基于微震监测技术的深井开采地压活动规律研究_杨承祥_图文.doc

第 26卷 第 4期 岩石力学与工程学报 V ol.26 No.4 2007年 4月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering April , 2007基于微震监测技术的深井开采地压活动规律研究 杨承祥 1, 2, 罗周全 1, 唐礼忠 1 1. 中南大学 资源与安全工程学院,湖南 长沙 410083; 2. 安徽铜都铜业股份有限公司 冬瓜山铜矿,安徽 铜陵 244000 摘要简要介绍微震监测技术基本原理及冬瓜山微震监测系统的组成和结构,运用微震监测系统对冬瓜山矿床首 采区段不同时段的地压活动集中区进行圈定,采用量化地震学原理开展岩层应力变形强度分布研究,揭示开采诱 发地压活动的时空变化规律,初步评价盘区隔离矿柱和回采采场的地压活动状况及稳定性。研究表明,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施工位置相对应,在时空上随采 掘活动的改变而发生变化。采场回采区内的地压活动相对较稳定,掘进活动区内的地压活动分布较分散且随采掘 活动的结束很快减小或消失,目前首采区段岩层是稳定的。实践证明,微震监测技术为深井矿床开采地压活动规 律研究提供一种有效技术手段,研究成果为指导矿山安全生产奠定重要的基础。 关键词采矿工程;微震监测技术;深井开采;金属矿山;地压活动 中图分类号TD 32 文献标识码A 文章编号1000– 6915200704– 0818– 07 STUDY ON RULE OF GEOSTATIC ACTIVITY BASED ON MICROSEISMIC MONITORING TECHNIQUE IN DEEP MINING YANG Chengxiang1, 2, LUO Zhouquan1, TANG Lizhong1 1. School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha , Hunan 410083, China ; 2. Dongguashan Copper Mine, Anhui Tongdu Copper Co., Ltd. , Tongling , Anhui 244000, China Abstract By introducing the basic principle of the microseismic monitoring technique and the components and structure of the ISS microseismic monitoring system used in Dongguashan Mine, the relative concentrating area of the geostatic activities is compartmentalized in the first mining area of Dongguashan ore deposit within different periods. The system and the principle of the seismology are adopted to study the intensity distribution of the stress and displacement to discover the temporal and spatial change rules of the geostatic activity produced by the mining and to uate the geostatic activity situation and the stability of the insulating pillar and main mining area. The study indicates that the change of the concentrating area of geostatic activity is dependent on the underground mining activities. Every concentrating area is corresponding to the position of each mining project. The geostatic activity changes in time and space with the change of mining project position accordingly. The geostatic activity within the mining area of stope is relatively stable. The distribution of geostatic activity in excavating area is separate and reduces quickly or even disappears with the completion of excavation. The rock mass within the first mining area of Dongguashan ore deposit is stable now. The practice proves that the microseismic monitoring technique is an effective to study the rule of geostatic activity in deep mining. The result settles an important base for Dongguashan Mine to produce safely. Key wordsmining engineering; microseismic monitoring technique; deep mining; metal mine; geostatic activity 收稿日期2006– 05– 19; 修回日期2006– 11– 15 基金项目国家“十五”科技攻关计划项目 2004BA615A– 04 ;国家自然科学基金重大项目 50490274 作者简介杨承祥 1965– ,男,博士, 1987年毕业于中南工业大学采矿工程专业,现为高级工程师,主要从事矿床深井开采与灾害控制方面的研究 工作。 E-mail 第 26卷 第 4期 杨承祥,等 . 基于微震监测技术的深井开采地压活动规律研究 819 1 引 言 近十几年来,随着数字技术、计算机技术、地 球物理学和量化地震学的快速发展,微震监测技术 在国外特别是南非、加拿大等国的深井矿山中得到 了广泛应用 [1]。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 [26]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 -690-1 007 m, 主井深度 为 1 120 m95-1 025 m,具有原岩应力高 38 MPa 、 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 1 000 m的大型 深埋铜矿山之一,属典型的深井开采矿山 [7]。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 微震监测基本原理 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 [8]。 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 h T t t x LOC j j j − − 1 式中 j t 为在测点 j 所观测到事件的 P 波或 S 波的 到时时间, t 为该事件的未知震源时间, h T j 为 P 波或 S 波传播到第 j 测点的未知传播时间, x LOC j 为观测到时时间 j t 与计算到时时间 h T t j 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 E Σ, M Σ, , 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 , M Σ为地震矩的和, E Σ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 s ε、 地震应力 s σ、视体积 A V 、地震 Schmidt 数 s Sc 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 lg E ergs 2.4m 5.8 2 1. 6 lg 3 2 − M m 3 / A A E σ4 / / 3 2 A 3 A GE c M c M V σ5 式中m 为震级; E 为发射的地震能 J; A σ为视应 力 Pa; 为震源处的平均位移 m; A 为震源面积 m2 ; 3 c 为尺寸因素,且 3 c ≈ 2; G 为刚度; M 为地 震矩 Nm 。 3 微震监测系统组成和结构 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 quake seismometer, QS 、井下通信控制中心 seismic 820 岩石力学与工程学报 2007年 controller 、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[6]。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 [9]。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 600 m400 m220 m,矿床首采区域震源 定位误差10 m,系统灵敏度为 -2.0里氏震级。 4 地压活动规律研究 4.1 首采区段采掘活动 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 18 m。沿盘区长度方 向划分采场,矿房采场长 82 m,矿柱采场长 78 m, 采场宽均为 18 m。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 12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 地压活动时空变化及相对集中区圈定 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 3a, 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 3c给出首采区地震事件及其空 间范围,图 3d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 图 1 微震监测系统组成与结构 Fig.1 Components and structure of microseismic monitoring system 客户端计算机 监控中心计算机 信息中心局域网 微震监测系统监控软件 地震学分析软件 可视化解释分析软件 地表 地下 QS4 -875 m水平 QS2 -730 m水平 -670 m水平 QS1 计算机操作系统 SuSE 光缆 井下通信控制中心 -875 m水平 单对铜绞线 单对铜绞线 -730 m水平 QS Repeater 单对铜绞线 单对铜绞线 QS3 -875 m水平 单对铜绞线 第 26卷 第 4期 杨承祥,等 . 基于微震监测技术的深井开采地压活动规律研究 821 图 2 首采区段盘区和采场分布 Fig.2 Layout of panels and stopes in the first mining area a 微震事件空间分布透视图 b 地压集中区水平投影图 c 微震事件空间分布范围 d 地压集中区水平投影范围 图 3 2005年 9月地压活动相对集中区 Fig.3 Relatively concentrating area of geostatic activities in Sept. 2005 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 图 4 不同时段地压活动相对集中区变化 Fig.4 Change of relatively concentrating area of geostatic activity in different periods 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 岩层应力及变形强度分布 采用地震学参数平面震源上的平均位移 和 视应力 A σ,在水平面上分别绘制 和 lg A σ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。 52线 注 图 2中 4个角上的数字是矿区地理坐标 ; 单位 m 822岩石力学与工程学报 2007年 图 5是 2005年 9月首采区段的 和 lg A σ等值 线图。从图 5a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 0.04 m,其他位移区的位移都小于 0.01 m,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 5b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 5.8 Pa。值得注 意的是,在 56线 810采场隔离矿柱附近引起了 较大的视应力集中区,量值约为 8.3 Pa。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。 a 单位 m b lgσA 单位 Pa 图 5 2005年 9月岩体应力及平均位移 等值线图 Fig.5 Isograms of and lgσA in the first mining area in Sept. 2005 图 6是 2006年 1月首采区段的 和 lg A σ等值 线图。对比图 6a与图 5a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 0.046 m。比较 图 6b与图 5b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 5.9 Pa。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 a 单位 m b lgσA 单位 Pa 图 6 2006年 1月岩体应力及平均位移 等值线图 Fig.6 Isograms of and lgσA in the first mining area in Jan. 2006 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 盘区隔离矿柱应力及变形研究 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 lg A σ、 累 积 视 体 积 cumulative apparent volume , CA V 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 90 d和前 300 d隔离矿柱中的位移与 lg A σ等值线图、位移与 CA V 半径等值线图。从前 300 d的累积图形来看,位移总量较小,最大值为 0.015 m。相对较大的累积位移主要分布在 52– 6 52– 7采场和 54– 554– 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 5.6 Pa。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 90 d,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。 第 26 卷 第 4 期 杨承祥，等. 基于微震监测技术的深井开采地压活动规律研究 823 a 前 300 d 位移和视应力等值线图 b 前 300 d 位移和 CAV 半径等值线图 c 前 90 d 位移和视应力对数等值线图 d 前 90 d 位移和 CAV 半径等值线图 Fig.7 图 7 隔离矿柱应力及变形分布位移单位m；应力单位Pa Distributions of stress and displacement of insulating pillarunit of displacementm；unit of stressPa 4.5 采场围岩地压活动研究 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 300 d 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 30 d 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 0.003 m。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，30 d 为 8.5 Pa， 90 d 为 8.0 Pa，300 d 为 6.0 Pa。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。 b 系统运行后 90 d c 系统运行后 300 d 图8 a 系统运行后 30 d 52–2采场纵剖面上的围岩应力和位移分布位移单 位m；应力单位Pa Fig.8 Distributions of stress and displacement of rockmass on longitudinal section of stope 52–2unit of displacementm；unit of stressPa 824 岩石力学与工程学报 2007 年 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering ， 2002 ， 5 结论与建议 [6] 21Supp.22 609–2 612.in Chinese 赵向东，王育平，陈 波，等. 微地震研究及在深部采动围岩监测 中的应用[J]. 合肥工业大学学报自然科学版，2003，263363– 367.ZHAO Xiangdong，WANG Yuping，CHEN Bo，et al. 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