基于微震监测的金属矿山地压演化规律分析

王 虎， 师 海， 付搏涛， 魏 杰

(1.中国安全生产科学研究院矿山安全技术研究所， 北京 100012； 2.清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室， 北京 100084； 3.中国地质大学(北京)工程技术学院， 北京 100083)

在金属矿山采矿活动中，高地压诱发的地质灾害，如岩爆、采空区塌陷、露天边坡崩塌等[1-2]，是矿山尤其是非煤矿山开采引发地质灾害的主要原因之一，是造成矿山重大人员伤亡和财产经济损失的重要原因。因此，有关地压的监测预警、预报防治及其危害评估分析一直是矿山安全技术领域的研究重点[3]，尤其针对深井矿床开采的地压监测，微震是目前最为有效的监测手段之一。

微震监测作为一种有效的应力场监测手段，在中外金属矿山中已应用多年，是金属矿山应力场监测和研究的重要手段[4-6]。中国学者李瑞等[7]对会泽铅锌矿大量微震监测数据进行统计，分析了微震监测参数主要特征及关系，利用监测参数在岩体失稳之前会呈现出异常变化趋势和征兆来预测预报。褚冬攀等[8]利用获取的微震监测信号，分析微震事件出现的频次和事件的异常特征，研究了地下隧洞围岩发生岩爆灾害与微震事件的关系。黄志平等[9]研究发现，岩爆发生前岩体微破裂前兆特征，有效微震事件数目、集中程度、单个事件能量大小及其累计能量释放速率等多个指标是强、极强岩爆预警机制的重要依据。何学秋等[10]利用微震频次指标、能量指标，来监测采掘扰动、地质异常具有良好效果，同时利用弹性波CT(computed tomography)验证了探测区域应力场的分布特征与理论分布的一致性。

目前，尽管微震监测技术是针对岩体工程的地压监测，特别是预报岩爆灾害比较有效的监测技术，且近年来微震技术在矿山中的应用不断增多，但由于矿山采矿技术差异性、特殊性和地质构造的复杂性，矿山地压监测效果差异性较大，且利用微震事件对矿山岩爆的预警研究较少，尤其是对地应力场、微动活动与地压演化的关系和矿山地压演化规律揭示不够清楚[11]。

本文以此为研究契机，以内蒙古某金矿为研究对象，基于高精度微震监测系统一年完整监测数据，对监测结果和多参数指标进行综合分析，揭示监测周期内矿山地压演化规律，预测地压发展趋势，并对微震系统在金属矿山的应用效果进行了评价和分析。

1 微震监测系统构建

1.1 工程概况

内蒙古某金矿，位于内蒙古乌拉山东段，属阴山山脉，耸立于蒙古高原和河套平原之间，呈不断上升和侵蚀剥蚀的地貌景观。分水岭海拔标高1 768～2 255 m。山前坡角标高1 100 m，高差658～1 155 m。山间沟谷较为发育，有的沟谷常年有水。矿体全部赋存在上太古界乌拉山群变质岩中，严格受构造控制，成群成带分布。矿体多呈脉状、似板状，以近东西向走向分布为主，少数呈北西向走向分布。各矿脉矿石类型、矿物成分及矿化特征相近，均属贫硫化物型矿石，氧化带不发育，以原生矿为主。矿石中，金属矿物比较单一，主要是黄铁矿、其次为方铅矿等，含量2%～5%;脉石矿物以石英、钾长石、斜长石为主，含量95%以上。

矿体顶底板围岩主要是黑云斜长片麻岩等各种片麻岩，顶底板的围岩蚀变主要是钾长石化、硅化、绢云母化和黄铁矿化。围岩为片麻岩，矿体为石英-钾长石脉、结构面为软弱夹层，三者组成的围岩岩体为整体块状结构。矿井在开采过程中，由于辉绿岩脉和东西向构造断裂的存在，多处遇有软弱夹层，存在塌落现象。

该矿采矿方法为浅眼留矿法。开采水平已由海拔1 118 m下降至618 m，采深在500 m 以下，走向长度1 250 m以上。矿区经过多年的空场法开采，形成的空区面积已达6.25×105m2，由于大面积空区未进行处理，已出现明显的地压活动, 存在严重的安全隐患，直接影响深部的矿体开采。因此在采矿生产中现场构建微震监测系统，揭示地压演化规律，预测地压发展趋势对采矿安全生产十分必要。

1.2 微震系统层级布置

该矿在2014年布设了IMS高精度微震监测系统，井上井下主要结构分为4个层级，硬件设备主要包含1台服务器，1台信息总站，3台监测台站和14支微震传感器。具体层级及布置如图1所示。

图1 微震系统层级及布置Fig.1 Level and arrangement of microseismic system

1.3 波速的标定

微震监测系统在该矿山构建后，通过爆破标定得出符合现场地质情况的P波(Vp)和S波(Vs)波速，以使监测系统更为精确定位微震事件。根据爆破信号及其位置，反演该矿地震波速可知，Vp=4 835 m/s，Vs=2 633 m/s。

2 采矿过程微震活动特征

采矿过程中，岩爆、坍塌等现象的发生实质上是伴随着采矿生产围岩内微裂纹的扩展过程，监测获得的微震事件正可以反映围岩内微裂纹的发展[12]，因此通过分析采矿活动中地应力场、微动活动有助于揭示地压演化规律，预测地压发展趋势，从而为评估矿山安全开采岩体的稳定提供判识依据。

2.1 微震事件时空分布分析

矿山开采过程中，岩体内应力得以释放，所以，微震事件的数量可以反映矿山的实际开采情况。以某一自然年的监测数据为例，来分析微震事件的时空分布规律。图2所示为该矿山某年度所有微震事件空间和时间分布。

本文中研究监测时间为2015年，从图2可知，该年微震事件总计1 767个，其中震级大于0的事件为24个，年内最大的微震事件发生在9月4日，震级为0.5，第二个大事件发生在2月18日，震级为0.4。对比微震大事件列表，微震大事件是伴随采矿爆破而生，监测到的微震大事件是爆破后短时间内围岩应力的重分布，引起的局部位置点岩体破裂。微震大事件会导致围岩体内部裂缝的发展，同时伴随岩体内储能以应力的形式释放。

颜色从蓝到红表示事件发生的先后顺序，球的大小表示微震事件震级大小图2 微震事件时空分布Fig.2 Temporal and spatial distribution of microseismic events

通过对微震事件的统计分析可知，全年的监测到的微震事件分布相对集中，事件主要分布高度为200～900 m，和矿山主要生产作业区域相吻合。微震集中发生的高度为300～600 m。矿区的上部和下部由于开采强度较低，发生的微震事件相对较少。

2.2 地压活动区域分析

通过布设的微震传感器可监测并计算出各区域微震事件造成的最大的岩体位移变形，最大变形用不同的颜色进行标记，如图3所示。在图3中，岩石位移变形一定程度上可以反映微震事件的活跃区域，其他位置活动极其微弱或无活动。

红色标记的位置为岩体活动较为明显区域，蓝色标记的区域为岩石活动不明显区域图3 监测自然年矿区岩体变形Fig.3 Rock deformation in mining area of one year

根据围岩变形区域和微震事件的空间分布，可对矿区内岩体主要活动位置进行圈定。图3中采用红色虚线圈定了4处矿区岩体主要活动位置。其分布特征，与作业面的布置位置、开采强度、矿体倾角等因素密切相关。从图3中可知，活动区的主要分布高度200～600 m，以矿区中部和西南部最为明显，矿体开采对于近距离上覆岩体影响明显，矿区600 m以上水平岩体活动受开采、爆破影响较小。整个矿区最大变形尺度影响在毫米级别，不会造成大规模的地压失稳，因此地压活动相对稳定。

2.3 微震活动时程分析

2.3.1 微震事件数累积时程分析

年度微震事件累积如图4所示，其中，曲线的斜率表示事件发生率，短时间内事件发生率急剧增大，一般认为是岩体内微裂纹迅速扩张，岩体内部结构破坏演化的标志之一，通常作为实时预警的重要指标[13]。从图4中可知，年度初期和末期曲线较为平缓，微震事件相对较少，地压活动相对较弱；年中微震事件相对较多，曲线上升变化稳定，地压活动相对明显。全年整体数据表现得较为均匀，说明全年地压变化相对较为稳定。

图4 微震事件累积数和微震活动历时Fig.4 Cumulative number of microseismic events and microseismic activity duration

2.3.2 微震活动性时程分析

微震活动性代表微震活动频繁与否。如果某个时间段曲线突然陡降，且持续一定的时间，预估可能发生较大的微震事件[12-14]。活动性突然降低表明岩体应力在不断积聚，能量积聚得不到释放，累积到一定的程度围岩内累积的能量集中释放将会引起较大的微震事件发生。由图5可知，监测自然年中3—10月微震的活动性较为明显，滑动曲线表现为较为规律的跳起和下降，说明岩体内部聚集少量能量，开采过程势能得到了及时、有效的释放，不会诱发大的地压灾害。年度初期和年度末期，微震的活动性相对较弱，不会诱发地压灾害。

2.3.3 微震累积视体积时程分析

累积视体积指岩体发生非弹性变形时的体积，可反映岩体内微裂纹的细微应变变化，如果一段时间内岩体内存在非弹性的累积变形，但没有发生破裂，表明能量在积聚。微震事件数和累积视体积历时如图5所示，由图5可知，8—10月，累积视体积曲线变化趋势较大，说明此阶段内围岩活动相对显著。12月末视体积曲线出现一个较为明显的跳起，视体积突然增大，是一次能量突然释放，但能量和震级并不大。纵观全年数据，地震累积视体积与地震事件数累积随时间增大，变化趋势基本一致，说明微震发生发展较为平稳，岩体稳定性未见较大异常变化，不会发生较大规模的破坏。

图5 微震事件数和累积视体积历时Fig.5 Number of microseismic events and cumulative apparent volume duration

2.3.4 能量指数时程分析

微震事件的能量指数(EI)是事件所产生的实测辐射微震能E与区域内所有事件的平均微震能E(P)之比。能量指数越大，表示微震事件发生时震源的驱动应力越大[14-15]。因此，可通过视体积与能量指数的曲线关系获取岩体灾害发生的前兆特征。通过对比累积视体积和能量指数曲线关系，可以预测地压灾害发生的预兆，累积视体积出现上升的趋势，且斜率增大，能量指数曲线下降，即应力下降，预示着有较大的微震事件发生。且累积视体积和能力指数时程曲线表现出某种周期变化的特征，这与矿山开采活动存在周期性的特点具有一定的相关性。

微震累积视体积和能量指数历时如图6所示，由图6可知，能量指数发生周期性变化，表明岩体内部应力存在周期性释放，能量指数释放周期主要受作业周期影响。对比累积视体积和能量指数曲线关系，未存在过大的反向趋势，表明矿区内部没发生大规模的地压灾害事件。

图6 微震累积视体积和能量指数历时Fig.6 Duration of microseismic cumulative apparent volume and energy index

图7 微震事件数与震级分布Fig.7 The number of microseismic events and magnitude distribution

3 微震事件趋势预测分析

3.1 微震事件数震级分布

微震事件震级与其出现概率成对数反比例关系，震级越小出现概率越高[12]。微震事件数与震级分布如图7所示。利用上阶段法拟合具体参数，图7中直线斜率的绝对值为b，该值一定程度反映岩体脆性的变化、多裂纹发生发展的汇聚程度。设定0级事件为分界点，通过拟合可知，b=4.213，远大于参考值1，说明监测金矿的微震事件分布主要以小事件为主，并且在一段时间内发生特大的微震事件的概率相对较小。

3.2 微震事件矩震级的分布特征

大量的现场微震监测试验研究[13]表明，不同阶段的能量和地震矩对数回归曲线、微震能量和地震矩关系曲线表现为一条直线，这说明这两个参数的关系呈现明显的幂率特征，公式为

lgE=c+dlgM

(1)

式(1)中：E为微震能量；M0为地震矩；c、d为拟合常数，分别反映应力水平和岩体视在刚度。

通过对不同时间段内微震事件能量和地震矩对数进行回归拟合，可以得到微震能量和地震矩的关系特征。其中图8所示为360 d的微震能量和地震矩分布关系。

图8 微震能量与地震矩分布Fig.8 Microseismic energy and distribution of seismic moment

对通过对不同时间段内应力水平c和岩岩体视在刚度d进行统计，变化情况如表1所示。两者参数的变化规律如下：随着岩体的视在刚度增大，应力水平下降；岩体的视在刚度减小，应力水平增大；即为回归线截距减小时，微震活动性减弱。

微震能量随着地震矩增加而增加，表1显示：年度初期，生产活动较弱，应力水平c较小，整个年度周期内，c、d值变化较小，说明微震事件变化平缓，地压活动演化趋于有利；如果作业强度保持稳定，则在未来一定时间段内，矿区范围内岩体稳定，不会发生大规模的岩体失稳。

表1 不同阶段回归曲线参数

3.3 累积体变势

垮塌、岩爆等岩体动力灾害发生前，岩体中会有一个微震事件势体积(即岩体非弹性变形)的逐渐积累过程，微震势体积与震源能量的变化趋势相似[14-15]。图9为累积体变势的变化，从图9可知，整个监测周期内微震累积势体积变化速率变化平缓，年底拟合的曲线斜率变小，说明岩体非弹性变形趋势变小，也即在未来一段时间不会发生大规模的地压活动事件。

图9 岩体内累积体变势Fig.9 Cumulative body potential of rock mass

4 微震监测综合结果分析

根据微震监测和地压演化规律的分析，总结如下。

(1)在整个监测周期内，微震监测系统共检测到有效微震事件总计1 767个，其中震级大于0的事件为24个。大事件几乎是伴随爆破而生，监测到的微震大事件是爆破后短时间内围岩应力的重分布，引起的局部位置点岩体破裂，这些事件对整个矿山岩体稳定性不会造成明显的影响。

(2)从微震事件和矿区生产作业分布情况对比，矿区主要微震事件受开采影响较为明显，震动场、应力场和采场的分布位置基本一致，说明矿区上覆围岩比较稳定，零星的微震事件发生在采区范围较远处，但能量不大，只是应力重新分布引起的小事件，不足以影响矿区地压稳定性。

(3)根据多指标对比分析，对地压演化趋势进行预测，如果矿山生产强度没有大幅调整，在未来一段时间内，该矿开采活动不会造成大规模的地压失稳，矿区地压比较稳定。

5 结论

应用了微震的活动性、微震累积视体、能量指数等参数，研究在同一时间轴下的变化特征及规律，分析了监测矿山地压演化规律及趋势，得出如下结论。

(1)以具体的矿山为例，分析了高精度微震监测系统在矿山的实际应用。应用统计学、地震学和岩石力学对微震多参数指标联合分析，多参数在同一时间轴下的变化特征及规律表现一致，表明该矿的微震监测结果稳定可靠。

(2)监测到的矿山微震事件可以反映采矿的动态活动，随着采矿爆破等活动的增加和时间的推移微震时间增多，且微震的活动性与现场采矿的实际情况吻合。

(3)对于矿山地压的长期监测及预警，分析微震的震级分布，微震能量与地震矩关系特，累积体变势等地震学指标，有助于掌握和判断地压发展的规律，更高效发挥微震监测系统的应用价值。