基于微震的地压灾害预警体系构建与应用研究.pdf

收稿日期2020-04-30 基金项目国家安全生产监督管理总局安全生产重大事故防治关键技术科技项目编号 hunan-0010-2014AQ。 作者简介郭晓强 （1986） ， 男， 工程师， 硕士。 基于微震的地压灾害预警体系构建与应用研究 郭晓强 1 王果 1 唐绍辉 1 皇甫风成 2 栗盼平 2 钟志强 21 （1. 紫金矿业集团股份有限公司， 福建 上杭 364200； 2. 新疆哈巴河阿舍勒铜业股份有限公司， 新疆 哈巴河 836500） 摘要为了研究阿舍勒铜矿深部开采中面临的地压灾害问题， 结合现场实际与采动影响下岩体活动致灾模 式， 基于现场微震监测的有效事件库， 进行了时空强微震活动性因素分析。选取了多种物理意义清晰、 数学模型明 确的分析因素 时间因子方面的活跃期与时序集中度Q时， 空间因子方面的活跃区域与震中集中度Q空， 定量地震学 因子方面b值、 βn值、 η值、 CUFIT模型。结合现场微震数据库对各参数的分析， 总结了各因素的高低值、 趋势特征 及其揭示的地压活动性规律与预警特征 时序活跃期、 Q时高值， 空间活跃区域、 Q空低值、 低 b值、 高 βn值、 高 η值， CUFIT 模型符合急剧积累至高值后呈下降趋势都表征现场地压显现可能性较大。在此基础上， 综合考虑多项时 间、 空间、 定量地震学参数的预警因素， 构建了基于微震的地压灾害预警体系， 通过综合判定函数F与各因素相关 性及其预警方法进行了现场实际应用， 预警效率高、 应用效果好。 关键词深部开采地压灾害诱灾模式微震监测预警体系 中图分类号TD853文献标志码A文章编号1001-1250 （2020） -08-164-08 DOI10.19614/ki.jsks.202008027 Early Warning System Construction and Application of Ground Pressure Disaster Based on Microseismic Parameters Guo Xiaoqiang1Wang Guo1Tang Shaohui1Huangfu Fengcheng2Li Panping2Zhong Zhiqiang22 （1. Zijin Mining Group Co.， Ltd.， Shanghang 364200， China； 2. Xinjiang Habahe Ashele Copper Co.， Ltd.， Habahe 836500， China） AbstractAccording to ground pressure disaster in deep mining of Ashele copper mine，the factors of space time mag⁃ nitude in microseismic activity were analyzed based on the available events database of microseismic monitoring which com⁃ bined with the disaster-induced mechanism of rock mass activity under the influence of mining and field practice. A variety of factors with clear physical meaning and clear mathematical model are selected active period and time sequence concentra⁃ tion degree Qtimein time factor；active region and epicenter concentration degree Qspacein space factor；b value，βnvalue，η value and CUFIT model in quantitative seismological factor. The parameters were analyzed with the on-site microseismic data⁃ base，and the distribution characteristics of each factor were summarized to describe the regularity and early warning of the ground pressure activity active period，high Qtime，active area，low Qspace，low b value，high βnand high η value，the trend of CUFIT model，all of which indicate that there was a high probability of ground pressure disaster. On this basis，the multi⁃ ple early-warning factors including time，space and quantitative seismological factors were considered. And the early-warning system of ground pressure disaster based on microseismic was constructed. Through the correlation between the comprehen⁃ sive judgment function F and each factors，the early-warning are applied in the field site with high efficiency and good application effect. KeywordsDeep mining， Ground pressure disaster， Disaster-induced model， Microseismic monitoring， Early warning system 总第 530 期 2020 年第 8 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 530 August2020 大量非煤矿山随着开采深度的增加， 深部矿岩 体处于 “三高一扰动” 的不利力学环境中， 导致开采 过程中诸如巷道变形开裂、 采场冒顶垮塌甚至岩爆 等现象频发， 影响矿产资源的安全开采、 制约矿山经 164 济效益的提高 ［1-3］， 为此出于自身需要与国家政策要 求， 普遍开展了地压监测， 但应用效果参差不齐， 结 合矿山地压特点对监测数据进行深入分析、 达到预 测预报地压灾害是当前主要研究目标。 为了达到预测预报深部开采中的地压灾害， 基 于微震监测， 众多学者和研究人员采用多种理论和 方法进行了大量研究。窦林名等 ［4-5］基于动静载理 论， 分别构建了时间与空间序列的冲击变形能指数， 提出了短临预测时空动载的 “冲击变形能” 预警方 法； 唐礼忠等 ［6-8］采用地震学理论拟合对比某铜矿深 部微震数据， 研究了部分定量地震学参数与岩爆的 相关性， 建立了矿山岩爆的矿山地震刚度预测方法； 杨承祥等 ［9］采用量化地震学原理圈定地压集中区， 揭 示时空变化规律， 预警隔离矿柱和采场的地压活动 状况； 刘建坡等 ［10］在红透山铜矿对微震活动性与采 矿活动之间的关系、 空间规律进行了分析， 并采用累 积视体积和能量指数对岩爆活动进行了预测研究； 张楚旋等 ［11］基于微震监测数据提出了两组定量地震 学参数， 配合b值等参数建立微震监测预报的一般模 式， 应用到某磷矿岩体稳定性预测。 上述研究立足于矿山现场， 采用动静载、 突变、 分形等理论分析， 建立了多种以地震学参数趋势特 征、 前兆规律为基础的预测预报方法与模型， 并进行 了实际应用， 不同程度地达到了预警地压灾害的预 期目标； 但普遍存在采用单个或有限的几个参量用 于判定是否符合预警条件与模型， 而单个参量旨在 突出某个因素， 采用其他参量时不一定满足预警条 件， 造成以偏概全。因此本项目在以上研究基础上， 构建的基于微震的预警体系综合考虑时间、 空间以 及定量地震学参数的活动性规律、 预警前兆， 并结合 矿山实际发生的地压灾害进行应用效果检验， 为同 类型深井地压灾害监测预测提供参考和依据。 1工程背景 阿舍勒铜矿隶属紫金矿业集团新疆哈巴河阿舍 勒铜业股份有限公司， 是集采选为一体、 储量大、 品 位高、 采矿方法先进、 机械化程度高的国内知名矿 山， 主采黄铁矿型铜、 锌、 铅多金属， 主、 副竖井及斜 坡道联合开拓方式， 主要采用大直径深孔空场嗣后 充填法、 中深孔分段凿岩阶段出矿嗣后充填法采矿。 该矿经过十多年的开采， 主采区域开采深度达到900 m， 地压显现逐渐突出， 根据国家相关政策要求与自 身安全管理方面的需要， 2012年在一期工程引进了 澳大利亚 IMS微震监测系统， 2016年在二期工程安 装了中科微震监测系统， 实时、 连续、 在线监测开采 扰动导致的地压活动， 为矿山安全高效开采提供保 障。 在微震监测系统监测数据基础上进行有效微震 事件波形特征分析， 建立了有效微震事件库， 2017- 04-162017-12-31 基本统计 有效微震事件数 6 571， 震级M-5.980.92， 地震矩对数lgM6.211.4， 能量对数lgE -4.26.2。 矿山开采是地压活动致灾最直接的诱发因素， 对采动影响下矿岩体活动致灾机理进行研究， 可以 奠定地压灾害发展过程前兆信息辨识的理论基础。 根据采动诱发采场区域微震力源类型 ［12-13］， 矿岩 体活动诱发地压灾害可基于力源对其所起直接、 间 接关系分为两类 一类是采动影响下采场矿岩系统 所承受应力、 所积聚弹性能超过其极限从而直接造 成岩体断裂、 冒落等， 即矿岩体稳态诱灾； 另一类是 采动影响下采场矿岩体系统处于扰动后依然稳定， 但是应力重新平衡中导致覆岩层运动、 矿柱破坏、 断 层活化等形成的远场动载荷扰动， 其以球形应力波 形式往外围传播， 冲击动载荷与原矿岩系统静载荷 叠加后致使平衡被打破， 从而间接造成采场岩体断 裂、 冒落等， 即矿岩体动态诱灾。 阿舍勒铜矿矿岩体呈强矿体/下盘、 弱上盘的强 度特征， 而且相对其他硬岩矿山， 其矿、 围岩体强度 普遍偏低， 呈次硬岩特征。结合 “三准则” 分析 ［14］， 阿 舍勒铜矿在采动影响下， 会呈现动态诱灾模式为主、 稳态诱灾模式为次、 受爆破影响明显的特征， 且动力 灾害强度相对较弱。 因此， 对于采动影响下的微震活动性规律研究 是地压灾害预警的关键。 2微震活动性因素分析 对阿舍勒铜矿有效微震事件库进行微震时空强 活动性分析研究， 主要考虑时间序列及其强度因子、 空间演化及其强度因子、 定量地震学参数。为便于 后续预警体系的构建， 选取时间、 空间与定量地震学 分析的各种因素， 并根据各因素的定义、 数学模型、 物理意义， 确定其趋势特征， 总结其高低值特征揭示 的地压活动性规律。 2. 1时间序列及其强度因子 从微震时间序列角度分析其日累积释放能量与 频次的变化规律， 对矿山岩体稳定性监测意义重大， 强震诱发地压灾害显现现象往往发生在持续高值或 急剧上升的活跃期 时间区间内微震能量与频次持 续3 d及以上高于平均值， 且无明显交替释放过程。 典型活跃期见图1。 为量化并评价有效微震事件在时间序列中的强 度因子， 引入时序集中度指标 ［15-16］。一定时间区间 2020年第8期郭晓强等 基于微震的地压灾害预警体系构建与应用研究 165 内， 微震事件在时间序列上的密集程度与地压灾害 可能性呈正相关关系。为量化并评价该前兆信息， 通过计算相邻微震事件发生的时间间隔来定义时序 集中度 Q时 Var T Δ ˉT ，（1） 式中，Δ ˉT与Var T为相邻微震事件时间间隔的平均 值与方差。 Q时0 为周期性发震， 0Q时0.5 为准周期性发 震， 0.5≤Q时≤1为平稳的齐次泊松过程， 1Q时∞为 丛集过程。结合实验室试验以及现场应用实例， 岩 体在微震事件呈齐次泊松过程中就开始屈服、 丛集 过程中就开始失稳。时间区间内时序集中度见图2 所示， 其中Q时高值区表征现场地压显现可能性较大。 2. 2空间演化及其强度因子 从微震空间演化过程来分析其三维空间中段 平面的变化规律， 可以提高对地压灾害进行预警的 效率， 强震诱发地压灾害显现现象往往发生活跃区 域 时间区间内区域微震强度与集中程度上升趋势 急剧。典型活跃区域见图3。 金属矿山2020年第8期总第530期 166 微震在空间分布上愈密集表征地压灾害可能性 愈大， 为了量化微震集中程度这一前兆信息， 引入震 中集中度指标 ［17-18］。 假设∑∑为震中坐标参量x、 y、 z的协方差矩阵， X （x， y， z） T， 各参量组成的期望矩阵u （u 1， u2， u3） T。 X - u T∑-1 X - u d2，（2） 式中， d为常量。 若u0， 则 d2 XT∑-1X Y 2 1 λ1 Y 2 2 λ2 Y 2 3 λ3 ，（3） 式中， λ1、 λ2、 λ3为∑∑的特征根， Y1、 Y2、 Y3为其主成分。 则式 （3） 为 （x、 y、 z） 正态分布的等概率密度椭球体方 程， 椭球体积越大， 包络震中样本越离散， 反之亦然。 因此， 可采用4πd3λ1⋅ λ2⋅ λ3/3来量化微震集 中程度， 去量纲化后震中集中度为 Q空λ1⋅ λ2⋅ λ3 3 .（4） 结合式 （3） 、 式 （4） 可知， Q空越小， 椭球体越小， 震中样 本越集中， 地压灾害可能性越大。 时间区间内空间上震中集中度分布见图4， 其中 Q空低值区表征现场地压显现可能性较大。 2. 3定量地震学参数 由于微震机制类似于地震 ［13］， 采用定量地震学 参数对矿山微震进行研究合理可行， 并逐渐成为矿 山微震研究的一个主流方向， 常用的参数如b值、 βn 值、 η值、 CUFIT模型等 ［19］。 2. 3. 1b值 b值是研究微震活动性规律最常用的预警指标。 揭示地震频次和震级之间幂率关系的 Gutenburg- Richter公式 lgN （≥M） a-bM，（5） 式中， b值表征大小地震事件的比例关系。因此在矿 山微震研究中， b值越小， 大震级矿震所占比例大， 矿 震强度高， 诱发地压显现的可能性就会越大。采用 最小二乘法计算 b ∑ i 1 m Mi∑lgNi- m∑ i 1 m MilgNi m∑ i 1 m M 2 i - ∑ i 1 m Mi 2，（6） 式中， m为震级分档总数； Mi为第i档震级； Ni为第i档 震级的实际频次。 时间区间内b值分布见图5， 其中低b值区表征 现场地压显现可能性较大。 2. 3. 2βn值 包含异常活动性的微震事件序列全过程可以 看作是具有强度函数 λ （t） 的非齐次泊松过程。引 入统计量βn（t， δ） ， 描述 λ （t） 在某子区间和其余部 分之间微震活动率的差异程度， 定义βn的数学模型 为 2020年第8期郭晓强等 基于微震的地压灾害预警体系构建与应用研究 167 βn n t,Δt - NΔt NΔt1 - Δt ，（7） 式中， Δt为子区间 ［t-Δt， t］ 的时间长度； n （t， Δt） 为子 区间中的微震频次； N为微震总数。 将区间 ［0， t］ 归一化处理为 ［0， 1］ ， 则Δt小于1， 且 Δt1 时，βn0。由式 （7） 可知， Δt＜0.5 时， 区间越 小、 微震频次高时，βn越大， 表征微震活动率大， 地压 灾害可能性也就越大。 时间区间内βn值分布见图6， 其中高βn值区表征 现场地压显现可能性较大。 2. 3. 3η值 对于震级频次曲线与G-R直线偏离程度可以 引入η值 ［20］进行评价， 定义η值的数学模型为 η - X2 X ˉ2 ，（8） 式中， XM-Mmin， Mmin为微震事件集合中震级最小值。 矿山岩体破裂呈无序化时， η值越大表明偏离程 度越大， 大震级事件越多， 地压灾害可能性也就越大。 时间区间内η值分布见图7， 其中高βn值区表征 现场地压显现可能性较大。 2. 3. 4CUFIT模型 为了描述并评价微震事件序列中累积能量与释 放过程的分布特征， 提出CUFIT模型 ［19］， 定义CUFIT 的数学模型为 CUSUMi E ˉ∑ j 1 i Ej CUFITi CUSUMi- ai - 1- bi - 1 ，（9） 式中， Ej为第j个微震事件的能量；Eˉ为时间区间内的 平均微震能量； （ai - 1- bi - 1） 表示对 CUSUMi前所有 值作拟合的趋势项。 根据已有研究， 强震发生前后， CUFIT值明显偏 离平均变化率， 表征微震活动性偏离正常水平， 为异 常特征。 时间区间内 CUFIT 模型分布见图 8 所示， 其中 CUFIT值急剧积累至高值区后下降符合预警趋势， 表 征现场地压显现可能性较大。 3预警体系构建与效果检验 根据微震活动性分析中涉及的时间、 空间、 定量 地震学参数， 构建基于微震的地压灾害预警体系。 金属矿山2020年第8期总第530期 168 3. 1时间因子f1 包含活跃期判定因素x1， 时序集中度Q时判定因 素x2， 该指标的数学模型为 f1∑ i 1 2 xi x1 0 if 非活跃期 1 if 活跃期 x2 0 if Q时 A1 1 if Q时≥ A1 ，（10） 式中， A1为根据微震活动性分析中时序集中度Q时分 布特征预设的临界值。 3. 2空间因子f2 包含活跃区域判定因素y1， 震中集中度Q空判定 因素y2， 该指标的数学模型为 f y ∑ i 1 2 yi y1 0 if 非活跃区域 1 if 是活跃区域 y2 0 if Q空≥ A2 1 if Q空 A3 1 if b ≤ A3 z2 0 if βn A4 1 if βn≥ A4 z3 0 if η A5 1 if η ≥ A5 z4 0 if 不符合趋势 1 if 符合趋势 ，（12） 式中， A3、 A4、 A5分别为根据微震活动性分析中b值、 βn 值、 η值分布特征预设的临界值。 3. 4综合判定函数 对于是否进行现场地压灾害预警， 综合考虑以 上时间因子f1、 空间因子f2、 定量地震学因子f3， 提出 基于微震监测的地压灾害预警判定目标函数 F ∏ i 1 3 fi.（13） F0， 综合决策结果为微震活动性正常， 不需要预警； F≠0， 综合决策结果为微震活动性异常， 需要预警； 且 F值越大， 表征预警等级越高， 现场发生地压灾害的 可能性更大。 构建的基于微震的地压灾害预警体系见图9。 根据阿舍勒铜矿微震活动性因素分析， 以半月 为时间区间进行预警体系的应用， 并综合决策进行 现场预警， 见表1。 其中各因素的预设临界值即预警预设值的确定 原则与方法 ①根据其定义、 数学模型、 物理意义， 在 微震活动性因素分析中确定的趋势特征、 总结的高 低值特征揭示的地压活动性规律； ②根据其分布情 况与现场地压显现情况进行时间区间上的拟合， 结 2020年第8期郭晓强等 基于微震的地压灾害预警体系构建与应用研究 169 合已有的实验室研究与分析者经验进行进一步确定。结果见表2。 结合矿山现场地压台账记录， 在2017年5月下、 6月上、 10月下、 11月上、 11月下分别于350 m下盘主 沿脉、 150 m下盘0北2穿脉、 200 m下盘0穿脉处 发生过不同程度的巷道变形开裂、 采场冒顶垮塌甚 至弱岩爆等地压灾害现象， 其中5月下、 10月下地压 灾害程度相对较强， 即除2017年8月下未能正确预 警外， 其余5次预警全部正确， 可见该体系预警效率 高、 应用效果好。 4结论 （1） 基于现场微震监测的有效事件库， 进行了时 空强微震活动性因素分析， 选取了多种物理意义清 晰、 数学模型明确的分析因素 时间序列及其强度因 子Q时、 空间演化及其强度因子Q空、 定量地震学参数 如b值、 βn值、 η值、 CUFIT模型。 （2） 结合现场微震数据库对各参数的分析， 总结 了各因素的高低值、 趋势特征及其揭示的地压活动 性规律与预警特征 时序活跃期、 Q时高值、 空间活跃 区域、 Q空低值、 低b值、 高βn值、 高η值、 CUFIT模型符 合急剧积累至高值后呈下降趋势都表征现场地压显 现可能性较大。 （3） 综合考虑多项时间、 空间、 定量地震学参数 的预警因素， 构建了基于微震的地压灾害预警体系， 通过综合判定函数F与各因素相关性及其预警方法 进行了现场实际应用， 预警效率高、 应用效果好。 参 考 文 献 何满潮， 谢和平， 彭苏萍， 等. 深部开采岩体力学研究 ［J］ . 岩石 力学与工程学报， 2005， 24 （16） 2803-2813. ［1］ 金属矿山2020年第8期总第530期 170 ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ ［10］ ［11］ ［12］ ［13］ ［14］ ［15］ ［16］ ［17］ ［18］ ［19］ He Manchao，Xie Heping，Peng Suping，et al. 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