吴明，王晶，刘强，彭张，王平

(1.云南迪庆有色金属有限责任公司，云南 香格里拉市 674400；2.矿冶科技集团有限公司，北京 102628)

0 引言

自然崩落法底部结构有较长的服务年限要求，在构造应力和上覆矿岩重力的共同作用下，底部结构巷道围岩处于长期的变形破坏过程中[1-3]。底部结构形成之后，矿柱周围岩体被采出，崩落后的矿石堆积在底部结构上，矿柱理论上处于单轴受压状态[4-7]。但由于原生构造将底部结构切割成不规则的块体，构造应力使得矿柱应力状态更加复杂，加之各个进路放矿不均匀，极易在局部区域形成应力集中，造成穿脉巷道收敛破坏[8-11]。

为有效对地压实施管控，普朗铜矿建立了一套微震监测系统，用于监测底部结构围岩的变形破坏状态。在监测过程中，赋存较多断层的采区南部S1～S5 穿脉围岩地压显现突出，局部巷道出现底鼓、顶板下沉等收敛变形，喷射混凝土断裂脱落。根据监测结果，矿山对S4、S5 等穿脉巷道及出矿口采取长锚索、注浆、网喷混凝土和U 型钢拱架等综合支护形式进行修复加固，同时调整S4、S5 穿脉变形破坏区域周边出矿口的出矿量，对底部结构变形起到了抑制作用。

本文针对地压问题严重的S4 穿脉，以一段时间内的监测数据为例，分析了穿脉围岩在变形破坏与管控治理过程中微震事件的时间-空间-强度演化过程，研究了累计视体积与能量指数随时间变化的特征，以期为底部结构其他穿脉地压管控提供参考依据。

1 地压监测系统概况

普朗铜矿微震监测系统主要布设在3720 m 水平N4、N1、S3、S6、S9 等5 条穿脉出矿穿脉内，共27 个传感器正常运行，同时在3660 m 运输水平布设了8 个微震监测点形成空间包络。微震传感器通过钻孔安装在岩体内部，数据采集基站布置在大巷中的永久变电所内（见图1）。

图1 3720 m 水平微震传感器布置

2 微震监测数据分析

采区赋存5 条贯穿的大断层以及众多交错的小断层，采区南部区域岩体较为破碎，在上覆崩落矿石的高压作用下，巷道出现不同程度的变形破坏。根据现场巡查记录，南部S1～S5 穿脉围岩地压显现突出，S4、S5 穿脉多条断层交汇区域巷道出现收敛变形，S4 穿脉W2～E10 进路之间巷道出现了底鼓、顶板下沉现象，出矿口钢拱架严重变形（见图2），E6～E16 进路区域巷道开裂，局部喷射混凝土断裂脱落，因此将S4 穿脉作为重点区域进行地压状况监测分析。此后矿山对S4、S5 穿脉损毁段巷道及出矿口采取长锚索、围岩加固注浆、网喷混凝土、钢拱架等综合支护形式的修复加固方案。同时根据应力监测数据，调整S4、S5 变形破坏区域周边出矿口出矿量，缓解局部应力集中，抑制巷道围岩进一步破坏。

图2 S4 穿脉围岩破坏情况

3 微震事件时空分布变化分析

岩体在破裂过程中所产生的微震信号包含了大量岩体破坏信息，通过微震监测系统可以获得岩体破裂期间震源发生的时间、空间、强度等参数。大规模地压灾害实际是由小尺度岩体破裂发育贯通形成大尺度破坏而造成的。微震事件集的变化规律反映了岩体破裂状态演变过程，表征顶板岩体的破裂发育程度，利用统计地震学和定量地震学研究方法能够评估岩体的稳定性。基于微震监测系统的监测数据，针对S4 穿脉围岩建立了长570m×宽60m×高60 m 的块体模型，长度范围由西沿大巷至东沿大巷，宽度范围覆盖S4 穿脉两侧底部结构矿柱，高度范围以3270 m 出矿水平为基准上下各延伸30 m。

图3 为2020 年11 月至2021 年6 月，每2 个月S4 穿脉监测模型内微震事件的数量与震级（M）分布情况。2020 年11 月至2020 年12 月微震事件数量相对较少，微震事件震级基本分布在-4 至-2之间；2021 年1 月至2021 年2 月微震事件数量有所增加，表明该时段S4 穿脉岩体破裂发育加剧；2021 年3 月至2021 年4 月微震事件数量减少，则与矿山强化支护抑制了巷道围岩进一步破坏有关；2021 年5 月至2021 年6 月时段微震事件数量大幅增加，-3 级以上微震事件数量占比增大，表明该时段岩体破裂过程释放的能量增大。

图4 为对应时段微震事件空间分布情况。2020年11 月至2021 年2 月微震事件主要分布在S4 穿脉偏西侧的W1～E7 进路，且2021 年1 月至2021年2 月该区域微震事件数量激增且异常聚集，表明底部结构岩体出现了较为强烈的变形破碎，与现场S4 穿脉W2～E10 进路出现了底鼓、顶板下沉现象相一致，矿山在该区域采用了注浆、U 型钢拱架、网喷混凝土等支护方式。结合图3 可知，2021 年3 月至2021 年6月S4 穿脉东侧微震事件数量明显增加，2021 年5 月至2021 年6 月数量增加较多，且震级大于-3 的微震事件占比上升，表明S4 穿脉西侧进行局部强化支护后出现了应力转移，在出矿量不均的共同作用下，东侧相对完整的岩体也出现了破裂情况。现场巡查发现E6～E16 进路巷道开裂，局部喷射混凝土断裂脱落情况，矿山采取长锚索、围岩加固注浆等方式进行了强化支护。

图3 微震事件数量与震级分布

图4 微震事件空间分布

4 累计视体积与能量指数变化分析

类比岩石力学的应力应变曲线，微震能量指数与视体积的变化规律是一致的。在应力应变曲线的峰前，能量指数的增大与视体积慢速增加的状态表明震源区岩体是稳定的，处于能量积蓄阶段；在应力-应变曲线峰值后，由于岩石承载能力下降，对应的能量指数下降而视体积增大，表明岩体出现不可逆的塑性变形。因此，累计视体积和能量指数的变化特征反映了岩体变形的全过程特征，能量指数突降，累积视体积突增，可以看作一定规模岩体破坏的征兆。

图5 为S4 穿脉监测模型内微震事件累计视体积与能量指数随时间变化特征，2020 年11 月至2020 年12 月累计视体积稳步上升，累计视体积有所波动，该阶段岩体有零星破碎现象，整体上还处于蓄能状态；2020 年1 月出现能量指数突降，累计视体积突增，与上述S4 穿脉偏西侧的W1～E7 进路微震事件异常聚集现象相关联，表明此时岩体内部产生大量的微裂隙，出现扩容现象，体积急剧增大；2021 年3 月至2021 年4 月又多次出现能量指数突增突降，累计视体积突增现象，则说明在开采过程中，随着应力分布的变化，支护后的围岩及其周边区域围岩再次出现破坏，S4 穿脉岩体处于支护强化和破裂变形的反复过程中。

图5 累积视体积与能量指数变化

因此矿山在实际地压管控工作中，可采用让压支护措施，使岩体内部应力得到一定的释放或转移，有利于支护体与围岩形成应力平衡，从而延长支护体的寿命，减少支护修复工作的频次。

5 结论

通过对普朗铜矿底部结构S4 穿脉微震监测数据的分析，并结合矿山生产和支护作业情况，得到以下结论：

（1）微震事件时空演化规律反映了穿脉巷道围岩的变形破裂过程，微震事件在数量上的增加和空间上的聚集表征岩体正处于强烈破碎发育过程中，此时对穿脉巷道进行强化支护可抑制围岩变形；

（2）微震事件累计视体积与能量指数随时间的变化特征与穿脉围岩变形破坏过程相一致，随着应力分布的变化，支护后的围岩再次出现破坏，岩体处于支护强化和破裂变形的反复过程中，采用让压支护措施有利于使支护体与围岩形成应力平衡。