矿山深部开采岩体稳定性监测技术研究.pdf

第10卷第8期 2 0 2 0年8月 Vo l . 10 ,No . 8 Au g u st 2020 有色金属工程有色金属工程 No n f er r o u s Met a l sEn g in eer in g doi 10・ ・ 3969/j・ ・ issn. 2095-1744. 2020. 08. 018 矿山深部开采岩体稳定性监测技术研究 石 峰1,2,3,王 平1,2,3,蔡永顺1,2,3,袁本胜1,2,3,刘 强1,2,3,张 丹4 1.矿冶科技集团有限公司，北京100160.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.华北科技学院，河北廊坊065201 摘要针对矿山深部开采过程中易发生地压灾害的问题，基于微震监测技术，结合矿山实际特点建立深部岩体稳定性监测系针对矿山深部开采过程中易发生地压灾害的问题，基于微震监测技术，结合矿山实际特点建立深部岩体稳定性监测系 统.优化台网设计,通过定点爆破进行波速校正，最终建立了定位课差在统.优化台网设计,通过定点爆破进行波速校正，最终建立了定位课差在10 m,灵敏度在一灵敏度在一2. 2的监测台网的监测台网对监测数据进行波对监测数据进行波 形拾取，分析微震事件时空演化特征，圈定潜在危险区域，并对潜在危险区域围岩变形损伤进行分析’最终总结出微震事件大幅形拾取，分析微震事件时空演化特征，圈定潜在危险区域，并对潜在危险区域围岩变形损伤进行分析’最终总结出微震事件大幅 度上升且处于较高水平、空间分布高度集度上升且处于较高水平、空间分布高度集6、能量指数突然下降而累积视体积迅速上升的动力灾害预警前兆、能量指数突然下降而累积视体积迅速上升的动力灾害预警前兆研究结果可为深部研究结果可为深部 开采岩体稳定性性监测测提供参考 关键词深部开采；岩体稳定性；微震监测；时空演化预警前兆 中图分类号TD313；TD76 文献标志码A 文章编号2095-1744202008-0113-06 Investigation on Monitoring Technology of Rock Mass Stability in Deep Mining S HI Fen g 23 ,WANG Pin g123 ,CAI Yo n g sh u n】，，，YUAN Ben sh en g，，,LIU Qia n g，，,ZHANG Da n4 1. BGRIMM Tec h n o l o g y Gr o u p, Beijin g 100160 ,Ch in a； 2.Ch in a -S o u t h Af r ic a Jo in t Res ea r c h Cen t er f o r Deve l o pmen t a n d Ut il iz a t io n o n Min er a l Reso u r c esBeijin g 102628Ch in a 3. Na t io n a l Cen t r e f o r In t er n a t io n a l Resea r c h o n Gr een Met a l Min in gBeijin g 102628Ch in a 4.No r t h Ch in a In st it u t eo f S c ien c ea n d Tec h n o l o g yLa n g f a n g 065201Ch in a Abstract Th e mo n it o r in g syst em o f r o c k ma ss st a bil it y wa s est a bl ish ed ba sed o n t h e mic r o seismic mo n it o r in g t e c h n o l o g yin vie wo f t h e pr o bl e mt h a t t h e d yn a mic d is a s t e r o f g r o u n d pr e s s u r e wa s e a s yt o o c c u r in t h e pr o c e s s o f d eep min in g .Th ed esig n o f t h e mo n it o r in g n et wo r k wa so pt imize da n d t h e wa veve l o c it y wa sc o r r ec t ed b yt h e met h o d o f f ixed -po in t bl a st in g . A mo n it o r in g n et wo r k wit h a po sit io n in g er r o r o f 10 m a n d a sen sit ivit y o f 一2. 2 wa s est a bl ish ed f in aly.Th e wa vef o r m o f t h e mo n it o r in g d a t a wa s pic k ed u p a n d t h e t empo r a l -spa t ia l evo l u t io n c h a r a c t er ist ic s o f mic r o seismic even t s wer e a n a l yzedt h e po t en t ia l d a n g er o u s a r ea s wer e d el in ea t eda n d t h e d ef o r ma t io n a n d d a ma g e o f t h esu r r o u n d in g r o c k in t h e po t en t ia l d a n g er o u sa r ea s wer ea n a l yzed .Fin aly t h ee a r l y wa r n in g pr ec u r so r o f d yn a mic d is a st er wa ssu mma r izedwh ic h is t h a t t h e mic r o seis mic e ven t sin c r ea se d g r ea t l ya n d in a h ig h l evelt h e spa t ia l d ist r ibu t io n wa s c o n c en t r a t ed h ig h l yt h e en er g y in d ex su d d en l y d r o pped a n d t h e c u mu l a t ivea ppa r en t vo l u me in c r ea sed r a pid l y.Th e r esea r c h r e su l t s c a n pr o vid e a r ef er en c e f o r t h e st a bil it y in vest ig a t io n o f d eep min in g r o c k ma ss. Keyw“rdsd eepmin in gr o c k ma ssst a bil it ymic r o seismic mo n it o r in gspa t io t empo r a l evo l u t io nea r l ywa r n in g pr ec u r so r 收稿日期收稿日期2020-03-30 基金项目“十三五”国家重点研发计划项目基金项目“十三五”国家重点研发计划项目2017YFC0602904；；北京矿冶科技集团有限公司青年科技创新基金资助北京矿冶科技集团有限公司青年科技创新基金资助04-1905 Fu n d Na t io n a l Key Resea r c h a n d Devel o pmen t Pl a n o f T3t h Five Yea r Pl a n “2017YFC0602904 ； Yo u t h S c ien c e a n d Tec h n o l o g y In n o va t io n Fu n d o f BGRIMM Tec h n o l o g y Gr o u p04-1905 作者简介石 峰作者简介石 峰1993-，男，硕士，主要从事矿山安全微震监测和岩石力学等方面的研究工作男，硕士，主要从事矿山安全微震监测和岩石力学等方面的研究工作 通信作者张 丹通信作者张 丹1984-，-，女，讲师，硕士，主要研究方向为应急信息化、信息管理等女，讲师，硕士，主要研究方向为应急信息化、信息管理等 引用格式石 峰，王 平，蔡永顺，等.矿山深部幵采岩体稳定性监测技术研究有色金属工程引用格式石 峰，王 平，蔡永顺，等.矿山深部幵采岩体稳定性监测技术研究有色金属工程2020J08113-118. S HI Fen g ,WANG Pin g ,CAI Yo n g sh u n ,et a l . In vest ig a t io n o n Mo n t o r in g Tec h n o l o g y o f Ro c k Ma ss S t a bil t y in Deep Min in g [J]. No n f er r o u s Met a l sEn g in eer in g 2020 108113-118. 114有色金属工程第1 0卷 随着我国经济不断地发展，浅部矿山资源已不 能 发展需要, 步 采。开 采 的不断增加，巷道 高 及强烈开 采扰动影响，地压灾害（巷道片帮、冒顶）发生的可能 性增大，严重制约了 产 、高效开 采动力灾害 进一步开 发利用的瓶颈，对 体稳定性监测研究,茨 为采矿和岩石力学的研究热点和难点。 体稳定性研究方面，许多学者利用不 同 及 做了大量研究，并取得了重要成 。岩体在破坏过程中，会向外释放大量信息， 如何有效监测并合理运用这些前兆 研究问题 的 所在。 ，微震（MS）信号 一种信 息，包含了大量破坏信息（7）。 ， 微震信号 所包含的岩体破坏 对岩体受力状态进 估， 进而分析岩体稳定性。微震监测 一种高精度 岩体破裂监测手段，可进行参数反演分析，评估 危险区域，被广泛应用于国内外工程岩体稳定性 监测 本文依托某金属矿山，基于微震监测技术，建立 采过程 体稳定性监测系统。对监测数据 进行数据筛选，分析微震事件 化特征，并对岩 体损伤变形进行分析， 灾害前兆信息，为矿 采过程 体稳定性监测及分析提供一定 借鉴 。 1 工程概况 该矿山采用水平分层上向全尾砂胶结充填采矿 法, 采8个中段，主要开采的中段为725、 675、625、575 n四个中段，阶段高度5 0 n ,分层高 度2.5〜3n。矿山为深部开采，开采深度达到 6 00 n ,开拓深度已达1 000 n。 矿体赋存于破碎带中，岩体本身较为破碎。此 外，由 采 ，围岩体受高 和强 采扰动，再加 体硬 大，开采过程中 的冒顶、片帮等地压问题 ，对采 业 及设备正常运 了极大的 隐患。随着开采 深度的不 加，地压显现越发明显。针对安 隐患，对 采过程 体稳定性进行 监测，建立实时、准确的监测系统。 2 深部岩体稳定性监测 2.1微震监测系统微震监测系统 选择IMS微震监测系统对岩体稳定性进行监 测。该高精度微震监测系统是一套具备在线微震数 据采集、丿 分析的数字化、智能化、可视化的 体稳定性监测设备。此外，在时间和空间的监测 预警 有突出优势，系 构如图1所示。 Dispa t ch r oom Under gr ound 图图1微震监测系统结构微震监测系统结构 Fig. 1 Structure of microseismic monitoring system 通过分布在围岩中的传感器采集井下微震事 件,并将采集信号送入与 相连的临近GS数 采中，再经单端口的DS L调制解调器，传输到四端 的DS L调制解调器， 标 网信 号,储存在微震数据库中。 2.2 及优化及优化 合 监测的主要范围、深部开采诱发地 压活动的主要显 及 采计划等，传感器 布置及优化依据以下原则 1） 监测范 体发生破坏能在台网内得到最 大程度响应。 2） 传感器布置在稳定围岩中，避免微震信号穿 过采 等不 体，进而影响事件定位精度。 3） 形成立体监测台网，保证各中段监测点相互 联系。 基于上述传感器布置原则，在主要开采的725、 675、625、575 m中段分别布置4、8、8、4个单分量微震 传感器，共计24通道,具体台网布置 2所。如 3所示,对台网布置进 位误差及灵敏度分析， 最终确定定位误差在10 n左右，灵敏度在一2. 2左 右, 采岩体稳定性监测需求。 图图2监测台网布置监测台网布置 Fig.2 Layoutofmonitoringstationnetwork 第8期石 峰等矿山深部开采岩体稳定性监测技术研究115 图3台网分析 Fig. 3 Analysis of network 2.3波速校正 矿山岩体具有特异性和差异性，为不均匀体，采 用推荐P波和S波波速进行定位会产生一定误差o ，在675 m中段采用定点爆破的方式，通过实 际爆破坐标与实测坐标进行对比，修正波速场。为 检验校正波速后微震监测定位精度，再次进 点 爆破，纟 1所示。两次爆破定位误差均为 10 m左右，平均直线距离为10. 58 m。 表1定位结果验证 Table 1 Validation of positioning results Nu mberCo o r d in a t e Mea su r ed c o o r d in a t es/m Lo c a t io n c o o r d in a t es/m Er r o r/m Co o r d in a t e S t r a ig h t l in eLin e a ver a g in g X5 019 5024 5 1 5 667 5666 1 10.34 G677 668 9 10.58 X4 587 4579 8 25 832 5830 2 10.82 G 677670 7 3 深部开采微震活动特征研究 3.1微震数据处理 微 号P波、S波的拾取位置，直接影响微 震事件定位。 ，准确的微 号波形位置是 分析岩体稳定性的基础。由 系统波形自 动定位 与 实际 大，为保证事 件定位结果的准确性，需进行波形人工拾取。人 工拾取主要调整S波位置，将第1个波形衰减 后，第2个波形起跳的时刻 S波位置，如 4所示。此外，纟 5所示，系 会采集到 矿山生产过程 、转孔等产生的 （杂波 号），； 数据过程中需要将无效波形 去除。 图4微震信号处理 Fig. 4 Microseismic signal processing 116有色金属工程第10卷 3.2 演化演化 微震数量的变化与岩体内部能量积累积累与释放密 切相关，岩体发生大范围破坏时，微震事件数量一般 高水 升。 ，微震事件时间序 列的分析， 分析岩体稳定性。监测系统 在2019年1月一2019年6月运行正常，共监测到 有效微震事件3 843个。图6为以1周为统计周期 的微震数量演化，事件平均水 每周250个，较低 水平为每周10个以内，通常是由 产、系统 故障所致。2019年5月20日一26日期间微震事件 高水平，为600个个微震事件。2019年2月下 旬有一个小幅 升，随后事件有所下降。2019年 5月初，事件出现急剧上升现象。2019年5月一 6月期间，事件上升下降 ，即岩体 能量 不断释放与积累，且微震事件均处于较高水平，微震 事件活跃。 2019.1.6 2019.2.10 2019.3.17 2019.4.21 2019.5.26 2019.6.30 Da t e 图6微震事件时间演化 Fig. 6 Time evolution of microseismic events 3.3微震事件空间演化特征微震事件空间演化特征 微震事件空间分 征可揭示岩体受力状态。 图7为监测周期微震事件空间分布，事件球体颜颜色 表示发生时间，球体大 级大小。事件主要 分布在采场西侧，且主要集聚在675、625 m中段, 体监测事件的80。微震事件可表征岩体破 裂活动，微震事件集中区域发生地压灾害可能性较 大，对微震集 立重点分析模块，如8图所 示，并确定725、675、625 m中段14〜18线之间为潜 在危险区域。 a Top view bMa in view Time ■ 01 Ja n 2019 080017 ■ 21 Ja n 2019 09-4602 10 Feb 2019 113357 02 Ma r 2019 131942 22 Ma r 2019 150738 11 Apr 2019 165112 01 My 2019 183656 21 Ma y 2019 202452 10 Jun 2019 221037 ■ 30 Jun 2019 235832 图7微震事件空间分布 Fig.7 Spatialdistributionofmicroseismicevents 14 l ine 16 l ine 18 l ine 图8重点分析区域模型 Fig. 8 Key analysis area model 4基于微震活动岩体损伤分析 从微观尺度分析，岩石破坏过程为内部原生破 外部扰动后，在滑移过程中产生不同尺度破 随着外部扰扰动的不 加，各破 不 集、融合 大破 ， 破坏。因此，岩体 破 程中内部破裂尺度（变形）越来越大，内部变 形随岩体破碎程 大 大。 采过程中, 体受高 影响及 卸荷 卸荷 集中，损 伤伤程度不断加大而产生岩体破坏。微震活动表征岩 体变形程度，变形程 大 体损伤伤程度越大, 动 灾害发生 能性 越大 7为监测期间重点分析区域变形云图，重点 （16〜18线）变形较大，与微震事件 ； 第8期石 峰等矿山深部开采岩体稳定性监测技术研究117 聚集相一致。 变形较大的实质是微震聚 集 体破裂所 的。 微 间分布和变形 反映岩体破裂活 , 伤 区域。 图9变形云图 Fg.9 Deatoncloud Displ a cement /mm 0.000 000e00 7.184 855e-01 1.436 971e00 2.155 457e00 2.873 942e00 3.592 428e00 4.310 913e00 5.029 399e00 5.747 884e00 6.466 370e00 5 动力灾害前兆信息研究 微震能量指数表征震源视应力水平，累积视体 积表征岩体变形特征。能量指数与累积视体积 [ 分析岩体 变形的特征参数体破坏 前, 峰值强度前，能量指数呈增大趋势, 累积视体积呈缓 势。该时刻岩体状态为能 量积蓄阶段，岩体 稳定。 峰值 后, 能量释放，应力下降而变形迅速增大, 能量指数下降而累积视体积迅速增大。因 ，能量指数与累积视体积 反映岩体稳 定状态。 图10为重点监测区域2019年5月20日一 26 能量 数与累积 体积 间 ， 5 月22 能量 数 然下降 累积 体积迅速 升 况, 体发生较大范围破坏预警前兆。结合微 震事件时空分布特征，675*25 m中段16-18线事 件集聚（图8）且采区整体微震事件有较大幅 辛 长且处于较高水平（图6）。岩体内部存储能量即将 储存能力，岩体内部破 合，重点 发生 大破坏的可能性较大。与此同时，2019年5月 28 B，在625 m中段18采场附近监测到震级为0. 0 的大震级事件。根据 查和 台账，2019年 6月初625 m中段18采场附近围岩发生大范围破 坏, 体破碎严重，如图11所示, 显现 与预测 相一致。 所 分析微 事件 间分 定潜在危险区域，结合微震事件数量、空间集聚、能 量指数与累积视体积变化趋势，特别 体大破坏 1.39E6 Qum-OAQum-OA -ualuddB-ualuddB QAHBInumuQAHBInumu -8.60E3 3 召2 昌1 | 0 1-1 -20 W 6 I 0 CN 0 W 6 I 0 CN 9e・s・6I0e9e・s・6I0e S S 0 CN S S 0 CN 寸essoe ateate EZ.S.6I0ZEZ.S.6I0Z D D Z Z . S . S O Z Z Z . S . S O Z 6.89E5 3.40E5 1.04E6 图10能量指数与累计视体积 量指数与累计视体积 i Fig. 10 Curve of energy index and cumulative apparent volume 图11 级 Fg.11 Magntudeevents 发生前后各参数特征变化，得出地压灾害微震前兆 主要 微震事件大幅 升于较 高水平、空间分布高度集聚、能量指数突然下降而累 积视体积迅速上升，综合分析微震各参数指标，提高 预警 性。 6 结论 1） 基于微震监测技术，建立了一套24通道的矿 山深部开采岩体稳定性监测系统,进行台网优化，最 终定位误差在10 m左右，灵敏度在一2. 2左右，通 点爆破方式进行波速校正，确保了微 位精 度，满足了 监测需求。 2） 微震活动 反映岩体稳定性。微震数 据2019年5月初急剧上升，且在725*75*25 m中 段14〜18 间聚集，划 潜在危 险区域，并基于变形 16〜18线变形较大, 与现场显现相一致。 3） 通过微震参数分析及现场地压显现结果，总 结了微震事件大幅 升 高水平、空间分 高度集聚、能量指数突然下降而累积视体积迅速 升 灾害前兆预警 。 118有色金属工程第10卷 参考文献 何满潮，谢和平,彭苏萍，等深部开采岩体力学研究. 岩石力学与工程学报，2005,2416 28032813. HE Ma n c h a o ,XIE Hepin g , PENG S u pin g , et 1 S t u d y o n r o c k mec h a n ic s in d eep min in g en g in eer in g [J]. Ch in ese Jo u r n a l o f Ro c k Mec h a n ic s a n d En g in ee r in g, 2005,2416 28032813. 谢和平深部岩体力学与开采理与开采理论”研究构想与与预期 成果展望工程科学与技术，2017,492 116. 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