在岩爆倾向等复杂开采技术条件,是国内目前开采深度达到1000m的大型深埋铜矿山之一,属典型的深井开采矿山。为保证矿山高效安全开采,“十五”期间,“深井岩爆与地压监测及控制技术研究”课题组引进南非ISS微震监测系统,建立了以微震监测为主的岩爆与地压综合监测系统,开展对岩体应力活动的动态实时监测,采集岩体活动的振动波形数据,进行地震学处理、分析和可视化研究,初步揭示了矿床因开采引起的岩体应力活动和变形规律。2地震活动参数大量研究资料表明,岩体在破坏之前,必然持续一段时间以声波的形式释放积蓄的能量。矿床开采活动在岩体中引起弹性变形和非弹性变形,在岩体中积蓄的弹性势能在非弹性变形过程中以震动波的形式被逐步或突然释放出去,这种能量释放的强度,随着结构临近失稳而变化,导致岩体内部发生微震(microseismos,MS)事件。这种通过分析微震事件产生的信号(位置、震级等参数)特征,推断开挖过程中的岩体状态和矿岩的力学行为,估测矿岩是否发生破坏,以实现防止、控制或预测潜在的不稳定岩体,从而避免危险事故发生的技术,称为微震监测技术。微震信号的特征取决于震源性质、所经岩体性质及监测点到震源的距离等。描述微震事件采用定量地震学方法。在震源周围布置一定数量的传感器,组成传感器网络,当岩体内出现微震时,传感器即可将由岩体内部破坏处所产生的应力波信号拾取,通过多点同步数据采集测定各传感器接收到该信号的时刻,连同各传感器坐标及所测波速代入非线性方程:式中:tj为在测点j所观测到事件的P波或S波的到时时间,t0为该事件的未知震源时间,Tj(h)为P波或S波传播到第j测点的未知传播时间,LOCj(x)为观测到时时间tj与计算到时时间t0+Tj(h)之差。通过求解5个以上方程构成方程组的唯一解,可确定震源的时空参数,达到定位之目的。矿床开采活动产生应力集中。要监测岩体对开采的反应,就必须连续不断地在时间和空间上量化描述应力和应变状态流动变化的参数。地震事件分析是对出现于一定体积∆V和一定时间∆t内的许多地震事件数量和强度的分析。常采用4个独立的地震活动参数(ΣE,ΣM,)的对数形式对地震活动进行量化和定义。其中,为事件间的平均时间,为相临事件之间的平均距离(包括震源大小),ΣM为地震矩的和,ΣE为发射能量的和。由这4个基本量可以推得十几个地震参数,如地震应变εs、地震应力σs、视体积VA、地震Schmidt数Scs等。这些参数描述了同震变形及其相关的应变率、应力和流变特性的统计特性。与本文相关的主要参数和公式为式中:m为震级;E为发射的地震能(J);σA为视应力(Pa);µ为震源处的平均位移(m);A为震源面积(m2);c3为尺寸因素,且c3≈2;G为刚度;M为地震矩(N·m)。3系统的控制和组成冬瓜山微震监测系统由硬件和软件组成。硬件系统包括地震传感器(sensor)、数据采集单元地震仪(quakeseismometer,QS)、井下通信控制中心(seismiccontroller)、地面监测控制中心、终端用户计算机及通讯电源电缆。软件系统包括控制和管理微震监测系统的运行控制软件(RTS);对采集的波形进行地震波波形分析、处理和参数计算,提供地震学分析平台的地震学分析软件(JMTS);以及在三维窗口中显示对采集地震数据分析的各类图像,提供多种参数的时间序列曲线和图表,满足不同空间和时间范围地震活动研究需要的微震事件可视化解释分析软件(JDI)。微震监测系统组成与结构如图1所示。该系统由16个传感器、4个QS、1个地震仪转发器(QS_Rep)、1个地下控制器、1个地表监测控制中心及与之相连的通讯电缆组成。每个QS连接4个传感器,其中3个为一维传感器,1个为三维传感器。各传感器采集地震模拟信号通过QS转换为数字信号传输到井下通信控制中心,再通过光缆传输到地表监测控制中心进行处理和分析。该系统的有效监测范围为600m×400m×220m,矿床首采区域震源定位误差<10m,系统灵敏度为-2.0里氏震级。4地压活动规律的研究4.1全尾砂胶结充填采矿场分布冬瓜山矿床首采区段用阶段空场嗣后充填采矿法开采。矿体缓倾斜,沿矿体走向划分盘区,盘区之间暂留隔离矿柱,其宽度为18m。沿盘区长度方向划分采场,矿房采场长82m,矿柱采场长78m,采场宽均为18m。先采矿房,后采矿柱,矿房采场采用尾砂胶结充填,矿柱采场用尾砂充填。首采区段划分4个盘区,盘区和采场分布见图2。2004年开始回采,至2006年9月,52–2#,52–6#,52–8#采场已回采结束,但尚未充填。虽然采动范围大,但采空区体积较小且相对孤立。回采区域主要集中于1#~2#盘区南端,掘进工作主要是矿体上部的凿岩硐室施工和矿体底部的巷道掘进和拉底工程施工。4.2地压活动相对功能区由于矿山在不同空间区域和时间段进行不同工序的开采活动,为揭示地压活动的时空变化规律,有必要进行地压活动的时空特征分析[10~15]。结合矿山实际开采情况,按月划分时间段进行地压活动分析。这里仅以2005年9月和2006年1月的地压活动分布及其集中区圈定来说明研究过程和结果。图3(a),(b)分别是2005年9月微震事件空间三维分布透视图及其水平投影图。采用系统中JDI软件在图3中对首采区域地震事件进行地压活动集中区圈定,图3(c)给出首采区地震事件及其空间范围,图3(d)为地压活动相对集中区在水平面上的投影范围(线圈所围区域)。从图中可清晰看出地压活动相对比较集中的区域,集中区较小且比较分散。图中球体表示地震事件,球的位置为地震震源位置,球的大小为地震矩对数,球的颜色由深到浅分别表示地震事件发生的先后时间。一个地震事件也可由像素点、圆圈、砂漏等符号表示,其大小可由不同的地震参数如震级、地震矩、震源半径、视应力、释放的能量等多种参数表示,同样,球体的颜色亦可用于表达其他地震参数。采用同样的方法可获得2006年1月的地压活动相对集中区的空间分布及其在水平面上的投影范围。把2005年9月和2006年1月的地压活动相对集中区重叠后如图4所示,其中2005年9月的地压活动相对集中区范围线用实线表示。显然,地压活动相对集中区发生了明显的变化。对比井下采掘活动记录可知,地压活动相对集中区的变化与井下采掘活动紧密相关,各地压活动相对集中区与采掘工程位置相对应。首采区各个地压活动相对集中区之间相对独立,表示地压活动较弱,采掘活动引起岩层活动之间的相互影响小。4.3首采区段地震和地质条件分析采用地震学参数平面震源上的平均位移和视应力(σA),在水平面上分别绘制和lgσA的等值线图,研究其分布特征,分析首采区段岩层应力和变形及其强度分布。这里仍以2005年9月和2006年1月2个时段的地压活动研究为例加以讨论。图5是2005年9月首采区段的和lgσA等值线图。从图5(a)可以看出,井下采掘引起的位移分布靠近52与53线的回采区、盘区北部和东部区域。最大位移集中区域位于52–8#采场的53线顶板岩体,位移约为0.04m,其他位移区的位移都小于0.01m,发生在首采区域采掘范围附近。这些变形与这期间采场顶板凿岩和采场底部结构施工以及回采爆破有关。图5(b)表明,较大的视应力主要分布于采场开采活动区,其量值大约为5.8Pa。值得注意的是,在56线8#~10#采场隔离矿柱附近引起了较大的视应力集中区,量值约为8.3Pa。经现场调查发现,该处掘进岩石为有岩爆倾向的石英闪长岩,地质钻机在此附近进行探矿活动。结合位移分布可以看出,应力释放除在很小的范围内引起较大位移外,在绝大部分范围内并没有产生明显的位移,说明其量值并不高。56线附近局部出现的视应力集中区与该处的位移发生区基本吻合,说明有一定的位移,但位移并不大。图6是2006年1月首采区段的和lgσA等值线图。对比图6(a)与图5(a)可以看出,该时间段内首采区段位移有两个特点:一是发生位移的区域缩小了,说明位移区域发生了明显变化;二是回采范围发生较大位移区内位移增大到0.046m。比较图6(b)与图5(b)可以看出,仍然有两个相对较大的应力集中区,其中量值较大的集中区位于回采范围内,但该集中区的范围相对较小,视应力有所下降,量值分别约为5.2和5.9Pa。回采区域应力主要集中在采场位置,最大应力集中区在有岩爆倾向的石英闪长岩中。上述分析表明,通过地震位移和视应力参数可了解首采区段岩层应力和变形大小的变化及其分布,利用其等值线图可以明确划分岩层变形和应力分布集中区域。首采区段目前应力和位移活动区主要分布于回采和掘进作业区域,相对而言,位移较大的区域主要集中于回采区,掘进区位移作业一旦结束位移就停止。此外,应力和变形是波动的,并不是随着开采的进行一定会增大,也存在减小的变化。4.4隔离矿柱岩体位移特征监测盘区矿柱的应力活动和稳定状态对矿区安全生产具有重要意义。目前,采场回采活动主要分布于54线隔离矿柱两侧,因此有必要对54线隔离矿柱围岩中的应力和变形及其分布进行研究。绘制不同时段内隔离矿柱岩体的位移、视应力对数lgσA、累积视体积(cumulativeapparentvolume,CAV)半径等值线图,分析不同时间段内隔离矿柱岩体的应力和变形分布。图7为2006年6月30日前90d和前300d隔离矿柱中的位移与lgσA等值线图、位移与CAV半径等值线图。从前300d的累积图形来看,位移总量较小,最大值为0.015m。相对较大的累积位移主要分布在52–6#~52–7#采场和54–5#~54–6#采场区域,且靠近采场的顶板岩层,这是由该区域采场回采比较集中所致;另外,在采场的西北端开挖及其变形引起的位移也较大。最大视应力位于隔离矿柱的WN端,量值为5.6Pa。结合位移分布特征和累积视体积分布特征,说明该区域岩体位移由该区域井巷围岩应力集中形成。从长期来看,累积视体积约等于被开挖出的岩体体积,显然,最大累积视体积集中于回采区。从图7可以看出,不同时间段内位移、视应力和累积视体积的空间和强度分布发生了明显变化,到后期(前90d),隔离矿柱WN端应力、视位移及累积视体积都减小或消失了,进一步证明隔离矿柱WN端的地压活动及岩层应力和变形是由井巷掘进所引起。4.5采场开挖引起的位移用分析隔离矿柱的方法对52–2#试验采场进行地压活动研究。图8是系统运行(2005年9月1日起)30,90和300d后,52–2#采场纵剖面上的围岩应力和位移分布图。从图中可以看出,系统运行后30d内产生位移的范围较小,且集中于采场的上下端;随着开采的进行,产生位移的范围从该位置沿底部结构水平逐渐扩大,但是累积位移量变化不大,量值小于0.003m。围岩应力变化相对比较明显,与采场开采过程密切相关,随着开挖体积不断增大,视应力集中区范围扩大,其量值增大,但最大视应力值并不随其增大,相反还减小,30d为8.5Pa,90d为8.0Pa,300d为6.0Pa。从位移和视应力变化范围可看出,开挖过程中岩体的状态,产生位移和应力的范围在扩大,对周围岩体影响在增强。位移和视应力量值较小,说明采场的地压活动较弱,采场的岩层是稳定的。5开采地压活动规律研究(1)冬瓜山数字化微震监测系统应用研究初步揭示了现有开采条件下首采区段地压活动的规律。研究表明,首采区段应力和位移活动区主要分布在回采和掘进作业区域。(2)目前的地压活动主要由采掘活动引起,各地压活动集中区与采掘工程相对应,在时空上随采掘活动的改变而发生变化