王 平，冯兴隆，石 峰，刘华武，蔡永顺，赵冰峰，袁本胜，彭 张

(1. 北京矿冶科技集团有限公司，北京100160；2. 金属矿山智能开采技术北京市重点实验室，北京 102628；3. 云南迪庆有色金属有限责任公司，云南 香格里拉 674400)

岩体在应力扰动的作用下，内部应变能会转变为向外部释放的弹性波，而微震监测技术可以实时接收这种弹性波信号，进而反演岩体内部裂纹扩展、损伤及应力状态，进而实现岩体大范围失稳垮塌预警。唐礼忠等[1]基于微震监测技术，提出用刚度比变化作为冲击地压发生的判据。马天辉等[2]以锦屏二级水电站作为研究对象，通过对比现场实际情况和微震监测结果,揭示出微震的时空演化与岩爆之间的关系。吕进国等[3]基于工作面微震事件释能规律的统计分析，研究了微震能量随时间推移而变化的趋势，认为高能量微震事件是冲击地压发生的必要条件。张海明等[4]基于微震监测的深部岩爆预警技术思路，分别研究了岩爆危险区域的预报、微震监测划分采场安全等级等内容。除对各微震参数进行分析外，大量研究学者还采用非线性动力学理论对微震事件时空分布进行研究[5-7]。

对比国内外基于微震监测技术进行岩体破坏预警的方法，主要为b值研究、微震事件参数研究等等，且判别参数比较单一，难以满足现场工程要求。微震事件b值的选择受到门槛值及时间的影响；而能量指数等仅仅停留在定性分析上，对定量研究相对较少，在实际观察中，能量指数会出现多次下降现象，如何确定临近岩体破坏时的能量指数下降是一个难题。

按照普朗铜矿的地质和矿体储存条件，该矿采矿设计采用自然崩落法回采。在自然崩落法回采过程中，矿体在崩透地表之前，相当于在空场条件下放矿，如果放矿速度过快，将可能使崩落面和存窿面之间留有较大空间，一旦上部矿岩突然大范围崩落，可能产生空气冲击波，对坑内人员、设备和底部结构产生巨大影响。此外，基于地质调查、超声波钻孔编录等资料可知，普朗铜矿矿区存在着5条断层，首采区内的地质情况较为复杂，断层相互交错，回采过程存在较大的安全隐患。而断层活化对溜井、塌陷区、矿柱、回风井等其周边区域稳定性具有极大影响。因此，分析普朗铜矿断层活化对岩体稳定性影响，为矿山进行顶板大范围垮落安全预警极为重要。本文基于微震监测技术，分析断层活化对岩体稳定性影响，利用监测到的微震数和所提出的EV值进行岩体失稳联合预警，具有良好的实用性和准确性。

1 微震监测系统构建

考虑到该矿顶底板岩体较为破碎，并兼顾底部结构稳定性监测，为提高微震监测系统的灵敏度和定位精度，缩小了传感器布置间距，相邻的传感器间距保持在100 m左右。该矿微震监测系统具体设计如下：在3720出矿水平布设20个微震传感器(18个单分量传感器，2个三分量传感器)，同时在首采区周边通过地表向下打4个钻孔(钻孔直径110 mm，钻孔深度视现场而定，孔底统一布置在标高为3 810 m的稳定基岩中)。另外，在3660运输水平布设4个微震传感器，主要用来监测底部结构稳定性。该方案形成了立体微震监测台网，可实现开采过程断层活化对首采区岩体稳定性的监测，并及时对顶板冒落进行预警，监测点布置如图1所示。

微震监测系统建成之后，通过微震监测系统采集到的拉底爆破和聚矿槽爆破事件，经过多次波速校正，最终将波速校正为Vp=4 700 m/s，Vs=2 700 m/s。在该速度场模型下，对2017年3月18日和3月20日两次聚矿槽爆破进行定位精度分析，两次爆破事件的定位误差在6 m左右，定位精度较高。定位结果如图2所示。

图1 监测点布置图Fig.1 The layout of monitoring points

图2 两次聚矿槽爆破定位结果Fig.2 The location results of two times ore accumulating trench blasting

2 断层活化对岩体稳定性影响

如图3所示，普朗铜矿矿区存在着5条断层，首采区内的地质情况较为复杂，断层相互交错，回采过程存在较大的安全隐患。这里重点分析各断层活化对1#、2#溜井、塌陷区、S4-2#回风井及TDR-DB-03监测点周边区稳定性的影响。

图3 断层三维分布图Fig.3 The 3D map of fault distribution

如图4所示，分别以1#、2#溜井、塌陷区、S4-2#回风井及TDR-DB-03监测点中心为基准，分别建立块体分析模型，长宽高分别为100 m×100 m×220 m、100 m×100 m×300 m、100 m×100 m×300 m、100 m×100 m×300 m、100 m×100 m×300 m。

对2017年5月至2018年5月这一年微震事件进行分析，定位结果如图5所示。

图4 块体分析模型Fig.4 Block analysis model

图5 微震事件在块体分析模型分布图Fig.5 Distribution of microseismic events in block analysis model

由图5可知，各分析模型周围都存在较多的断层，且大部分微震事件发生在F1、F2、F4、F5断层附近，即位于各断层附近的分析模型岩体破裂较为严重，岩体不稳定。说明断层活化对岩体影响极大，岩体易发生破坏失稳现象。

为更进一步分析断层活化规律，以断层F5为例，分析断层F5对底部结构应力集中及地表塌陷的影响。如图6中1#、2#、3#区域所示，S4-2#回风井块体模型内微震事件数量随着S4-2#回风井周边(S4-E16～E19出矿进路之间)出矿量的增加而增多，表明出矿导致了S4-2#回风井周边岩体的进一步破裂，而S4-2#回风井正位于F5断层揭露处，3 720 m大量出矿后，地质构造尤其是F5断层对底部结构应力集中及地表塌陷的影响比较明显，且S4-2#回风井至地表已经形成了贯通通道，后续的放矿管理需要把断层的影响充分考虑进来，控制好S4-2#回风井周边聚矿槽的出矿量。

图6 回风井块体模型内微震事件数与出矿进路间出矿量关系图Fig.6 Relation between the number of microseismic events and the output amount

3 基于微震监测技术的断层活化预警研究

3.1 基于微震数的断层活化预警

2017年5月至2018年5月之间，各监测模块中微震事件统计规律如图7所示。

图7 各模块微震事件演化Fig.7 Evolution of microseismic events in modules

2#溜井及S4-2#回风井块体模型内的微震事件变化趋势非常一致，表明断层对底部结构稳定性、崩落顶板以及地表沉降的影响比较明显。由图7可知，监测模型微震事件至2017年9月开始迅速上升，到9月17号上升到最高，2017年9月18日～10月1日又突然减少，表明模型内块体将在一段时间内发生大范围顶板冒落失稳破坏。在现场监测中发现，2#溜井顶板10月份连续崩落了34 m、S4-2#回风井处矿柱又出现开裂，地表2#溜井和TDR-DB-03监测点周边的裂缝在十月底发展趋势明显。

因此，块体模型内微震事件数量的突然增多又突然减少可以作为岩体发生较大破裂或崩落的前兆预警信息。

3.2 基于能量指数与累积视体积之比EV值的断层活化预警

之前研究学者定义了一个地震事件的能量指数，为该事件发生的地震能量与具有相同地震距的发生平均能量之比，具体计算公式如下[8]：

(1)

图8为能量指数定义图，由图可知能量指数的大小直接反映了震源水平的大小。累积视体积∑VA的时间序列则反映了岩体变形随时间的变化特征，某个特定空间的累积视体积序列分析岩体变形过程。由岩石应力—应变曲线可知，岩石在峰值应力之前，能量指数是增大的过程，累积视体积的变化与岩石峰前应力的变化规律是一致的。因此，能量指数与视体积的稳步增加是表明岩体处于稳定阶段的，处于能量蓄积的应变硬化阶段。当岩石达到峰值应力时，岩石承载能力降低，应力下降，变形增大，即能量指数下降而累积视体积迅速增多，岩石发生破坏。由此可以看出，能量指数和累积视体积可以反映岩体变形的全过程。

为更好地进行岩体大范围破坏预警，本文提出能量指数与累积视体积之比EV值，以此作为判别指标。计算公式如下；

(2)

图8 能量指数定义图Fig.8 Definition of energy index

以2#溜井分析模块为例，分析2017年5月至2018年3月能量指数与累积视体积演化规律。

由图9可知，2#溜井在发生大范围顶板冒落前共发生了4次能量指数下降，其中第4次下降程度最大。由上述分析可知，能量指数下降，累积视体积上升意味着岩体发生大规模破坏，但如何确定能量指数哪次下降为预警。因此，进行EV值定量对比。为此，本文统计这4次能量指数与累积视体积之比EV值下降程度，如表1所示。

由表1可以看出，在第4次能量指数下降时，EV值下降程度最大。因此，第4次可以作为岩体大规模破坏预警期。此前3次下降皆可认为岩体处于能量存储阶段，当内部存储能量超过岩体存储能力时，岩体便发生破坏。与现在2#溜井顶板10月份连续崩落相符合。此预警现象与基于微震监测数据，即监测模型微震事件至2017年9月开始迅速上升，到9月17号上升到最高，2017年9月18日至10月1日又突然减少现象相吻合。

图9 能量指数与累积视体积关系Fig.9 The relationship between energy index and accumulative apparent volume

表1 EV值下降程度Table 1 Degree of EV value decline

3.3 多参数微震信息的断层活化综合预警

在普朗铜矿开采过程中，有大量噪声信号，为了最大限度地减少监测工作对开采过程的影响，要求对矿山岩体破坏预测不能太早也不能太晚。由于之前研究多为单参量预警，时效性和准确性较低。由上述分析可知，微震数、能量指数、累积视体积和EV值可以很好地反映岩体内部裂纹扩展情况和损伤程度。因此，将4项参数同时作为岩体破裂失稳判别参数，避免了仅使用单一参数作为岩体失稳预测工作时出现过早预警或过晚预警的情况，减少了微震监测工作的盲目性，提高了预警的准确性。

4 结论

1)基于微震监测分析了断层活化规律，发现大部分微震事件发生在各断层附近，各断层附近的分析模型岩体破裂较为严重，岩体极不稳定。指出大量出矿导致了S4-2#回风井周边岩体的进一步破裂，而S4-2#回风井正位于F5断层揭露处，3 720 m大量出矿后，地质构造尤其是F5断层对底部结构应力集中及地表塌陷的影响比较明显。

2)分析微震监测数据，得出岩体破坏预警前兆现象，即微震事件突然增多然后又减少，表明未来一段时间内可能会发生大范围顶板崩落。现在具体显现与该前兆现象基本吻合。

3)提出能量指数与累积视体积之比EV值，并用该值分析岩体内部损伤程度，其值越小岩体越不稳定，得出EV值大程度下降时断层活化可能会诱发大范围顶板崩落现象。基于归一化处理量化EV值下降程度，成功对现场顶板大范围崩落进行预警。