基于定量地震学的矿山微震活动对开采速率的响应特性研究.pdf

第 31 卷 第 7 期 岩石力学与工程学报 Vol.31 No.7 2012 年 7 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering July，2012 收稿日期收稿日期2012–03–19；修回日期修回日期2012–05–04 基金项目基金项目国家重点基础研究发展计划973项目2010CB732004；中南大学学位论文创新资助项目2011ssxt270 作者简介作者简介唐礼忠1963–，男，博士，1984 年毕业于重庆大学矿山工程物理专业，现任教授，主要从事岩土工程结构稳定及工程地质灾害防治等方 面的教学与研究工作。E-maillztang09。通讯作者张 君1987–，男，现为硕士研究生。E-mailcsuzj87 基于定量地震学的矿山微震活动对开采速率的基于定量地震学的矿山微震活动对开采速率的 响应特性研究响应特性研究 唐礼忠 1，张 君1，李夕兵1，汪令辉1，2，周建雄1，刘 涛1 1. 中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083；2. 铜陵有色金属集团公司 冬瓜山铜矿，安徽 铜陵 244031 摘要摘要矿山地震活动是矿山开采的岩体动力响应，反映矿山岩体应力、变形和破坏状态。利用冬瓜山铜矿微震监 测数据，基于定量地震学原理，采用累积视体积VA、能量指数 EI 和累积开挖量Vm时程曲线分析方法，研究矿 山开采速率与微震变形之间的关系；并从能量的储存与释放的角度，结合视体积 VA和弹性收敛体积 VE，提出将 累积地震视体积VA与累积开采量Vm之比作为微震活动对开采速率的响应系数CSR， 以表征岩体中能量的储存 与释放关系。研究结果表明，矿山开采量对VA和 EI 时程曲线特性有明显的影响，矿山开采速率与微震应变率存 在对应关系，CSR 的变化反映了系统的稳定变化趋势，可以方便地应用于矿山活动的监测分析和作为矿山生产速 率控制的指导参数。 关键词关键词采矿工程；微震活动；开采速率；定量地震学；时程分析；地震响应系数 中图分类号中图分类号TD 85 文献标识码文献标识码A 文章编号文章编号1000–6915201207–1349–06 RESEARCH ON RESPONSE OF MINE MICROSEISMICITY TO MINING RATE BASED ON QUANTITATIVE SEISMOLOGY TANG Lizhong1，ZHANG Jun1，LI Xibing1，WANG Linghui1 ，2，ZHOU Jianxiong1，LIU Tao1 1. School of Resources and Safety Engineering，Central South University，Changsha，Hunan 410083，China； 2. Dongguashan Copper Mine，Tongling Nonferrous Metal Group，Tongling，Anhui 244031，China AbstractSeismicity in mines is dynamic response of rock mass to mining and reflects the stress state， deation and destruction of rock mass. Using the time history s of the cumulative apparent volume VA，energy index EI and cumulative volume of production Vm，the relationship between seismic deation and mining rate is studied in the framework of quantitative seismology with the seismic data monitored in Donguashan Copper Mine. According to the view of storage and release of energy，combining with seismic apparent volume VA and elastic convergence volume VE，the ratio of the cumulative apparent volume ∑VA to the cumulative volume of production Vm is defined as coefficient of seismic response to miningCSR to present the relationship between energy storage and energy release in rock mass. The results show that，the volume of production influences obviously on time history curves of VA and EI；there is a correlation between mining rate and seismic strain rate； the variation of CSR indicates the tendency of stability of rock mass system， which can be easily used in analysis of mine seismicity monitoring and as a good guide parameter to control mining rate. Key wordsmining engineering；microseismicity；mining rate；quantitative seismology；time history analysis； coefficient of seismic response 1350 岩石力学与工程学报 2012年 1 引引 言言 岩体中积蓄的弹性势能在非弹性变形过程中以 震动波的形式被逐步或突然释放，从而产生微震事 件。这种现象对于研究岩体稳定性具有重要价值。 微震监测技术的基本原理就是通过监测、收集伴随 岩石破裂或错动时发出的微地震波信息，加以分析、 处理后确定微地震事件发生的位置、大小、数量及 能量释放等信息，用定量地震理论的方法描述岩体 工程力学性状变化，从而判断岩体的稳定性[1]。矿 山地震是由开采活动诱导产生的，二者之间的响应 关系是矿山地震研究的重要内容。国外对此已开展 了大量研究，如针对波兰煤矿、南非金矿、加拿大 镍矿和澳大利亚铜等的研究均显示，矿山地震活动 与采矿活动，如开采工艺过程、爆破及开采强度等 开采参数之间存在密切关系[2-5]。在国内对此的研究 相对较少，但冬瓜山铜矿、红透山铜矿、华峰煤矿 等矿山主要针对地震活动与开采过程及工程空间位 置关系开展了研究。赵兴东等[6]针对红透山铜矿微 震能量释放大小来区分不同微震事件产生的原因； 王存文等[7]针对华丰煤矿研究爆破卸压后微震事件 在工作面附近的空间分布；闫宪磊等[8]针对东滩煤 矿分析了工作面推进与微震活动的空间关系；唐 礼忠等[9-11]针对冬瓜山铜矿研究了微震时空强特 性，发现空间分布与开采活动及矿区矿柱具有较强 的对应关系，巷道掘进与采场回采引起的微震活动 具有不同的分形特征。虽然国内外研究人员对于矿 山地震活动的响应特性有了很多认识，但是由于受 到矿山地质条件和开采活动复杂性的影响，目前的 研究还处于初步阶段，特别是在建立地震活动与开 采响应定量关系方面，更需要深入研究。 冬瓜山铜矿是国内首先进入深部开采的金属矿 山之一，该矿山在开采准备阶段就建立了以微震监 测为主的地压监测系统，目的是指导和控制采矿进 程，预防灾害性矿震以及预警灾害性岩体失稳和岩 爆等事故[12]。本文针对冬瓜山铜矿微震活动与生产 开采，研究采用累积地震视体积ΣVA和能量指数 EI来比较不同时段地震活动与开采的响应特性， 建立累积开挖量和累积地震视体积时程曲线，研究 矿山开采速率与微震应变率之间的关系；从能量储 存与释放的角度出发，研究用累积地震视体积ΣVA 和生产开挖量 Vm来表示岩体能量存储和释放之间 的关系，研究其随开采速率的变化特性，从而提出 相应的参数来表征地震活动与开采速率之间的响应 关系，为日常的监测活动分析和矿山生产计划编制 提供理论依据。 2 地质开采条件和微震监测系统地质开采条件和微震监测系统 冬瓜山铜矿是我国典型的深井开采矿山之一， 矿床埋藏深度达 1 000 m 左右，矿区主导构造为青 山背斜见图 1。矿体总体走向 NE35 ～40 ，倾向 与背斜两翼产状一致，分别倾向 NW 和 SE，矿体 中部倾角较缓，一般均小于 10 ；而西北及东南部 较陡，一般为 30 ～40 。矿体形态与背斜深部形态 相吻合，呈一个不完整的“穹隆状”，整个矿体舒 缓波状起伏。矿体主要成分为含铜矽卡岩，矿体顶 部为大理岩，底板为石英闪长岩和部分砂岩。矿区 内节理、裂隙不发育，断裂构造延伸也不长。初始 应力场受构造应力场控制，主应力方向与矿体走向 一致，应力值为 30～35 MPa，最小初始应力分量为 东向 9～16 MPa。矿区内岩体坚硬，具有岩爆倾向 性。 图 1 冬瓜山铜矿矿床赋存 Fig.1 Deposit occurrence of Dongguashan Copper Mine 采用空场回采嗣后充填采矿方法，沿矿体走向， 每隔 100 m 划分一个盘区，2 个盘区之间为 18 m 厚 的隔离矿柱，在盘区内沿矿体倾向方向布置采场， 采场的结构参数为 18 m78 m全尾砂充填采场或 者 18 m82 m胶结充填采场，采矿活动在每个盘 区内进行，相对独立，采用“隔一采一”或者“隔 三采一”的方式进行回采活动，首采区盘区、采场 和矿柱布置如图 2 所示。本文针对首采区开采活动 及其诱导的微震活动。 巷道 矿体 地表 竖井 第 31 卷 第 7 期 唐礼忠等基于定量地震学的矿山微震活动对开采速率的响应特性研究 1351 图 2 首采区开采布置 Fig.2 Layout of the first mining area 冬瓜山铜矿于 2005 年国家“十五”科技攻关 期间建立了岩爆监测系统，实现了岩体应力活动动 态实时连续监测。微震监测系统为南非 ISSI 公司研 制的 IMS 微震监测系统，一共 24 个通道、16 个传 感器、4 个 QS 地震仪，其监测网络布置见唐礼忠 等[12]的研究。其有效的监测范围为冬瓜山铜矿首采 区的 3 个盘区。 3 冬瓜山铜矿微震活动与开采响应冬瓜山铜矿微震活动与开采响应 3.1 微震事件与开采活动概况微震事件与开采活动概况 为了研究微震活动与开采速率之间的关系，选 择 2006 年 7 月～2007 年 3 月共 3 个季度的微震事 件作为分析数据。由于冬瓜山铜矿这 3 个季度生产 量存在显著差异，这些数据能够较好地揭示微震活 动性与生产速率之间的相关特性。冬瓜山铜矿在这 段时间的采场生产量与巷道掘进量、各个盘区采场的 开采活动状况和微震事件分布状况分别见表 1～3。 表 1 采场生产量与巷道掘进量 Table 1 Stope production volume and roadway excavation volume m3 时间 生产量 掘进量 2006 年第三季度 97 429 41 780 2006 年第四季度 58 857 42 650 2007 年第一季度 100 743 43 560 3.2 累积视体积、能量指数和累计生产量时程分布 特征 累积视体积、能量指数和累计生产量时程分布 特征 根据定量地震学理论，一个微震事件的视体积 VA表征震源非弹性变形岩体的体积，它与释放的能 表 2 采场的开采活动状况 Table 2 Mining state of stope 盘区编号 回采采场编号 充填采场编号 1盘区 52–2，10，12，14，16 52–6，8 2盘区 54–2，6，10，12，14，16 3盘区 56–2 表 3 3 个季度微震事件分布状况 Table 3 Seismic event distribution in three quarters 震级 微震事件/个 ＜－2 1 057 －2～－1 2 018 －1～0 172 0～1 6 1～2 4 总计 3 257 量和体变势有关，可表示[1 ，13]为 2 A P V E   1 式中VA为视体积；为岩石剪切模量；E 为辐射 微震能；P 为微震体变势，用于度量震源应力的改 变。 一个微震事件的能量指数EI是该事件所产生 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。平均微震能 E P是根据平均微震能 和微震体变势 P 关系式lg E P d lgPc [14]求得 lg 10 10 c dP cd EEE EI E PP    2 式中d，c 分别为给定岩体体积和时间内的拟合常 数。 当 d 1.0 时， 表示能量指数与视应力成比例关 系。能量指数越大，表示事件发生时震源的驱动应 力越大。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。 一般来讲，微震活动的应力–应变变化特征可 参考室内岩石力学试验方法描述，应变初期为应变 硬化阶段，此时累计视体积曲线缓慢上升，斜率较 小，能量指数增大，即应力增大；应变后期为应变 软化阶段，此时累计视体积曲线会出现突然上升的 趋势，且斜率增大，能量指数曲线下降，即应力下 降，同时也预示着有较大的微震事件发生。如图 3a 所示，在标记点 1，EI 值很大，在此之前，EI 值不 采场 盘区 盘区隔离矿柱 1盘区 3盘区 2盘区 1352 岩石力学与工程学报 2012年 累积视体积VA/107 m3 累积生产量/105 m3 日期 a 2006 年第三季度 日期 b 2006 年第四季度 日期 c 2007 年第一季度 图 3 3 个季度累计视体积和能量指数时程曲线 Fig.3 Time history curves of cumulative apparent volume and energy index from July 2006 to March 2007 断增大，表明震源驱动应力在不断增大；标记点 1， 2 之后，EI 值突然下降，而同时标记点 A-B 段的视 体积VA斜率突然增大， 表明微震应变率快速增加。 在该时段内发生了一个较大的微震事件，震级大概 为 1.0 左右，并且小地震事件也比较多。在标记点 3 之前一小段时间，能量指数又不断增加，且其后 又有一个下降过程，这时视体积斜率突然增大， 点 D 之后比较平稳，此时段内发生了较多的震级 Ms－1～0 的微震事件。累计视体积VA和能量指数 EI 时程曲线还表现出某种周期性变化的特征，这与矿 山的开采活动存在着周期性的特点具有一定相关性。 比较图 3a，b，c可见，图 3a和c的曲线 变化特征类似，VA和 EI 曲线存在大起大落的特征， 而图 3b中的VA和 EI 曲线变化则相对平缓。由 表 1 可知，2006 年第三季度和 2007 年第一季度的 矿山生产量均为 35104 t 左右，而 2006 年第四季 度生产量则为 20104 t 左右，并且这 3 个季度都集 中在 1和 2盘区开采，3盘区仅 2007 年第一季度才 开始回采，52–6 和 52–8 采场在 2007 年一月份才 开始进行充填生产，且充填量很少，这 3 个季度的 矿山生产状况和地质条件基本类似。这说明，影响 这 3 个季度的微震活动的主要因素是生产量的不 同，开采生产量对VA和EI 的时程曲线特性具有明 显影响。因此，通过VA和EI 曲线可以得到不同的 生产速率的微震活动响应特性。 图 4 给出了这 3 个季度的累计视体积VA和累 计生产量Vm的时程曲线，将图中的曲线按照 3 个 季度的时间段分为 3 个部分A–B 和 1–2，B–C 和 2–3，C–D 和 3–4 段，各部分的VA和Vm曲 线的斜率变化存在对应性。累计视体积VA的斜率 反映了微震应变的快慢，即应变率的大小；累计生 产量Vm的斜率则反映了开采速率的大小。可见微 震应变率和矿山生产速率具有相关性。 日期 图 4 累计生产量与累计视体积时程曲线2006～2007 年 Fig.4 Time history curves of cumulative volume of production and cumulative seismic apparent volumein 2006– 2007 4 微震响应系数微震响应系数 CSR 的提出的提出 在给定的时间内，如果被开采岩体的体积为 Vm，那么被开采的岩体通过微震活动及应力–应变 的改变调整到一个平衡的状态，此段时间内的累计 地震矩M 将与岩体开挖量成正比关系，其关系式 为 m MGV 3 式中G为岩体刚度。 从地震能量的储存和释放的角度出发，当一定 累积视体积VA/107 m3 能量指数 EI 能量指数 EI 累积视体积VA/107 m3 累积视体积VA/107 m3 能量指数 EI 1231 第 31 卷 第 7 期 唐礼忠等基于定量地震学的矿山微震活动对开采速率的响应特性研究 1353 体积的岩石被开采出来，必然会引起局部应力集中， 同时弹性应变能被储存在岩体中，储存的能量可由 弹性收敛体积VE来表征，P. K. Van Der Heever 和 T. S. Oconnor[15]通过数值模拟的方法得出了VE的 值。当岩体发生破坏或者岩爆时，这部分储存的能 量就会被释放出来。从地震学的角度，地震活动释 放的能量可用累积地震矩来表示。同时，岩体弹性 应变能与其弹性收敛体积VE成正比关系。可类比 式3给出累计地震矩与弹性收敛体积的关系式 E MGV 4 式中为比例常数， 0.3～1.0，其值的大小由岩 体特征决定，具体值确定方法可参考 A. Mcgarr[16] 的研究。 由式3和图 3 可知，对于给定采矿过程，弹性 收敛体积与开挖量成正比关系。岩体释放的能量可 以由微震监测系统监测得到，而视体积可以用来表 征能量的释放。这样就可以用弹性收敛体积VE和视 体积VA来表示能量的储存和释放之间的关系。VE 与VA的比值是一个量纲一的常数，可以反映微震活 动响应特性， 因此， 可以称为微震响应系数coefficient of seismic response，简写为CSR。由于实际上弹性 收敛体积难以直接通过观测获取，但它与开挖量成 正比，因此，在计算CSR时，可以用开挖量Vm替 代弹性收敛体积VE，则得 Am /CSRVV  5 由CSR虽然不能得到微震活动产生机制， 但是 可以方便地用于微震计算和监测分析。需要说明的 是，为了使CSR值更加简单，且易于记录，在式5 中可以乘以一个系数，使得CSR值为简单的个位 数。在冬瓜山铜矿，采用CSRVA/100Vm。不同 矿山岩体性质、地质条件、工程结构，公式的系数 也不一样。根据CSR的定义，CSR变化情况体现了 地震活动对开采的敏感程度，即响应快慢和响应强 弱，当CSR增大时，表明较小的开采量会引起较大 的地震活动，反之亦然。因此，从系统稳定性角度， 当CSR增大，说明系统有向不稳定方向发展的趋 势，而当CSR不变或减小时，则表明系统有向稳定 方向发展的趋势。 2006年第三、四季度及2007年第一季度CSR 与开采量时程曲线如图5所示。在2006年第三季度， CSR有明显的上升趋势，岩体系统有向不稳定方向 发展的趋势，2006年第四季度和2007年1月份之 日期 图 5 2006 年第三、四季度及 2007 年第一季度 CSR 与 开采量时程曲线 Fig.5 Time history curves of CSR and mining volume in the third and fourth quarter in 2006 and the first quarter in 2007 前，随着开采量的减少，CSR趋于稳定，按CSR定 义，累积视体积的增速与累积开采量Vm的增速同 步减小，地震事件能量释放减小，即系统向稳定方 向发展；但是，2006年12月份之后开采量增加，而 CSR却从平稳逐渐开始下降，并在开采量处于高位 时，又趋于稳定，说明系统趋于稳定，这可能与从 2007年1月份开始采空区回填工作有关。这也说明， 开采活动引起的地震响应可能表现出2种情况一 是开采活动直接产生的地震活动不会持续发展而引 起进一步的地震活动或使地震活动增强，系统不会 向不稳定方向进一步发展，此时CSR呈现平稳或减 小；二是开采活动引起的地震活动会增强，表明系 统向不稳定方向发展的，此时CSR呈现增大特性。 因此，CSR可用于评价矿山岩体系统的稳定性发展 趋势。 5 结结 论论 1 累计视体积VA和能量指数EI时程曲线特 征与矿山开采活动存在明显的相关性；累计视体积 VA的斜率反映了微震应变的快慢，即应变率的大 小，而累计开采量Vm的斜率则反映了开采速率的 大小，因此，微震应变率和矿山生产速率具有相关 性。 2 根据开采过程中岩体的能量储存与释放关 系，将累积视体积与累积开采量之比定义为微震响 应系数CSR，用于反映地震活动对开采速率的响应 特性。 2 000 4 000 6 000 8 000 10 000 12 000 14 000 16 000 18 000 20 000 200607 200608 200609 200610 200611 200612 200701 200702 200703 开采量/m3 2 3 4 5 6 7 8 CSR 开采量 CSR 200704 1354 岩石力学与工程学报 2012年 3 CSR变化情况体现了地震活动对开采的敏 感程度，即响应快慢和强弱，当CSR增大时，表明 较小的开采量会引起较大的地震活动，反之亦然。 从系统稳定性角度，当CSR增大，说明系统有向不 稳定方向发展的趋势；当CSR不变或减小时，则表 明系统有向稳定方向发展的趋势。 参考文献参考文献References [1] MENDECKI A J. Seismic monitoring in mines[M]. London Chapman and Hall，1997179–184，220–245. [2] GIBOWICZ S J， KILKO A. An introduction to mining seismology[M]. San Diego，CaliforniaAcademic Press，Inc.，19942–8，15– 22. [3] POTVIN Y ， HUDYMA M R. Seismic monitoring in highly mechanized hardrock mines in Canada and Australia[C]// VAN ASWEGEN G， DURRHEIM R J， ORTLEPP W D ed. Proceedings of the Sixth International Symposium on Rockburst and Seismicity in Mines. JohannesburgThe South Institute of Mining and Metallurgy， 2001267–280. [4] JOUGHIN W C，PETH S Z. Seismic activity as a result of mining the tabular and massive orebodies of South Deep Gold Mine[C]// POTVIN Y， HUDYMA M ed. Proceedings of the Sixth International Symposium on Rockburst and Seismicity in Mines. NedlandsAustralian Centre for Geomechanics，2005425–434. [5] VALLEJOS J A， MCKINNON S D. Correlations between mining and seismicity for re-entry protocol development[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2011，484616–625. [6] 赵兴东，李元辉，刘建坡，等. 红透山矿深部开采岩爆潜在区微震 活动性研究[J]. 东北大学学报 自然科学版， 2009， 309 1 330–1 333. ZHAO Xingdong， LI Yuanhui， LIU Jianpo， et al. Study on microseismic activity in potential rockburst zone during deep excavation in Hongtoushan mine[J]. Journal of Northeastern UniversityNatural Science，2009， 3091 330–1 333.in Chinese [7] 王存文，姜福兴，王 平，等. 煤柱诱发冲击地压的微震事件分布 特征与力学机制[J]. 煤炭学报， 2009， 349 1 169–1 173.WANG Cunwen，JIANG Fuxing，WANG Ping，et al. Microseismic events distribution characteristics and mechanisms of rock bursting induced by a coal pillar[J]. Journal of China Coal Society，2009，3491 169– 1 173.in Chinese [8] 闫宪磊， 陈学华， 闫宪洋. 综放工作面过断层期间微震规律分析[J]. 煤炭学报，2011，36增 183–87.YAN Xianlei，CHEN Xuehua， YAN Xianyang. Analysis of microseismic law when fully- mechanized coalface passed through fault[J]. Journal of China Coal Society， 2011， 36Supp.183–87.in Chinese [9] 唐礼忠，汪令辉，张 君，等. 大规模开采矿山地震视应力和变形 与区域性危险地震预测[J]. 岩石力学与工程学报，2011，306 1 168–1 178.TANG Lizhong，WANG linghui，ZHANG Jun，et al. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2011，306 1 168–1 178.in Chinese [10] 唐礼忠，XIA K W，李夕兵. 矿山地震活动多重分形特性与地震活 动性预测[J]. 岩石力学与工程学报，2010，2991 818–1 824. TANG Lizhong，XIA K W，LI Xibing. Seismic multi-fractal characteristics in mines and seismicity prediction[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010，2991 818–1 824.in Chinese [11] 袁子清，杨小聪，唐礼忠. 硬岩金属矿山开采活动与矿山地震活动 的关系研究[J]. 中国安全科学学报，2008，416–19.YUAN Ziqing，YANG Xiaocong，TANG Lizhong. Research on the relationship between exploiting activity of hard-rock metal mines and mining- induced seismicity[J]. China Safety Science Journal，2008，416– 19.in Chinese [12] 唐礼忠，潘长良，杨承祥. 冬瓜山铜矿微震监测系统及其应用研 究[J]. 金属矿山，2006，1041–45.TANG Lizhong，PAN Changliang，YANG Chengxiang. Establishment and application of microseismicity monitoring system in Dongguashan Copper Mine[J]. Metal Mine，2006，1041–45.in Chinese [13] MENDECKI A J. Real time quantitative seismicity in mines[C]// YOUNG R P ed. Proceedings of Sixth International Symposium on Rockburst and Seismicity in Mines. Rotterdam A. A. Balkema， 1993 287–296. [14] MENDECKI A J. Persistence of seismic rockmass response to mining[C]// VAN ASWEGEN G，DURRHEIM R J，ORTLEPP W D ed. Proceedings of the Sixth International Symposium on Rockburst and Seismicity in Mines. Johannesburg The South Institute of Mining and Metallurgy，2001267–280. [15] VAN DER HEEVER P K. OCONNOR T S. The mining of a stressed deep-level shaft pillar[C]// Proceedings of the 15th CMMI Congress. JohannesburgSAIMM，1994167–173. [16] MCGARR A. Seismic moments and volume change[J]. Journal of Geophysical Research，1976，8181 487–1 494.