微震监测技术在煤矿工业场区高边坡稳定性监测中的应用
时间：2023-04-20 来源：中国煤炭杂志官网 分享：★ 科技引领 ★
微震监测技术在煤矿工业场区高边坡稳定性监测中的应用
0 引言
边坡是地壳表部一切具有临空面的地质体，具有一定的坡度和高度，是人工边坡和自然边坡的统称，同时也包含崩滑体[1]。煤矿生产影响范围内的高边坡会在自然环境和地质应力作用下而产生滑坡或者崩塌等地质灾害，造成人民生命和财产的损失[2-3]，因此井工煤矿工业场区和露天煤矿边坡的稳定性问题成为重要的研究课题[4-6]。目前，边坡变形破坏现象、边坡破坏地质力学模式[7]、数值模拟技术[8-9]、专家系统方法及信息技术的应用[10]、非线性科学理论和方法的引入[11]再到人工智能技术[12-13]等理论研究已经取得较好的结果，然而在井工煤矿工业场区和露天煤矿边坡监测系统方面，当前国内外对边坡的研究和监测主要集中在变形和应力监测[14-15]，优点在于比较直观地反映井工煤矿工业场区和露天煤矿坡体的变形特征以及根据受力大小分析结构的稳定程度。然而这2种方式仅为单点监测[16]，且监测结果反映的是破裂积累到一定程度后的性质变化，因此寻找全方位、高效率、超前性边坡稳定性分析技术十分必要。
井工煤矿工业场区和露天煤矿边坡失稳与岩体内部破裂活动有着必然联系，岩体破裂活动是边坡失稳的前兆[17]。因此，利用微震监测技术对井工煤矿工业场区和露天煤矿边坡岩体破裂信号进行全面实时监测，是一种行之有效的边坡预测方法[18]。边坡岩体静态荷载在外力作用下，内部应力局部集中产生裂纹，原有裂隙扩展贯通产生破裂面导致边坡失稳变形[19]。在岩体形成破裂面之前，必然有大量裂隙萌生、扩展与贯通。微震监测系统通过对这类信号进行采集、处理与分析，可以获得破裂的时空分布规律以及变形特征。因此，通过边坡微震监测系统获得的微震事件时空动态分布特征，可以研究煤矿工业场区高边坡岩体微破裂萌生和演化规律，为煤矿工业场区高边坡失稳过程进行动态分析提供参考。
1 工区概况
里必煤矿位于山西省晋城市沁水县，矿井采用主斜副立综合开拓方式，主要开采3号煤层，采用综采一次采全高采煤工艺，设计生产能力为4.00 Mt/a，井田面积43.415 8 km2。巷道布置层位埋深在450～750 m不等，地质构造较多，地质条件复杂，井下生产活动会对井上边坡稳定性产生影响。研究区域高边坡位于里必煤矿选煤工业场区东侧，总体构造形态为走向北北东，倾向北西，倾角为5°～10°的单斜构造，伴有宽缓褶曲和小型断裂，致使局部地层倾角达10°以上。区域内沟谷发育，地形切割强烈，在沁水河右侧，地面勘探点标高介于757.92～810.25 m之间，最大地面高差约52.33 m，地形起伏较大。研究区域地貌呈台阶状，微地貌属山前冲洪积扇前缘。里必煤矿高边坡总体上呈现南高北低，根据钻孔柱状图，50 m深度范围内地层自上而下依次为第四系全新统人工填土(Q4ml)、黄土状土(Q4dl+pl)、上更新统粉质黏土(Q3dl+pl)、含碎石粉质黏土(Q3dl+pl)、块石(Q3dl+pl)及二叠系上石盒子组砂质泥岩(P2s)等物质组成，岩体较为破碎。研究区域受里必煤矿井下生产活动影响以及长期降雨作用影响下，边坡岩体可能发生局部失稳和滑塌。里必煤矿高边坡地形地貌和地层分布如图1所示。
2 微震监测系统构建
2.1 微震监测系统
高边坡在自然环境和地质应力作用下，特别是在生产扰动和水的作用下，岩体发生破坏或原有的地质构造被活化产生错动，能量以弹性波的形式释放并传播出去。通过将高灵敏传感器布设在岩体可能发生破裂区域的四周，可以连续记录到因岩体内部变化而产生的微震活动。里必煤矿边坡监测利用安徽万泰地球物理技术有限公司开发的KJ648(C)微震监测系统，对微震产生的弹性波信号进行采集和处理，获取微震事件发生的位置、大小、能量等信息，并由此获得岩体破裂发生的时空分布规律和变形特征，对可能发生高边坡失稳的区域及时预警。
图1 里必煤矿高边坡地形地貌和地层分布
2.2 微震监测台网
本边坡项目重点监测里必煤矿工业场区东侧前排边坡和抗滑桩以及东侧后排边坡和抗滑桩。为实时动态监测高边坡岩体微破裂及裂缝发育和滑动情况，本次在地面研究区域布置8个微震监测点，分别为S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8监测点。监测点在空间上错开布置，相邻监测点水平面距离约60 m。现场利用RTK对微震监测点进行标定后，使用钻机对监测点进行钻孔，孔深6～15 m，采用水泥砂浆确保传感器耦合效果，控制背景噪声在10-7m/s以下(灵敏度为200 V/m/s)，满足高边坡岩体微震监测弱信号的要求。通过对研究区域实现空间包络覆盖，可以对高边坡内部岩体微破裂信号进行精确空间定位和分析。里必煤矿高边坡微震台网分布如图2所示，里必煤矿高边坡微震监测系统背景噪声和典型微震波形如图3所示。
图2 里必煤矿高边坡微震台网分布
图3 里必煤矿高边坡微震监测系统背景噪声和典型微震波形
3 高边坡稳定性微震监测分析
3.1 高边坡稳定性空间域分析
2022年9月1日至2022年11月30日，里必煤矿高边坡微震监测系统共监测到微震事件980个。在自然作用、煤矿生产扰动作用下，高边坡岩体内易产生应力集中现象，当应力超过了岩体的承载能力，岩体内会产生破裂。里必煤矿高边坡内部岩体破裂对应的微震事件主要分布在监测区的西北部，即里必煤矿工业场区东侧前排边坡和抗滑桩西侧。里必煤矿高边坡微震事件空间分布如图4所示。
图4 里必煤矿高边坡微震事件空间分布
微震事件的聚集程度能够反映岩体的损伤程度，由图4可以看出，南部微震事件高程较高，北部微震事件高程较低，岩体破裂事件呈现由南向北(由高向低)俯冲的趋势。沿着俯冲方向，里必煤矿工业场区东侧前排边坡和抗滑桩的西侧，微震事件呈簇状分布，且聚集程度较高，聚集于边坡和抗滑桩两侧的边坡岩体内部。表征监测期间微震事件在里必煤矿工业场区东侧前排边坡和抗滑桩西侧岩体内部应力集中破坏程度较高。
3.2 高边坡稳定性时间域分析
里必煤矿高边坡日微震事件统计如图5所示。
图5 里必煤矿高边坡日微震事件统计
由图5可以看出，2022年9月1日至2022年10月19日，里必煤矿微震事件数变化幅度较小，微震事件数最多达10个/d，总体上较平稳，表明岩体破裂程度低。2022年10月20日至2022年11月3日，日微震事件数增多，微震事件数最多达16个/ d，表明监测区域岩石破裂程度增加。之后日微震事件数减少，至2022年11月18日，日微震事件数再次增多，表明受降雨、井下生产活动影响岩体破坏程度增加。
4 高边坡稳定性分析
4.1 高边坡岩体损伤程度分析
岩土的结构和构造、岩体性质、地形地貌的临空条件、初始地应力等内在因素会对岩土质边坡稳定性造成影响。外在影响因素主要包括风化因素、人为因素、时间因素和水[20]。当一个区域岩体微破裂产生的微震事件在空间上成簇状分布，则表征该区域的岩体由于内在和外在条件的影响，如岩体自身重力、地质应力(风力以及长时间受雨水侵蚀等)、周边生产活动等，导致区域应力集中，且已经超出岩体应力载荷平衡，引起岩体不断产生破裂、形成裂缝以及损伤区。基于微震事件空间分布规律可推测出研究区域内的高边坡岩体存在一个损伤区，即里必煤矿工业场区东侧前排边坡和抗滑桩的西侧，该区域应力集中，从而导致岩体破裂微震事件频繁发生，岩体破裂微震事件在空间上成簇状分布。从微震事件的聚集程度上分析，属于较高聚集性，进一步表征该区域的岩体稳定性相对较差，岩体破裂微震事件由南往北有由高部向低部俯冲趋势，表明研究区域内部的高边坡有从东南往西北方向发生滑移的趋势，滑坡灾害发生风险等级相对较高。
4.2 高边坡潜在滑移面分析
根据研究区域钻孔地质资料分析，微震事件聚集区按其物理力学性质的差异性，自上而下分别为：黄土状土(Q4dl+pl)、含碎石粉质黏土(Q3dl+pl)、块石(Q3dl+pl)、强风化砂质泥岩(P2s)、中风化砂质泥岩(P2s)。研究区域内含多条地质勘探线，选择穿过聚集程度较高、代表性较强、呈簇状的岩体破裂微震事件区域的地质勘探线1-1′剖面进行高边坡潜在的滑动面分析，分析结果如图6所示。
图6 里必煤矿高边坡地质勘探线1-1′附近微震事件分布剖面
由图6可以看出，高边坡岩体破裂主要发生在地表下方的黄土状土(Q4dl+pl)、含碎石粉质黏土(Q3dl+pl)、块石(Q3dl+pl)岩层内。高边坡微震事件主要集中在含碎石粉质黏土(Q3dl+pl)、块石(Q3dl+pl)岩层内，沿着含碎石粉质黏土与块石岩层分界面成簇状聚集，其中块石(Q3dl+pl)岩层内微震事件相对较多。对比分析东侧前排边坡沉降数据，岩体破裂微震事件与边坡沉降观测数据整体上成正相关性。当岩体破裂微震事件增多时，高边坡岩体最大沉降量出现增大；当岩体破裂微震事件出现减少时，高边坡岩体沉降量出现降低。根据以上分析可以推测，块石(Q3dl+pl)岩层内部的岩体在外界地质应力及生产活动的影响下，岩体破裂不断发生，当形成簇状聚集后导致该岩层及岩层分界面出现破碎带，在雨水和地下水的作用下，高边坡上部岩层沿着含碎石粉质黏土与块石这2个岩层的分界面出现缓慢的滑动，高边坡位移和沉降观测数据呈现波动变化。里必煤矿高边坡微震事件数与沉降值对比如图7所示。
图7 里必煤矿高边坡微震事件数与沉降值对比
5 应用效果
2022年9月1日，微震监测系统开始在里必煤矿地表选煤厂东侧高边坡稳定性监测中应用，该系统能够较好地对井下生产活动、长期降雨影响下产生的边坡岩石破裂信号进行监测。通过微震事件的时空分布划分岩体的损伤区域以及潜在的滑移面，对里必煤矿高边坡尽早发现失稳区域，使其在失稳之前及时制定和采取防治措施，减少失稳造成的损失。做到早发现、早预警、早处置，为确保里必煤矿边坡稳定性、保障煤矿安全起到了重要的作用。
6 结论
通过对里必煤矿高边坡进行微震监测，可以对岩体内部的应力和损伤分布进行分析，得到以下结论。
(1)里必煤矿高边坡岩体破裂事件整体呈现由南向北(由高向低)俯冲的趋势，在里必井田工业场地东侧前排边坡和抗滑桩的西侧，微震事件呈簇状分布，且聚集程度较高，聚集于边坡和抗滑桩两侧的高边坡岩体内部。
(2)里必煤矿工业场区东侧前排边坡和抗滑桩的西侧微震事件属于较高聚集性，岩体稳定性相对较差，研究区内部的高边坡有从东南往西北方向发生滑移的趋势，滑坡灾害发生风险等级相对较高。
(3)高边坡岩体破裂微震事件主要集中在含碎石粉质黏土(Q3dl+pl)、块石(Q3dl+pl)岩层内，沿着含碎石粉质黏土与块石岩层分界面成簇状聚集，块石(Q3dl+pl)岩层内部的岩体在外界地质营力及生产活动的影响下，岩体破裂不断在发生，当形成簇状聚集后导致该岩层及岩层分界面出现破碎带，在雨水和地下水的作用下，高边坡上部岩层沿着含碎石粉质黏土与块石两个岩层的分界面出现缓慢的滑动，高边坡位移和沉降观测数据呈现波动变化。
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CHENG Tingting, MEI Huan, YU Zixian, et al.Application of micro-seismic monitoring technology in stability monitoring of high slope of coal mine industrial site[J].China Coal，2023，49(3):55-61.DOI:10.19880/j.cnki.ccm.2023.03.009
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