D0:10.133745.issn1001-053x.2012.06.004 第34卷第6期 北京科技大学学报 Vol.34 No.6 2012年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.2012 矿山微地震活动时空分布 吴爱祥”武力聪2)四 刘晓辉”王春来》 黄武胜”朱权洁” 1)北京科技大学土木与环境工程学院，北京1000832)有色金属矿产地质调查中心，北京100012 3)中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京100083 通信作者，E-mail:wulicon520@163.com 摘要利用最短距离聚类法对某矿山微地震活动的时空分布进行了分析，结合现场采掘计划，有效识别了井下地压活动 区.通过建立各活动区内微震参数时间序列曲线，研究了局部围岩的应力变形规律，探讨了岩体失稳的前兆规律.结果表明： 研究期间井下各微震聚集区相互孤立，采掘活动不会引起大范围的地压活动：微震累计事件数及累计能量时间序列曲线出现 由平静突然增大时表征了岩体内累积应变能的突然释放，预示围岩稳定性的劣化.根据研究结果，最终建立了基于微震监测 技术井下岩体稳定性研究的一般模式. 关键词采矿：微震活动：空间分布：聚类分析：时间序列：稳定性 分类号TD324 Space-time distribution of microseismic activities in mines WU Ai-xiang",WU Li-cong,LIU Xiao-hui,WANG Chun-lai,HUANG Wu-sheng",ZHU Quan-jie 1)School of Civil and Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)China Non-ferrous Metals Resource Geological Survey,Beijing 100012,China 3)Faculty of Resources Safety Engineering,China University of Mining Technology (Beijing),Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:wulicon520@163.com ABSTRACT The space-time distribution of microseismic activities in a mine was analyzed by minimum distance clustering.Com- bined with mining activities,areas with ground pressure activities were identified effectively.The time series curves of microseismic pa- rameters were established to study the stress and deformation of local surrounding rock and investigate the precursor of rock mass fail- ure.It is found that accumulation areas are isolated and unaffected each others,showing that large-area ground pressure activities will not happen.An abrupt increase of accumulated events number and energy after quiet in the time series curves represents the sudden re- lease of accumulation energy in rock mass,indicating that the stability of surrounding rock deteriorates.Based on the research results and microseismic monitoring technology,a general model was established to study the stability of surrounding rock. KEY WORDS mining:microseismic activities:spatial distribution:cluster analysis;time series:stability 由于浅地表矿产资源的日益枯竭，矿山开采深 此方面，国内外学者运用非线性动力学及地震学等 度不断加大，深部开采破坏了原岩应力状态，容易诱 理论和方法进行了许多创新性的研究，得到了一些 发动力灾害，极大地威胁井下人员和设备安全，因此 系统和理论性的成果.谢和平、唐礼忠等B应用分 有必要开展各种地压灾害的监测研究口.微震监测 形理论对微震活动的时空分布进行了研究，发现分 技术是目前矿山动力灾害监测的有效手段，通过在 形维数在一定程度上反映了微震活动的变化状态， 开采区域内布设传感器，探测震源所发出的地震波， 可以作为微震预测的参数.杨承祥等固通过对冬瓜 确定岩体微破裂分布位置，可掌握岩体活动规律，进 山铜矿微震活动空间分布的直观分析，圈定了潜在 而实现动力灾害的预测预报回.为得到可靠准确的 的地压活动危险区.袁子清等因基于微震参数时间 判断，微震活动的时空分布研究显得尤为重要.在 序列分析，研究了微震事件与地压活动之间的响应 收稿日期：201108-26 基金项目：教有部长江学者和创新团队发展计划资助项目(R0950):国家自然科学基金重点资助项目(50934002)
第 34 卷 第 6 期 2012 年 6 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 34 No． 6 Jun． 2012 矿山微地震活动时空分布 吴爱祥1) 武力聪1，2) 刘晓辉1) 王春来3) 黄武胜1) 朱权洁1) 1) 北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083 2) 有色金属矿产地质调查中心，北京 100012 3) 中国矿业大学( 北京) 资源与安全工程学院，北京 100083 通信作者，E-mail: wulicon520@ 163． com 摘 要 利用最短距离聚类法对某矿山微地震活动的时空分布进行了分析，结合现场采掘计划，有效识别了井下地压活动 区． 通过建立各活动区内微震参数时间序列曲线，研究了局部围岩的应力变形规律，探讨了岩体失稳的前兆规律． 结果表明: 研究期间井下各微震聚集区相互孤立，采掘活动不会引起大范围的地压活动; 微震累计事件数及累计能量时间序列曲线出现 由平静突然增大时表征了岩体内累积应变能的突然释放，预示围岩稳定性的劣化． 根据研究结果，最终建立了基于微震监测 技术井下岩体稳定性研究的一般模式． 关键词 采矿; 微震活动; 空间分布; 聚类分析; 时间序列; 稳定性 分类号 TD324 Space-time distribution of microseismic activities in mines WU Ai-xiang1) ，WU Li-cong1，2) ，LIU Xiao-hui 1) ，WANG Chun-lai 3) ，HUANG Wu-sheng1) ，ZHU Quan-jie 1) 1) School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) China Non-ferrous Metals Resource Geological Survey，Beijing 100012，China 3) Faculty of Resources ＆ Safety Engineering，China University of Mining ＆ Technology ( Beijing) ，Beijing 100083，China Corresponding author，E-mail: wulicon520@ 163． com ABSTRACT The space-time distribution of microseismic activities in a mine was analyzed by minimum distance clustering． Combined with mining activities，areas with ground pressure activities were identified effectively． The time series curves of microseismic parameters were established to study the stress and deformation of local surrounding rock and investigate the precursor of rock mass failure． It is found that accumulation areas are isolated and unaffected each others，showing that large-area ground pressure activities will not happen． An abrupt increase of accumulated events number and energy after quiet in the time series curves represents the sudden release of accumulation energy in rock mass，indicating that the stability of surrounding rock deteriorates． Based on the research results and microseismic monitoring technology，a general model was established to study the stability of surrounding rock． KEY WORDS mining; microseismic activities; spatial distribution; cluster analysis; time series; stability 收稿日期: 2011--08--26 基金项目: 教育部长江学者和创新团队发展计划资助项目( IRT0950) ; 国家自然科学基金重点资助项目( 50934002) 由于浅地表矿产资源的日益枯竭，矿山开采深 度不断加大，深部开采破坏了原岩应力状态，容易诱 发动力灾害，极大地威胁井下人员和设备安全，因此 有必要开展各种地压灾害的监测研究［1］． 微震监测 技术是目前矿山动力灾害监测的有效手段，通过在 开采区域内布设传感器，探测震源所发出的地震波， 确定岩体微破裂分布位置，可掌握岩体活动规律，进 而实现动力灾害的预测预报［2］． 为得到可靠准确的 判断，微震活动的时空分布研究显得尤为重要． 在 此方面，国内外学者运用非线性动力学及地震学等 理论和方法进行了许多创新性的研究，得到了一些 系统和理论性的成果． 谢和平、唐礼忠等［3--4］应用分 形理论对微震活动的时空分布进行了研究，发现分 形维数在一定程度上反映了微震活动的变化状态， 可以作为微震预测的参数． 杨承祥等［5］通过对冬瓜 山铜矿微震活动空间分布的直观分析，圈定了潜在 的地压活动危险区． 袁子清等［6］基于微震参数时间 序列分析，研究了微震事件与地压活动之间的响应 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2012.06.004
·610* 北京科技大学学报 第34卷 规律.综观这些研究仍存在一些问题：(1)较大范围 1.2工程背景 内微震活动与岩体性状变化响应规律的讨论没有多 某铅锌矿采深达1300余米，高地应力环境下 少现实意义，实际生产中更为关注某具体区域内围 开挖诱发大量微地震活动，为保证深部资源安全高 岩的应力变化情况：(2)由于井下地质条件复杂及 效回采，引进了南非ISS微震监测系统，用于对井下 监测误差等因素的影响，微震活动的空间分布一般 各种动力灾害的实时监测.基于开采现状，监测系 呈较为分散的状态，直观进行分布区域的划分，难免 统主要布置在1331~1451m水平之间，监测范围涵 受到人为因素的影响，缺少客观有效的方法 盖了200m×150m×120m(分别沿矿体走向、倾向 本文利用聚类分析理论对微震活动空间分布进 和垂直方向)的区域，人工震源定位结果显示，系统 行定量分析，根据震源位置间距离的远近程度将其 监测误差小于8m山，满足监测精度要求.在数据 自动划分为不同的聚集区，并对各区域内微震活动 处理方面，ISS监测系统后处理程序可通过波形特 进行时间序列分析，根据其时间变化特征研究围岩 征识别有效的岩体破裂事件，滤除生产爆破及机械 的应力变化规律，进而对其稳定性做出评价 震动等事件的干扰，同时能实现地震学参数的定量 计算，为微震活动时空分布的定量分析提供了条件. 1研究方法及工程背景 本文仅针对该系统于2007年10一12月间的监测数 1.1矿山微地震空间分布聚类分析 据进行研究，其空间分布情况如图1所示，圆球即代 微震活动是井下岩体破裂、扩展的伴生现象，其 表一个微震事件，研究期间共监测到微震事件1348 空间分布反应了岩体局部受力状态.因此，通过研 个，监测震级范围为-2.0≤M1≤2.0，M为最大 究微震空间分布特征，结合实际开采活动，可识别潜 震级 在的地压活动危险区.但是，由于井下环境复杂 以及监测误差等因素的影响，微震事件的产生具有 1550 一定的离散性，其空间分布一般呈较为分散的状态， 直观地划分微震聚集区必然存在人为因素的影响 日1500 聚类分析理论为客观定量地划分微震活动区域提供 了方法，通过计算震源之间的距离来描述事件的亲 1400 疏程度，按照它们远近程度合理地进行分类圆.基 N1350 于实际应用情况，本文采用层次聚类法中的最短距 1300 离法进行聚类分析，该方法计算简便，可根据标准距 400 离自动划分类的数量9-0.主要步骤如下 N一 300200 。 00 (1)将微震事件的震源位置作为聚类对象，聚 Y矿体倾向m 0300400500600700800001000 X矿体走向/m 类要素为震源在空间上的三个坐标，如下式，开始计 图12007年10一12月微震事件空间分布 算时，各震源自成一类（事件数为，则此时共有 Fig.1 Spatial distribution of recorded microseismic events from Oc- n类). tober to December 2007 x,=(xax2x8）,i=1,2,…,n. (1) (2)计算各震源之间的距离，以两震源间的距 2微地震时空分布 离来度量它们的亲疏程度，将最近的两个事件并成 一类.本文采用欧氏距离d:来表示微震事件x:和x 由图1观察可知，微地震活动分布呈较为分散 之间的距离，如下式所示： 的状态，直观地对微震活动进行空间区域划分确非 易事，也难免受人为因素影响.本文利用Matlab软 4= (2) 件按照前述方法编制程序，对其空间分布进行聚类 (3)采用最短距离法进行聚类，即计算新类与 分析，结合井下实际采掘计划，开展了回采活动与微 其余各类的距离，再将最近的两类合并，此时若类的 地震响应规律的研究 数目仍大于1，则再重复上述步骤，直到所有微震事 2.1现场采掘活动 件归为一类为止.其中类G,和类G,的距离定义如 该矿采用上向水平分层充填法进行回采，阶段 下式所示： 高60m,分层高4m,矿体被采出后，利用膏体充填 d=min(di,xeGp'xG (3) 处理空区.每分层沿矿体走向布置2~3个盘区，长
北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 规律． 综观这些研究仍存在一些问题: ( 1) 较大范围 内微震活动与岩体性状变化响应规律的讨论没有多 少现实意义，实际生产中更为关注某具体区域内围 岩的应力变化情况; ( 2) 由于井下地质条件复杂及 监测误差等因素的影响，微震活动的空间分布一般 呈较为分散的状态，直观进行分布区域的划分，难免 受到人为因素的影响，缺少客观有效的方法． 本文利用聚类分析理论对微震活动空间分布进 行定量分析，根据震源位置间距离的远近程度将其 自动划分为不同的聚集区，并对各区域内微震活动 进行时间序列分析，根据其时间变化特征研究围岩 的应力变化规律，进而对其稳定性做出评价． 1 研究方法及工程背景 1. 1 矿山微地震空间分布聚类分析 微震活动是井下岩体破裂、扩展的伴生现象，其 空间分布反应了岩体局部受力状态． 因此，通过研 究微震空间分布特征，结合实际开采活动，可识别潜 在的地压活动危险区［7］． 但是，由于井下环境复杂 以及监测误差等因素的影响，微震事件的产生具有 一定的离散性，其空间分布一般呈较为分散的状态， 直观地划分微震聚集区必然存在人为因素的影响． 聚类分析理论为客观定量地划分微震活动区域提供 了方法，通过计算震源之间的距离来描述事件的亲 疏程度，按照它们远近程度合理地进行分类［8］． 基 于实际应用情况，本文采用层次聚类法中的最短距 离法进行聚类分析，该方法计算简便，可根据标准距 离自动划分类的数量［9--10］． 主要步骤如下． ( 1) 将微震事件的震源位置作为聚类对象，聚 类要素为震源在空间上的三个坐标，如下式，开始计 算时，各震源自成一类( 事件数为 n，则此时共有 n 类) ． xi = ( xi1，xi2，xi3 ) ，i = 1，2，…，n． ( 1) ( 2) 计算各震源之间的距离，以两震源间的距 离来度量它们的亲疏程度，将最近的两个事件并成 一类． 本文采用欧氏距离 dij来表示微震事件 xi和 xj 之间的距离，如下式所示: dij = [ ∑ 3 k = 1 ( xik － xjk ) ] 2 1 /2 ． ( 2) ( 3) 采用最短距离法进行聚类，即计算新类与 其余各类的距离，再将最近的两类合并，此时若类的 数目仍大于 1，则再重复上述步骤，直到所有微震事 件归为一类为止． 其中类 Gq和类 Gp的距离定义如 下式所示: dpq = min{ dij } ，xi∈Gp，xj∈Gq ． ( 3) 1. 2 工程背景 某铅锌矿采深达 1 300 余米，高地应力环境下 开挖诱发大量微地震活动，为保证深部资源安全高 效回采，引进了南非 ISS 微震监测系统，用于对井下 各种动力灾害的实时监测． 基于开采现状，监测系 统主要布置在 1331 ～ 1451 m 水平之间，监测范围涵 盖了 200 m × 150 m × 120 m( 分别沿矿体走向、倾向 和垂直方向) 的区域，人工震源定位结果显示，系统 监测误差小于 8 m［11］，满足监测精度要求． 在数据 处理方面，ISS 监测系统后处理程序可通过波形特 征识别有效的岩体破裂事件，滤除生产爆破及机械 震动等事件的干扰，同时能实现地震学参数的定量 计算，为微震活动时空分布的定量分析提供了条件． 本文仅针对该系统于 2007 年 10—12 月间的监测数 据进行研究，其空间分布情况如图 1 所示，圆球即代 表一个微震事件，研究期间共监测到微震事件 1 348 个，监测震级范围为 － 2. 0≤ML ≤2. 0，ML 为最大 震级． 图 1 2007 年 10—12 月微震事件空间分布 Fig． 1 Spatial distribution of recorded microseismic events from October to December 2007 2 微地震时空分布 由图 1 观察可知，微地震活动分布呈较为分散 的状态，直观地对微震活动进行空间区域划分确非 易事，也难免受人为因素影响． 本文利用 Matlab 软 件按照前述方法编制程序，对其空间分布进行聚类 分析，结合井下实际采掘计划，开展了回采活动与微 地震响应规律的研究． 2. 1 现场采掘活动 该矿采用上向水平分层充填法进行回采，阶段 高 60 m，分层高 4 m，矿体被采出后，利用膏体充填 处理空区． 每分层沿矿体走向布置 2 ～ 3 个盘区，长 ·610·
第6期 吴爱祥等：矿山微地震活动时空分布 ·611· 约60~80m,宽为矿体厚度，自两翼向中间按先矿房 后矿柱两步骤顺序回采，开采结构如图2所示.截 矿体 1451中段 止2007年10月，1451m水平以上的开采活动基本 斜坡道 1391中段 结束，开始对1331~1451m水平间的矿体进行回 采.1331m中段首采为一分层，底板标高1330m; 出矿道。 -331中段 1391m中段首采为二分层，底板标高为1399m.对 研究期间井下采掘活动进行统计，结果如表1所示. 3号斜井 中段平巷 1261中段 2.2微地震活动空间聚类分析 利用编制的Matlab程序对系统监测到的1348 图2开采结构示意图 个微震事件的空间分布进行分析.结果表明当聚类 Fig.2 Schematic diagram of the mining structure 表12007年10一12月采掘活动 Table 1 Mining activities from October to December 2007 时间 开采活动 备注 1451m中段18分层(1499m)二盘区回采结束，少量空区等待充填：1391m中 10月 段二分层(1399m)两翼矿体(1、3盘区)开始回采. 受逆冲断裂的影响，1331m中段矿区内北东 1331m中段二分层(1339m)两翼盘区1、3盘区开始回采：1331m中段三分层 向纵断层及北西向横断层较为发育，并且相 11月 (1357m)掘进出矿道：充填1499m水平空区. 互交错（主要断层有F:、F4和F6). 12月 1399m水平两翼矿体回采即将结束，2盘区开始回采 间距离为25m时，可得到26个聚类，其微震事件数 最多为315个，最少为3个，共902个数据.其余 1550 446个事件不属于任何类，分布较为离散，且远离各 且1500 聚类中心，其产生的原因与系统监测误差及岩体不 1450 聚类3 均匀性有直接关系，分析时将其移除.对于事件数 聚类4 少于10个的聚类，由于其对于整个矿区的地压活动 56 1350 没有明显作用，为确保研究结果的普遍性，分析时将 1300 其去除.图3为移除干扰事件后微震活动的空间分 400 布.将其与图1对比可知，通过空间聚类处理将微 N-300 200 100 震活动划分为六个边界分明的区域，对各目标区域 矿体顿向/m 030040-500600700s009001000 X矿体走向m 内的事件数、震级及平均能级进行统计，结果如表2 图3微震活动空间分布聚类分析 所示.同时，对各聚类中微震事件的时间分布进行 Fig.3 Clustering analysis of the spatial distribution of recorded mi- 了分析，结果如图4所示.以下根据各聚类的时空 croseismic events 分布及震源参数，结合现场实际情况，开展回采活动 与微震活动响应规律的研究 表2聚类结果统计 Table 2 Result of clustering analysis 聚类 事件数 最大震级，M平均能量k」 10-0710-2011-0211-1511-2812-1112-24 315 0.4 1.52 监测日期（月-日） 2 118 0.2 1.38 图4各聚类中微地震活动的时间分布 3 95 0.1 1.62 Fig.4 Time distribution of microseismic events in clustering 68 0.1 0.98 这与1331~1451m中段正在回采的范围基本对应. 55 1.1 3.27 矿体东南方向上部有少量微震事件（聚类6），由 6 51 0.3 1.34 1499m水平的回采活动诱导产生，震源分布较分 图3表明，微震活动主要分布于矿体走向300~ 散，且释放的平均能级较低，说明该区域的地压活动 600m,倾向150~250m,垂高1250~1550m之间， 并不剧烈.同时，其在时间上主要分布于11月中旬
第 6 期 吴爱祥等: 矿山微地震活动时空分布 约60 ～ 80 m，宽为矿体厚度，自两翼向中间按先矿房 后矿柱两步骤顺序回采，开采结构如图 2 所示． 截 止 2007 年 10 月，1 451 m 水平以上的开采活动基本 结束，开始对 1 331 ～ 1 451 m 水平间的矿体进行回 采． 1 331 m 中段首采为一分层，底板标高 1330 m; 1 391 m中段首采为二分层，底板标高为 1 399 m． 对 研究期间井下采掘活动进行统计，结果如表 1 所示． 2. 2 微地震活动空间聚类分析 利用编制的 Matlab 程序对系统监测到的 1 348 个微震事件的空间分布进行分析． 结果表明当聚类 图 2 开采结构示意图 Fig． 2 Schematic diagram of the mining structure 表 1 2007 年 10—12 月采掘活动 Table 1 Mining activities from October to December 2007 时间 开采活动 备注 10 月 1 451 m 中段 18 分层( 1 499 m) 二盘区回采结束，少量空区等待充填; 1 391 m 中 段二分层( 1 399 m) 两翼矿体( 1、3 盘区) 开始回采． 11 月 1 331 m 中段二分层( 1 339 m) 两翼盘区 1、3 盘区开始回采; 1 331 m 中段三分层 ( 1 357 m) 掘进出矿道; 充填 1 499 m 水平空区． 12 月 1 399 m 水平两翼矿体回采即将结束，2 盘区开始回采． 受逆冲断裂的影响，1 331 m 中段矿区内北东 向纵断层及北西向横断层较为发育，并且相 互交错( 主要断层有 F1、F4和 F6 ) ． 间距离为 25 m 时，可得到 26 个聚类，其微震事件数 最多为 315 个，最少为 3 个，共 902 个数据． 其余 446 个事件不属于任何类，分布较为离散，且远离各 聚类中心，其产生的原因与系统监测误差及岩体不 均匀性有直接关系，分析时将其移除． 对于事件数 少于 10 个的聚类，由于其对于整个矿区的地压活动 没有明显作用，为确保研究结果的普遍性，分析时将 其去除． 图 3 为移除干扰事件后微震活动的空间分 布． 将其与图 1 对比可知，通过空间聚类处理将微 震活动划分为六个边界分明的区域，对各目标区域 内的事件数、震级及平均能级进行统计，结果如表 2 所示． 同时，对各聚类中微震事件的时间分布进行 了分析，结果如图 4 所示． 以下根据各聚类的时空 分布及震源参数，结合现场实际情况，开展回采活动 与微震活动响应规律的研究． 表 2 聚类结果统计 Table 2 Result of clustering analysis 聚类 事件数 最大震级，ML 平均能量/kJ 1 315 0. 4 1. 52 2 118 0. 2 1. 38 3 95 0. 1 1. 62 4 68 0. 1 0. 98 5 55 1. 1 3. 27 6 51 0. 3 1. 34 图3 表明，微震活动主要分布于矿体走向 300 ～ 600 m，倾向 150 ～ 250 m，垂高 1 250 ～ 1 550 m 之间， 图 3 微震活动空间分布聚类分析 Fig． 3 Clustering analysis of the spatial distribution of recorded microseismic events 图 4 各聚类中微地震活动的时间分布 Fig． 4 Time distribution of microseismic events in clustering 这与 1331 ～ 1451 m 中段正在回采的范围基本对应． 矿体东南方向上部有少量微震事件( 聚类 6) ，由 1 499 m 水平的回采活动诱导产生，震源分布较分 散，且释放的平均能级较低，说明该区域的地压活动 并不剧烈． 同时，其在时间上主要分布于 11 月中旬 ·611·
·612* 北京科技大学学报 第34卷 之前，表明由于及时对采空区进行了膏体充填，顶板 动，能够定量有效地对地压活动区进行圈定，从而对 应力状态得到改善，微震活动随之停止· 各采场结构开展有针对性的研究.此时段内微震聚 聚类1、2和3分别由1399m水平1、3盘区及 集区与开采活动基本对应，其聚类中心较分散，相互 1339m水平1盘区的回采活动诱导产生，该区域内 孤立，互不影响，说明这段时间的采掘活动只对其开 微震事件数较多，共528起，为事件总量的39%，但 挖围岩产生影响，而不会引起大范围的岩层活动，地 平均能级较低，仅为1.5kJ左右，在时间上，其分布 压活动相对稳定，局部地段会出现小规模的岩体破 较均匀，伴随了整个回采过程.聚类4位于1331m 坏事件. 中段下盘，由1357m水平出矿道掘进活动诱导产 2.3微地震活动时间序列分析 生，事件分布较为零散，且平均能级较低.同时，随 微震监测的目的在于通过对矿震活动时空变化 着掘进活动的结束及支护工程的实施，围岩应力二 特征的研究，掌握井下地压活动规律，进而对井下岩 次分布，微震活动也相应停止.聚类5远离采掘范 体稳定性做出判断.研究表明，当某区域微震事件 围，分布于1331m中段北西断层带附近，事件在空 数量足够多时，可通过震源参数的时间序列曲线来 间上相对集中，呈长条形由矿体上盘向下盘发展，走 分析岩体的应力变形规律，从而探寻岩体失稳破坏 向与F,断层一致，事件数量较少，但震级处于较高 的前兆特征☒.由于采场围岩的稳定性是矿山安 水平，平均能级为其他聚类的3倍，且在时间上分布 全生产关注的关键对象，同时前述研究表明回采区 较为零散，推测其产生可能与断层的剪切滑移有关， 域聚集了大部分的微震活动，因此本文针对聚类1、 开采扰动导致深部断层被激活，断层面的剪切滑移 导致大量应变能释放，同时伴随少量能量较大的微 2和3三区域中的微震活动进行了时间序列分析， 震事件产生 研究参数为累计事件数∑N及累计能量∑E,单 通过微震活动时空聚类分析，结合现场开采活 位统计时间为△，建立其时间序列曲线如图5所示 300(a 60 ◆一聚类1 M=0.4 ◆一聚类1 -0.4 500 250 ·一聚类2 。一聚类2 一聚类3 200 士一聚类3 400 边 300 50 重10 20 50 100 装融 10-09 0-19 0-29-8-18-2812-8 10-09 10-19 0291-8-8-232-8 监测山期（月-川） 监测日期月-日) 图5微震参数时间序列曲线.(a)∑N:(b)∑E Fig.5 Time series curves of microseism parameters:(a)）∑N:(b)∑E 观察发现，微震累计事件数∑N和累计能量 0.4.在此期间，1399m水平2号出矿道帮壁出现零 ∑E时间序列曲线变化特征一致，具有较高的相 星片帮及剥落现象，并在11月9日晚班，于巷道东 端发生一次小规模顶板垮冒事件，冒落量约3m3. 关性，其中聚类2和3两曲线均呈平稳持续增加趋 究其原因是由于两翼小矿体的回采活动，导致中间 势，且能量释放较小，说明该区域岩体不具备大量能 2号盘区矿岩应力集中，当其受载到一定程度时，岩 量积蓄后突然释放从而形成严重动力破坏的条件， 体发生宏观破坏并伴随大量应变能的释放.因此， 因此围岩相对稳定.聚类1中两曲线均出现了明显 的平静阶段，参数值在10月23日左右持续几天不 可以认为在微震累计事件数∑V及累计能量 变后，在11月6日附近突然增加，∑N由150突 ∑E持续增加情况下的突然停止是岩石发生破裂 增到234，期间释放能量约150kJ.这表征了围岩内 的前兆现象，预示区域内岩体稳定性变差 存储应变能由积蓄到突然释放的过程，预示失稳破 3 岩体稳定性研究的一般模式 坏事件的发生，事实上系统在11月8日左右，共监 测到五次M>0.0的微震事件，最大震级为M1= 根据上述研究结果，建立了基于微震监测技术
北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 之前，表明由于及时对采空区进行了膏体充填，顶板 应力状态得到改善，微震活动随之停止． 聚类 1、2 和 3 分别由 1 399 m 水平 1、3 盘区及 1 339 m水平 1 盘区的回采活动诱导产生，该区域内 微震事件数较多，共 528 起，为事件总量的 39% ，但 平均能级较低，仅为 1. 5 kJ 左右，在时间上，其分布 较均匀，伴随了整个回采过程． 聚类 4 位于 1 331 m 中段下盘，由 1 357 m 水平出矿道掘进活动诱导产 生，事件分布较为零散，且平均能级较低． 同时，随 着掘进活动的结束及支护工程的实施，围岩应力二 次分布，微震活动也相应停止． 聚类 5 远离采掘范 围，分布于 1 331 m 中段北西断层带附近，事件在空 间上相对集中，呈长条形由矿体上盘向下盘发展，走 向与 F4断层一致，事件数量较少，但震级处于较高 水平，平均能级为其他聚类的 3 倍，且在时间上分布 较为零散，推测其产生可能与断层的剪切滑移有关， 开采扰动导致深部断层被激活，断层面的剪切滑移 导致大量应变能释放，同时伴随少量能量较大的微 震事件产生． 通过微震活动时空聚类分析，结合现场开采活 动，能够定量有效地对地压活动区进行圈定，从而对 各采场结构开展有针对性的研究． 此时段内微震聚 集区与开采活动基本对应，其聚类中心较分散，相互 孤立，互不影响，说明这段时间的采掘活动只对其开 挖围岩产生影响，而不会引起大范围的岩层活动，地 压活动相对稳定，局部地段会出现小规模的岩体破 坏事件． 2. 3 微地震活动时间序列分析 微震监测的目的在于通过对矿震活动时空变化 特征的研究，掌握井下地压活动规律，进而对井下岩 体稳定性做出判断． 研究表明，当某区域微震事件 数量足够多时，可通过震源参数的时间序列曲线来 分析岩体的应力变形规律，从而探寻岩体失稳破坏 的前兆特征［12］． 由于采场围岩的稳定性是矿山安 全生产关注的关键对象，同时前述研究表明回采区 域聚集了大部分的微震活动，因此本文针对聚类 1、 2 和 3 三区域中的微震活动进行了时间序列分析， 研究参数为累计事件数 ∑ N 及累计能量 ∑ E，单 位统计时间为 Δt，建立其时间序列曲线如图5 所示． 图 5 微震参数时间序列曲线． ( a) ∑ N; ( b) ∑ E Fig． 5 Time series curves of microseism parameters: ( a) ∑ N; ( b) ∑ E 观察发现，微震累计事件数 ∑ N 和累计能量 ∑ E 时间序列曲线变化特征一致，具有较高的相 关性，其中聚类 2 和 3 两曲线均呈平稳持续增加趋 势，且能量释放较小，说明该区域岩体不具备大量能 量积蓄后突然释放从而形成严重动力破坏的条件， 因此围岩相对稳定． 聚类 1 中两曲线均出现了明显 的平静阶段，参数值在 10 月 23 日左右持续几天不 变后，在 11 月 6 日附近突然增加，∑ N 由 150 突 增到 234，期间释放能量约 150 kJ． 这表征了围岩内 存储应变能由积蓄到突然释放的过程，预示失稳破 坏事件的发生，事实上系统在 11 月 8 日左右，共监 测到五次 ML ＞ 0. 0 的微震事件，最大震级为 ML = 0. 4． 在此期间，1 399 m 水平 2 号出矿道帮壁出现零 星片帮及剥落现象，并在 11 月 9 日晚班，于巷道东 端发生一次小规模顶板垮冒事件，冒落量约 3 m3 ． 究其原因是由于两翼小矿体的回采活动，导致中间 2 号盘区矿岩应力集中，当其受载到一定程度时，岩 体发生宏观破坏并伴随大量应变能的释放． 因此， 可以认为在微震累计事件数 ∑ N 及 累 计 能 量 ∑ E 持续增加情况下的突然停止是岩石发生破裂 的前兆现象，预示区域内岩体稳定性变差． 3 岩体稳定性研究的一般模式 根据上述研究结果，建立了基于微震监测技术 ·612·
第6期 吴爱祥等：矿山微地震活动时空分布 ·613· 井下岩体稳定性研究的一般模式，如图6所示.首 Sci Technol Beijing,2010,32(11)1379 先利用监测系统对开采活动诱导产生的微震活动进 (王春来，吴爱祥，刘晓辉，等.深井开采微震活动容量维D,变 化特征.北京科技大学学报，2010,32(11)：1379) 行实时监测，通过波形识别选取有效岩石破裂事件， ] Wang C L,Wu A X,Xu B G,et al.Study on establishment and 然后通过系统后处理软件对监测数据进行地震学定 optimization network of the microseismic monitoring system in a 量计算，得到震源空间坐标，微震能量等微震参数； deep mine//Proceedings of the 10th National Rock Mechanical and 针对微震活动空间分布进行聚类分析，去除离散事 Engineering.Weihai,2008:120 (王春来，吴爱祥，徐必根，等.某深井矿山微震监测系统建立 件的影响，有效地圈定地压活动区，建立目标区域内 与网络优化研究/第十届全国岩石力学与工程学术大会论文 微震参数（如累计事件数∑N、累计能量∑E)的 集.威海，2008：120) B]Xie H P,Pariseau W G.Fractal character and mechanism of rock 时间序列曲线，根据其时间变化特征，研究区域岩体 bursts.Chin J Rock Mech Eng,1993,12(1)28 应力变形规律，最终对其稳定性做出评价 (谢和平，Pariseau W G.岩爆的分形特征和机理.岩石力学与 工程学报，1993,12(1)：28) 4]Tang LZ,Xia K W,Li X B.Seismic multi-fractal characteristics 微地震活动实时监测 及波形识别 in mines and seismicity prediction.Chin J Rock Mech Eng,2010, 29(9):1818 (唐礼忠，XaKW,李夕兵.矿山地震活动多重分形特性与地 监测数据地震学定量川算 震活动性预测.岩石力学与工程学报，2010,29(9)：1818) [5]Yang C X,Lou ZQ,Tang LZ.Study on rule of geostatic activity 微震活动空问分布聚类分析 based on microseismic monitoring technique deep mining.Chin Rock Mech Eng,2007,26(4)818 月标区域微震参数时间序列分析 (杨承祥，罗周全，唐礼忠.基于微震监测技术的深井开采地 压活动规律研究.岩石力学与工程学报，2007,26(4)：818) 区城岩体稳定性评价 [6 Yuan Z Q,Yang X C,Tang L Z.Research on the relationship be- 提出预防对策 tween exploiting activity of hard-rock metal mines and mining-in- duced seismicity.China Saf Sci J,2008,18(4):16 图6岩体稳定性研究的一般模式 (袁子清，杨小聪，唐礼忠.硬岩金属矿山开采活动与矿山地 Fig.6 General model of studying the stability of surrounding rock 震活动的关系研究.中国安全科学学报，2008,18(4)：16) ] mass Yang ZG.Yu R C,Guo R,et al.Research of mining based on microseismic monitoring technology in high-stress area.Chin 4结论 Rock Mech Eng,2009,28(增f刊2)：3632 (杨志国，于润沧，郭然，等.基于微震监测技术的矿山高应力 (1)利用聚类分析理论对微震活动的空间分布 区采动研究.岩石力学与工程学报，2009,28(Suppl2):3632) 进行研究，结合现场实际开采活动，可避免离散事件 8] Diao G L,Wang J G,Dai B S,et al.Cluestering analysis of 及人为因素的影响，客观有效地划分微震活动聚集 strong shock along Huanghai and Bohai.North China Earthquake Sci,1999,17(2):6 区.本研究中，1331m及1391m中段首采分层各微 (刁桂苓，王俊国，戴泊生，等.渤海、黄海及沿岸强震聚类分 震聚集区与开采活动基本对应，且相互孤立，互不影 析.华北地震科学，1999,17(2)：6) 响，表明采掘活动只对其开挖围岩产生影响，而不会 9] Gu H B,Zhao W P.Cluestering algorithm based on Max-min dis- tance for students'score analysis in universities and applications. 引起大范围的岩层活动，地压活动相对稳定 Hebei Unin Eng Nat Sci Ed,2010,27(1):96 (2)基于微震活动的空间聚类结构，针对目标 (顾洪博，赵万平.基于MMD聚类算法及在高校成绩分析中 区域内微震参数进行时间序列分析，可掌握区域岩 的应用.河北工程大学学报：自然科学版，2010,27(1)：96) 体的应力变形规律，进而对其稳定性做出评价.研 [10]Lesniak A,Isakow Z.Space-ime clustering of seismic events and hazard assessment in the Zabrze-Bielszowice coal Poland.Int J 究表明，当微震累计事件数和累计能量时间序列曲 Rock Mech Min Sci,2009,46(5):918 线出现由平静向突增变化过程时，表明岩体内应变 [11]Liu X H,Wu A X,Wang C L,et al.Research on application of 能由累积突然释放，预示失稳破坏事件的发生，岩体 the microseismic monitoring system in Yunnan Huize lead-ginc mine.Met Mine,2010 (1):151 稳定性变差. (刘晓辉，吴爱祥，王春来，等.云南会泽铅锌矿微震监测系 (3)根据研究结果，建立了基于微震监测技术 统应用研究.金属矿山，2010(1)：151) 井下岩体稳定性研究的一般模式。 02] Tang L Z.Study on Monitoring and Prediction of Seismicity and Rockburst in a Deep Mine [Dissertation].Changsha:Central 参考文献 South University,2008:4 [1]Wang C L,Wu A X,Liu X H,et al.Variation characteristics of (唐礼忠.深井矿山地震活动与岩爆监测及预测研究[学位 capacity dimension D with microseismicity in deep mining./Unir 论文].长沙：中南大学，2008：4)
第 6 期 吴爱祥等: 矿山微地震活动时空分布 井下岩体稳定性研究的一般模式，如图 6 所示． 首 先利用监测系统对开采活动诱导产生的微震活动进 行实时监测，通过波形识别选取有效岩石破裂事件， 然后通过系统后处理软件对监测数据进行地震学定 量计算，得到震源空间坐标，微震能量等微震参数; 针对微震活动空间分布进行聚类分析，去除离散事 件的影响，有效地圈定地压活动区，建立目标区域内 微震参数( 如累计事件数 ∑ N、累计能量 ∑ E) 的 时间序列曲线，根据其时间变化特征，研究区域岩体 应力变形规律，最终对其稳定性做出评价． 图 6 岩体稳定性研究的一般模式 Fig． 6 General model of studying the stability of surrounding rock mass 4 结论 ( 1) 利用聚类分析理论对微震活动的空间分布 进行研究，结合现场实际开采活动，可避免离散事件 及人为因素的影响，客观有效地划分微震活动聚集 区． 本研究中，1 331 m 及 1 391 m 中段首采分层各微 震聚集区与开采活动基本对应，且相互孤立，互不影 响，表明采掘活动只对其开挖围岩产生影响，而不会 引起大范围的岩层活动，地压活动相对稳定． ( 2) 基于微震活动的空间聚类结构，针对目标 区域内微震参数进行时间序列分析，可掌握区域岩 体的应力变形规律，进而对其稳定性做出评价． 研 究表明，当微震累计事件数和累计能量时间序列曲 线出现由平静向突增变化过程时，表明岩体内应变 能由累积突然释放，预示失稳破坏事件的发生，岩体 稳定性变差． ( 3) 根据研究结果，建立了基于微震监测技术 井下岩体稳定性研究的一般模式． 参 考 文 献 ［1］ Wang C L，Wu A X，Liu X H，et al． Variation characteristics of capacity dimension Df with microseismicity in deep mining． J Univ Sci Technol Beijing，2010，32( 11) : 1379 ( 王春来，吴爱祥，刘晓辉，等． 深井开采微震活动容量维 Df变 化特征． 北京科技大学学报，2010，32( 11) : 1379) ［2］ Wang C L，Wu A X，Xu B G，et al． Study on establishment and optimization network of the microseismic monitoring system in a deep mine / /Proceedings of the 10th National Rock Mechanical and Engineering． Weihai，2008: 120 ( 王春来，吴爱祥，徐必根，等． 某深井矿山微震监测系统建立 与网络优化研究/ /第十届全国岩石力学与工程学术大会论文 集． 威海，2008: 120) ［3］ Xie H P，Pariseau W G． Fractal character and mechanism of rock bursts． Chin J Rock Mech Eng，1993，12( 1) : 28 ( 谢和平，Pariseau W G． 岩爆的分形特征和机理． 岩石力学与 工程学报，1993，12( 1) : 28) ［4］ Tang L Z，Xia K W，Li X B． Seismic multi-fractal characteristics in mines and seismicity prediction． Chin J Rock Mech Eng，2010， 29( 9) : 1818 ( 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． 岩石力学与工程学报，2010，29( 9) : 1818) ［5］ Yang C X，Lou Z Q，Tang L Z． Study on rule of geostatic activity based on microseismic monitoring technique deep mining． Chin J Rock Mech Eng，2007，26( 4) : 818 ( 杨承祥，罗周全，唐礼忠． 基于微震监测技术的深井开采地 压活动规律研究． 岩石力学与工程学报，2007，26( 4) : 818) ［6］ Yuan Z Q，Yang X C，Tang L Z． Research on the relationship between exploiting activity of hard-rock metal mines and mining-induced seismicity． China Saf Sci J，2008，18( 4) : 16 ( 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． 中国安全科学学报，2008，18( 4) : 16) ［7］ Yang Z G，Yu R C，Guo R，et al． Research of mining based on microseismic monitoring technology in high-stress area． Chin J Rock Mech Eng，2009，28( 增刊 2) : 3632 ( 杨志国，于润沧，郭然，等． 基于微震监测技术的矿山高应力 区采动研究． 岩石力学与工程学报，2009，28( Suppl 2) : 3632) ［8］ Diao G L，Wang J G，Dai B S，et al． Cluestering analysis of strong shock along Huanghai and Bohai． North China Earthquake Sci，1999，17( 2) : 6 ( 刁桂苓，王俊国，戴泊生，等． 渤海、黄海及沿岸强震聚类分 析． 华北地震科学，1999，17( 2) : 6) ［9］ Gu H B，Zhao W P． Cluestering algorithm based on Max-min distance for students' score analysis in universities and applications． J Hebei Univ Eng Nat Sci Ed，2010，27( 1) : 96 ( 顾洪博，赵万平． 基于 MMD 聚类算法及在高校成绩分析中 的应用． 河北工程大学学报: 自然科学版，2010，27( 1) : 96) ［10］ Le ＇ sniak A，Isakow Z． Space-time clustering of seismic events and hazard assessment in the Zabrze-Bielszowice coal Poland． Int J Rock Mech Min Sci，2009，46( 5) : 918 ［11］ Liu X H，Wu A X，Wang C L，et al． Research on application of the microseismic monitoring system in Yunnan Huize lead-zinc mine． Met Mine，2010( 1) : 151 ( 刘晓辉，吴爱祥，王春来，等． 云南会泽铅锌矿微震监测系 统应用研究． 金属矿山，2010 ( 1) : 151) ［12］ Tang L Z． Study on Monitoring and Prediction of Seismicity and Rockburst in a Deep Mine ［Dissertation］． Changsha: Central South University，2008: 4 ( 唐礼忠． 深井矿山地震活动与岩爆监测及预测研究［学位 论文］． 长沙: 中南大学，2008: 4) ·613·