基于微震中长期监测的地下开采对地表影响分析.pdf

第32 卷增刊12023年6 月文章编号：10 0 4-40 51(2 0 2 3)S1-0243-05基于微震中长期监测的地下开采对地表影响分析中国矿业CHINA MINING MAGAZINED0I:10.12075/j.issn.1004-4051.20230286Vol.32,Suppl 1June2023孙承超，魏筱乐，周锐，王贺2.3.4（1彝良驰宏矿业有限公司，云南昭通6 57 6 0 0；2.矿冶科技集团有限公司，北京10 2 6 2 8；3.北京科技大学土木与资源工程学院，北京10 0 0 8 3；4.国家金属矿绿色开采国际联合研究中心，北京10 2 6 2 8)摘要：深部金属矿充填法开采对地表的影响分析是深部地下开采矿山设计论证的关键问题之一。针对已有地下开采工程的改扩建矿山，通过设计合理的井下微震监测系统，开展中长期微震监测，分析地下开采诱发微震事件中长期时空分布规律、微震应力、微震变形特征，评估深部充填开采对地表的影响。研究结果表明，在监测时间段内，微震事件主要集中在井下回采水平附近，在地表附近仅有极少数的微震事件发生，且震级较小；井下应力集中区和变形较大区域均位于回采水平附近，地下开采诱发的微破裂事件未在地表附近出现，说明井下开采对地表影响较小。研究为深部地下开采对地表影响评价提供一种新的技术思路，为类似矿山开采岩层移动规律分析提供有益借鉴。关键词：金属矿山；充填开采；微震监测；采动影响中图分类号：TD235Impact analysis of underground mining on surface based onSUN Chengchao,WEI Xiaole,ZHOU Rui,WANG He2-3.4(1.Yiliang Chihong Mining Co.，Lt d.，Zh a o t o n g 6 57 6 0 0,Ch i n a;2.BGRIMM Technology Group,Beijing 102628,China;3.School of Civil and Resource Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China;4.National Centre for International Research on Green Metal Mining,Beijing 102628,China)Abstract:The analysis of the influence of deep metal filling mining on the surface is one of the key problemsin the design of deep underground mining.Aiming at the reconstruction and expansion mines with existingunderground mining projects,a reasonable underground microseismic monitoring system is designed to carryout medium and long term microseismic monitoring.The medium and long term spatial and temporaldistribution of microseismic events induced by underground mining,microseismic stress and microseismicdeformation characteristics were analyzed.Therefor,the influence of deep filling mining on the surface wasevaluated.The results show that during the monitoring period,microseismic events are mainly concentratednear the mining level,and only a few small magnitude microseismic events occur near the surface.Underground stress concentration area and large deformation area are located near the mining level,andmicro-fracture events induced by underground mining do not appear near the surface,indicating that文献标识码：Along-term monitoring of microseismic收稿日期：2 0 2 3-0 5-0 4基金项目：“十四五”国家重点研发计划项目“深井大规模开采岩体力学理论与动力灾害防治技术”资助（编号：2 0 2 2 YFC2904102）第一作者简介：孙承超（19 8 7 一），男，汉族，云南昭通人，主要从事深部金属矿高效绿色开采技术方面研究工作，E-mail：10 18 5138 9 4q q.c o m。引用格式：孙承超，魏筱乐，周锐，等.基于微震中长期监测的地下开采对地表影响分析 J.中国矿业，2 0 2 3,32（S1）：2 43-2 47,2 6 2.SUN Chengchao,WEI Xiaole,ZHOU Rui,et al.Impact analysis of underground mining on surface based on long-term monitoring ofmicroseismicJJ.China Mining Magazine,2023,32(S1):243-247,262.责任编辑：边晶莹244矿山地下开采是将地下有用矿物开采出来的过程，势必会在地下形成空区，进而导致空区周围岩体的原始应力平衡状态被打破，应力发生重分布并达到新的平衡状态。在此过程中，采空区上覆岩层会产生移动、变形甚至是破坏，并逐渐向上发展直至地表，引起地表发生变形、移动以及可能的非连续的破坏等 1。采用充填体回填采空区能够在一定程度上维护空区的稳定，降低上覆岩层移动的范围以及破坏程度，降低地下开采对地表的影响，是目前国内外应用较为广泛的地压管理方式。但也应注意到，采用充填法回采充填后的地下开采行为是否会引起地表的移动变形，诱发地表建构筑物的破坏尚无定论。一些浅部矿体回采设计规范等对地下开采对地表的影响，一般采用划定移动圈的方式予以评估，在移动圈范围内的建构筑物布置有严格的规定。然而，随着开采不断向深部延伸，沿用现有的浅部回采规范划定移动圈，将严重高估深部充填开采对地表的影响范围，使得相关搬迁、建设等成本显著提高，降低矿山经济效益，甚至导致很多深部开采矿山失去开采价值。传统的浅部移动圈确定方法已难以满足深部矿山回采设计需求，为此，众多学者开展了深部地下充填开采对地表影响规律探索研究，为深部开采岩层移动规律分析提供了技术思路和有益参考。目前，分析深部地下充填开采对地表影响规律主要有理论分析法、数值模拟分析法以及现场监测分析法。如江飞飞等 2 采用AHP-Fuzzy综合评价、数值模拟以及地表沉降观测3种方法相结合的方式，分析了完全充填开采下地表变形特征；张峰等 3构建了基于概率积分法和多项式法相叠加的地表移动变形值计算模型，有效地降低了计算模型与实测结果间的误差；王士彪 4利用“三带”理论分析研究某金银矿地下开采对地表变形的影响；操帅等 5、马相松 6 、李昊等 7、胡崴等 8 、刘焕春等 9 、杨八九等 10 1分别采用FLAC3D、A BA Q U S等数值模拟方法研究了充填开采对地面建、构筑物的影响；蒋春梅等 111基于DInSAR结果绘制了开采影响边界以及计算临界变形值，对矿区地表村庄进行损害鉴定；朱宗杰等 12 通过建立矿山地表沉降监测系统，结合现场长期观测获取的数据资料，分析了充填法开采对地表的影响。中国矿业underground mining has little influence on the surface.The research provides a new technical idea forevaluating the impact of deep underground mining on the surface and a useful reference for similar miningstrata movement analysis.Keywords:metal mines;filling mining;microseismic monitoring;mining influence1.1矿山开采技术条件某铅锌矿矿床类型属碳酸盐岩型铅锌矿，含矿地层主要为泥盆系上统宰格组和石炭系威宁统，围岩为中粗晶白云岩，矿体呈隐伏-半隐伏状赋存于石门坎背斜西翼，多向南西侧伏，矿体产状与地层基本一致，走向北东-南西，倾向南东，矿体倾角集中在758 0，倾斜延深较大。目前保有矿体埋深在50 1600m之间。矿体呈似层状或扁柱状产出，形态较为规则，倾向上矿体大体随地层产状变化而波状弯曲。节理裂隙及小断层发育，切割矿体，破坏其完整性。复杂的构造特征使矿体的整体强度分布不均衡，结构疏松的黄铁矿降低了矿体的整体强度。属坚硬、半坚硬岩组，稳固性中等，工程地质条件属中等-复杂类型。1.2采矿方法目前矿山采用下向水平分层胶结充填采矿法回采资源，分为下向水平分层矩形进路式胶结充填法和下向水平分层六边形进路式胶结充填法。当矿体厚度小于2 0 m时，选用下向水平分层矩形进路式胶结充填法进行回采；当矿体厚度大于等于2 0 m时，采用下向水平分层六边形进路式胶结充填法进行回采。采用下向水平分层矩形进路式胶结充填法回采的盘区，上下分层矩形进路交错布置，采用自上而下，“隔三采一”的方式进行回采，矩形回采进路规格宽3.5m，高3.0 m（或宽4.0 m，高4.0 m）。采场进路断面形式为六边形,规格为顶3m、底3m、高5m、腰5m,进路断面一次爆破成型,六边形进路内腰线以上两帮、顶板均为充填假顶，腰线以下两帮、底板均为矿体，采用“隔一采一”的方式进行回采，回采工作自上而下逐个分层进行。第32 卷总结现有的分析方法不难发现，目前采用微震监测论证深部地下充填开采对地表影响程度的研究较少。为此，以某地下铅锌矿为工程实例，探索性地采用微震监测方法，分析地下开采诱发微震事件中长期时空分布规律、微震应力、微震变形特征，评估深部充填开采对地表的影响，为深部地下开采对地表影响评价提供一种新的技术思路，为类似矿山开采岩层移动规律分析提供有益借鉴。1工程概况增刊11.3主要技术难题随着开采深度、回采范围的不断扩大，地下开采是否对地表建构筑的安全、天然边坡的稳定性构成影响，是矿山呕待回答和解决的基本问题。虽然，在传统的观念里，充填开采能够最大程度的降低地下开采对地表的影响，但也不可否认，国内外部分矿山即便是采用了充填的方式，也造成了局部地表的塌陷、建构筑物的开裂等等灾害。在数值模拟分析、地表位移监测的基础上，补充基于微震中长期监测的地下开采对地表影响评价，是回答地下充填开采对地表是否构成影响的一项创新性工作。2基于微震监测分析模型建立2.1微震监测系统概述依据矿区地压现状、资料调查及现场勘查情况，统筹矿体赋存条件、开采现状和未来的开采规划，并充分利用矿山现有开拓巷道和室，针对矿区6 7 0 430m中段地压监测需求，建立了一套现场实时、动态、自动监测的IMS微震监测系统，共包含2 8 通道微震传感器。分别位于6 7 0 m中段12 支、6 10 m中段8 支、49 0 m中段4支和430 m中段4支单分量速度型微震传感器。各中段传感器分别安装在脉内巷道或脉外巷道围岩体内。通过这些传感器，形成一个立体的微震监测台网，将主要监测的采场和采空区包括在其中心，使该系统能够精确的定位到采场内发生的微震事件，从而准确掌握地压活动情况。在6 7 0 m辅助水泵房处放置井下微震通信中心，并在此处接人六大系统光纤环网，实现即时通讯。通过微震监测台网分析，该矿微震监测系统定位误差大部分在11m左右，灵敏度在一2.1左右，核心区域定位误差可达7m左右，灵敏度在一2.2 左右。2.2数据分析模型的建立选取的典型剖面应综合考虑，既能涵盖矿区的总体情况，又能代表较为危险的回采区域，最终选取的典型分析剖面为9 4#勘探线、10 2 勘探线、110#勘探线、118#勘探线，以及沿矿体走向、垂直于勘探线的I#剖面线。根据前述选取的分析断面，建立相应的微震分析模型。在9 4#、10 2#、110#、118#线及垂直勘探线方向建立三维微震分析模型。模型尺寸：9 4#勘探线、10 2#勘探线、110#勘探线、118 勘探线分析模型尺寸为50 0 m40mX1000m；垂直勘探线方向分析模型尺寸为8 0 0 m40mX1000m，如图1所示。2.3基于微震中长期监测的地表影响分析方法基于前述构建的微震数据分析模型，分析某铅孙承超，等：基于微震中长期监测的地下开采对地表影响分析245#地表移动圈118#110#102#94#图1微震分析模型Fig.1Microseismic analysis model锌矿深部开采对上覆岩层移动的影响规律，选取矿区典型剖面，整理分析典型部面微震事件中长期时空分布、应力分布以及变形分布特征。主要分析微震事件在空间的聚集特征，评估地下采场诱发的岩体破裂事件是否影响到地表，如未在地表附近发生岩体的微破裂事件聚集现象，则表明地下开采未对地表构成影响；分析基于微震能力指数表征的应力分布演化特征，判断是否在地表附近产生了岩体的应力集中区或应力释放区，如未产生应力集中或释放区的显著变化，则表明地下开采未对地表造成影响；评估微震活动表征的岩体变形程度，是否在地表附近造成了变形异常区域，如未产生变形异常区域，则表明地下开采未对地表造成影响，反之亦然。3时空分布规律、微震应力、微震变形分析考虑到篇幅有限，只分析较为典型的10 2 勘探线和纵向剖面I#剖面线的微震中长期时空分布特征、微震应力及微震变形分布规律，其他剖面亦有相同的规律和结论，在此不再赘述。需要说明的是，目前矿山主要生产水平为6 7 0 m水平、6 10 m水平、49 0 m水平和430 m水平，6 7 0 m水平以上中段矿体已回采完毕，这对后续的微震数据分析构成显著的相关性影响。3.1102#勘探线剖面微震监测结果分析统计分析2 0 2 0 年10 月1日一2 0 2 2 年10 月31日微震事件。球体大小表征微震事件的震级大小，灰度变化表征微震事件发生的时间。微震事件中长期时空演化特征如图2 所示。由图2 可知，在监测时间段内，监测到的微震事件主要集中在7 6 0 m水平以下，在7 6 0 m水平以上，仅有极少数的微震事件发生，且震级较小。考虑到微震监测系统的有效监测距离约为2 0 0 m，布置的传感器最高高程为6 7 0 m水平，可以认为，在7 6 0 m水平以上微震事件较少并246非超过微震监测系统本身监测范围而导致，表明地下开采活动并未诱发近地表的微震事件，侧面说明深部开采对地表的影响较小。在微震分析中采用能量指数来表征应力，一个微震事件的能量指数是该事件所产生的实测辐射微震能量与区域内所有事件的平均微震能量之比，能量指数越大表示事件发生时震源的驱动应力越大，能量指数相对较高的区域代表岩石的应力比较集中。基于微震监测的表征应力分布规律如图3所示。由图3可知，10 2#勘探线剖面内没有明显的应力集中区。中国矿业开采过程中，岩体受地应力影响，且开挖卸荷出现应力集中，损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，变形程度较大区域的岩体损伤程度越大，动力灾害发生可能性也越大。微震变形分布规律如图4所示。由图4可知，10 2#勘探线剖面的430 m水平中部变形较大，最大变形为99.59mm，主要是由于采场回采或巷道开挖产生的局部变形，需要加强对变形较大区域的现场观察。第32 卷910m位移/mm-910m760 m670 m610 m490 m430m-370 m图2 10 2#勘探线剖面微震事件时空分布规律Fig.2 Spatial and temporal distribution ofmicroseismic events in line 102#910m760m-1_670 m-610 m-490 m-430 m-370m-图310 2#勘探线剖面微震应力分布规律Fig.3Distribution law of microseismic stressin line 102#岩体破裂过程中，内部破裂尺度（变形）越来越大，内部变形随岩体破碎程度的增大而增大。矿山760 m-670 m-一610m-490 m-430m-370m-图410 2#勘探线剖面微震变形云图分布规律Fig.4IDistribution law of microseismic deformationnephogram in line 102#3.2I#剖面线微震监测结果分析统计分析2 0 2 0 年10 月1日一2 0 2 2 年10 月31日微震事件。球体大小表征微震事件的震级大小，灰度变化表征微震事件发生的时间。微震事件中长期时空演化特征如图5所示。由图5可知，在监测时间段内，监测到的微震事件主要集中在8 10 m水平以下，在8 10 m水平以上，仅有极少数的微震事件发生，且震级较小。考虑到微震监测系统的有效监测能量指数距离约为2 0 0 m，布置的传感器最高高程为6 7 0 m水7.641 039e+00平,可以认为，在8 10 m水平以上微震事件较少并非7.573 492e+00-7.505.945e+00-7.438 398e+007.370851e+00-7.303304e+00-7.235.757e+00-7.168210e+007.100 663e+007.033 116e+000.000000e+001.106560e+012.213120e+013.319680e+014.426240e+015.532800e+016.639360e+017.745921e+018.852480e+019.959040e+01超过微震监测系统本身监测范围而导致，表明地下开采活动并未诱发近地表的微震事件，侧面说明深部开采对地表的影响较小。基于微震监测的表征应力分布规律如图6 所示。由图6 可知，I剖面线的7 6 0 49 0 m水平中部及左侧应力比较集中，主要是由于采场回采及开拓后应力重分布所致，需要加强对应力集中区的现场观察。微震变形分布规律如图7 所示。由图7 可知，I#剖面线的6 7 0 m水平中段、430 37 0 m水平中部偏左区域变形较大，最大变形为56.0 8 mm，主要增刊1图5I#剖面线微震事件时空分布规律Fig.5 Spatial and temporal distribution ofmicroseismic events in line I#910m760 m-670 m-610 m-490 m-430 m-370 mFig.6Distribution law of microseismic stress in line I#910m0.000 000e+00760 m-6.231 110e+00670 m-1.246 222e+01610m-1.869333e+012.492.444e+013.115555e+01490 m-3.738 666e+01430 m-4.361.777e+01370m-4.984888e+015.607 999e+01图7 I剖面线微震变形云图分布规律Fig.7IDistribution law of microseismic deformationnephogram in line I#是由于采场回采或巷道开挖产生的局部变形，需要加强对变形较大区域的现场观察。孙承超，等：基于微震中长期监测的地下开采对地表影响分析微震事件发生，且震级较小。2）井下应力集中主要是由于采场回采及开拓910m后应力重分布所致，变形较大区域也位于回采水平附近，主要是由于采场回采或巷道开挖产生的局部760 m变形。670m3）基于微震中长期监测的数据分析表明，井下:610m开采诱发的微震事件、应力集中或释放区以及变形:490m:430m:370m能量指数-9.055712e+008.721271e+008.386828e+008.052.387e+00-7.717946e+00-7.383504e+00-7.049 063e+006.714621e+006.380179e+006.045738e+00图6 I#剖面线微震应力分布规律位移/mm2474 结 论1）在监测时间段内，监测到的微震事件主要集中在井下回采水平附近，在地表附近仅有极少数的异常区，均位于井下回采区域附近，未影响到地表附近，表明井下开采对地表的影响较小。参考文献1张智博，高世坤，吴亚斌.金属矿山地下开采对地表建筑物稳定性影响分析.中国矿业，2 0 19，2 8（8）：8 4-9 0.ZHANG Zhibo,GAO Shikun,WU Yabin.Analysis of the in-fluence of underground mining of metal mines on the stabilityof surface buildingsJJ.China Mining Magazine,2019,28(8):84-90.2江飞飞，周辉，盛佳，等.完全充填开采下地表变形特征分析及现状评价 J.岩石力学与工程学报，2 0 18,37（10）：2 344-2 358.JIANG Feifei,ZHOU Hui,SHENG Jia,et al.Analysis andevaluation of surface deformation characteristics under thecondition of completely backfill miningLJJ.Chinese Journal ofRock Mechanics and 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