黄山铜镍矿采空区顶板冒落规律研究

何德强 石 峰 王 平 蔡永顺 崔 冰 郝 帅

(1.新疆亚克斯资源开发股份有限公司，新疆 哈密 839000；2.矿冶科技集团有限公司，北京 100160；3.国家金属矿绿色开采国际联合研究中心，北京 102628；4.承德铜兴矿业有限责任公司，河北 承德 067200)

在矿山开采过程中，对复杂采空区岩体稳定性的监测一直以来都是采矿与岩石力学领域的研究热点与难点[1]。近年来，微震/声发射监测技术作为一种高精度岩体破裂监测手段，可通过监测数据，进行地震学参数反演计算，圈定岩体潜在危险区域，被广泛应用于国内外工程安全监测[2-4]。何满潮等[5]模拟深部岩爆发生条件，进行了深部岩爆模拟试验，发现随着加载时间的增加，声发射/微震信号频率由低频过渡发展为高频。马天辉等[6]以锦屏二级水电站岩爆高发洞段作为研究对象，基于微震监测技术揭示了微震时空演化与岩爆之间的关系。张楚璇等[7]基于微震活动性参数，研究了顶板冒落前后参数变化特征，提出了岩体稳定性预测参数。

黄山铜镍矿隶属于新疆亚克斯资源开发有限公司，采矿方法为无底柱分段崩落采矿法，生产能力为4 000 t/d，目前主要开采的矿体为30#矿体，32#矿体已经开采完毕。随着开采的不断推进，30#矿体采空区的空顶距不断增大，且不断靠近32#矿体采空区，致使两采空区间柱不断减少，甚至有贯通的可能。此外，底部巷道岩体破坏明显，局部应力集中，已经出现片帮等动力灾害。为保障矿山生产安全，掌握30#矿体开采过程中采空区顶板冒落规律，对采空区顶板大范围冒落和底部巷道地压活动进行有效监测及预警尤为重要。

本文基于微震监测技术，在采空区顶板冒落至地表之前进行有效监测，形成一套符合该矿山特点的可靠、高效、稳定的实时在线监测系统。通过监测微震事件空间分布，对30#采空区顶板崩落范围进行圈定，进一步分析顶板冒落规律，监测采空区顶板冒落范围及地表沉降速度，指导矿山安全生产。

1 监测系统设计

1.1 微震监测技术

由于采矿活动破坏了岩体原始应力平衡，造成应力集中，内部能量也不断积聚，当内部能量达到临界值时，岩体会发生破裂失稳。而岩体发生完全破裂失稳前，会向外释放弹性波，如图1所示，微震监测技术可以有效捕捉弹性波，进而反演分析出岩体受力状态。根据微震事件集聚程度、能量变化等，反演开采过程中岩体变化发展趋势。

图1 微震原理示意图Fig.1 Schematic diagram of microseismic monitoring

1.2 微震台网布置

对目前主要开采的530 m、450 m、350 m中段岩体稳定性、顶板崩落、地表沉降等情况进行重点监测，具体微震监测点布置如图2所示。在地表布设8个单分量微震传感器，在530 m中段布设5个单分量微震传感器、1个三分量传感器，在450 m中段布设8个单分量微震传感器，共计24通道，系统监测数采如图3所示。该监测台网可以实现对采空区顶板冒落有效、大范围、高精度立体监测，同时还可以兼顾底部巷道岩体稳定性监测。

图2 微震监测台网Fig.2 Microseismic monitoring network

图3 微震数采Fig.3 Microseismic data acquisition

1.3 波速校正

由于岩体的不均匀性特征，按照系统推荐波速进行定位可能有较大误差。因此，需要采用定点爆破的方式进行波速校正，对比实际爆破坐标和监测坐标，并通过监测系统波速返校功能，最终确定VP=5 300 m/s，VS=3 100 m/s。

2 采空区顶板冒落规律研究

图4为采空区上覆岩体微震事件数量统计，2018年9月份之前，微震事件变化平缓，为20个左右上下浮动，表明岩体处于稳定阶段，岩体内部没有较大裂纹。但随着30#矿体开采活动的不断进行，采空区范围越来越大，2018年9月份之后，微震事件出现一个小幅度上升，即上覆岩体局部已经出现应力集中，内部裂纹汇合形成小范围岩体破裂。2019年1月～2019年3月份，微震事件出现异常变化，数量急剧上升和下降，岩体内部能量出现释放，上覆岩体出现大范围破坏，地表出现新增裂缝。

图4 微震数量演化特征Fig.4 Characteristics of microseismic quantity evolution

上覆采空区顶板微震事件空间演化规律如图5所示，圈定微震事件空间分布范围确定顶板崩落范围。2018年2月，30#矿体与32#矿体采空区并未相互贯通。2018年3月，采空区顶板不断向上崩落，30#与32#采空区已经逐渐贯通，采空区间柱范围减少，并在地表附近出现标高为908 m的一个微震事件，地表此时出现较小裂隙(如图6所示)，表明顶板崩落已经影响到地表。2019年1月，地表附近微震事件出现空间集聚，最高标高975 m，地表附近新增微震事件55个，地表开裂明显。2019年3月，地表附近微震集聚范围进一步扩大，地表新增裂缝及原有裂缝进一步扩大，而30#矿体与32#矿体采空区已经贯通，顶板继续向上破裂，最高标高已达到800 m。通过分析微震事件空间演化规律可知，如图7所示，微震事件有向32#塌陷区不断发展的趋势。

图5 微震空间演化特征Fig.5 Characteristics of microseismic spatial evolution

图6 地表新增及变化明显裂缝Fig.6 New and changed cracks on the surface

图7 微震事件发展趋势Fig.7 Development trend of microseismic events

3 结论

针对黄山铜镍矿30#矿体采空区的空顶距不断扩大，且不断靠近32#矿体采空区，对井下安全生产造成极大安全隐患的问题，建立微震监测系统，优化微震监测台网，校对波速，基于微震事件空间分布规律，对采空区顶板冒落规律进行分析。得出结论如下：

采空区微震事件时空演化规律可以较好地反映顶板冒落规律。2019年1月—2019年3月微震数据出现突增突降异常现象，地表出现较大破坏。微震事件空间分布圈定顶板崩落范围，顶板不断向上崩落且与32#矿体采空区逐步贯通，微震事件有向32#塌陷区不断发展的趋势，现象显现与监测结果基本吻合。