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2.DepartmentofCivilEngineering,UniversityofToronto,TorontoM4Y1R5,Canada

©

CentralSouthUniversityPressandSpringer-VerlagBerlinHeidelberg2010

Abstract:

Theresearchontherockburstpredictionwasmadeonthebasisofseismology,rockmechanicsandthedatafromDongguashanCopperMine（DCM）,thedeepestmetalmineinChina.TheseismicresponsestomininginDCMwereinvestigatedthroughtheanalysesofthespatio-temporaldistributionofhypocenters,apparentstressanddisplacementofseismicevents,andtheprocessofthegenerationofhazardousseismicityinDCMwasstudiedintheframeworkofthetheoryofasperityintheseismicsourcemechanism.AmethodoflocatingareaswithhazardousseismicityandaconceptualmodelofhazardousseismicnucleationinDCMwereproposed.Acriterionofrockburstpredictionwasanalyzedtheoreticallyintheframeworkofunstablefailuretheories,andconsequently,therateofchangeintheratiooftheseismicstiffnessofrockinaseismicnucleationareatothatinsurroundingarea,dS/dt,isdefinedasanindexoftherockburstprediction.ThepossibilityofarockburstwillincreaseifdS/dt＞0,andthepossibilityofrockburstwilldecreaseifdS/dt＜0.ThecorrectnessofthesemethodsisdemonstratedbyanalysesofrockfailurecasesinDCM.

摘要：

本次岩爆预测研究是在地震学、岩石力学的基础上，结合中国最深的金属矿山——冬瓜山铜矿（以下简称DCM）的相关数据而进行的。

通过对震源的时空分布分析以及对地震事件的表面应力和位移分析，研究DCM采矿活动的地震响应；

并且，对DCM产生危险性地震活动的过程的研究是在震源机制中粗糙理论的框架下进行的。

在此提出一种定位有害地震活动的方法和DCM有害地震成核的概念模型。

它在失稳破坏理论的框架下理论分析了一种预测岩爆的标准尺度，即地震成核区域岩石与周围岩石的地震刚度比的变化率——

，并被定义为预测岩爆的指标。

如果某个地区的

>

0，其发生岩爆的几率将会增加；

如果

<

0，则发生岩爆的几率会降低。

这些方法的正确性在DCM的岩石失稳案例的分析中得以证明。

Keywords:

arealrockburstprediction;

seismicsourcemechanism;

unstablefailure;

deepmine;

seismicstiffness;

seismicnucleation

关键词：

区域岩爆预测；

震源机制；

失稳破坏；

深部矿井；

地震刚度；

地震成核

1Introduction简介

Ingeneral,themainobjectivesofthepredictionofrockburstthroughroutineseismicmonitoringinminesaretoindicatethelocationsofpotentialrockburstsassociatedwithintermediateorlargeseismicevents,andtodetectspatio-temporalchangesinseismicparametersandrelatethesechangestothestabilityofdeformationwithinthevolumeofinterest.Thispredictionwouldguidecontrolmeasuresandwarningstomanagetheexposuretopotentialrockbursts.Seismicityinmanyminesshowsasortofcomplexarealspatialdistribution,whichcanbemeasuredeffectivelybyaseismicmonitoringsystem[1].Therefore,theseismologicalmethodofthepredictionofthearealrockburstsisveryimportantforrockburstcontrolandwarninginamine.

一般来说，通过在矿井中的地震监测来预测岩爆的主要目标是指示出与中等或高等级地震相关的潜在的岩爆位置，并探测地震参数的时空变化，同时在关注的范围内将这些变化与变形的稳定性联系起来。

这一预测将为控制和警告措施提供指导，从而对潜在岩爆的发生进行管理。

许多地震矿山活动表现出某种复杂的区域空间分布，它们可以由地震监测系统有效地度量出来[1]。

因此，在矿山中，区域岩爆预测的地震学方法对岩爆的控制和预警而言非常重要。

Inordertounderstandthemechanismofrockburstsinmines,theseismicresponsetominingwasresearchedformanymines[2−3].Intheseresearches,thekeyproblemthatneedstoberesolvedistoestablishthemodelofseismicnucleation.Itisdemonstratedthattheheterogeneityofseismicitybearstheinformationfortheseismicnucleationandtherearesomecorrelationsbetweentheheterogeneityofseismicityandthepropertiesofrockmass[4−6].Becauseoverallrockmassstructureinamineincludesnotonlythegeologicalstructureofrock,buttheminingengineeringstructure,themodelsofseismicnucleationneedtobeestablishedbasedonthetheoriesofseismicheterogeneityandoverallrockmassstructureintheminingcondition.However,themajorityoftheresearchesontheseismicmechanismandmodelsofseismicityinminesfocusedmainlyonrockstructuresuchasfaultsandlocalstopesortunnels[7−9],andtherewerefewresearchesonthemechanismofthearealseismicnucleationandthemodelsofhazardousseismicpredictionthroughcombiningthepropertiesofminingengineeringstructureinthewholeminingareaandtheseismicity.Therefore,inthiswork,theresearchesonthemechanismofthehazardousseismicnucleationandthemodeloftherockburstpredictionweremadebythecomprehensiveanalysesofthetotalminingengineeringstructureandseismicityintheconditionofminingonthelargescale.

为了解矿山岩爆的机制，矿山开采过程中的地震响应已经被研究多次[2−3]。

在这些研究中，需要解决的关键问题是建立地震成核模型。

研究证明，地震活动的不均匀性带有地震成核的某些信息，并且这种不均匀性与岩体的属性有一定关联。

由于矿山中整体的岩体结构不仅包括岩体的地质结构，也包括其采矿工程结构，因此地震成核模型需要建立在开采条件下地震的不均匀性理论和整体岩体结构的基础之上。

然而，多数矿山地震机制和地震活动模型的研究者关注的主要是诸如断层和当地采场或隧道等岩体结构[7−9]，却极少有人通过将整个矿区的采矿工程结构特征与地震活动相结合的方式来研究区域地震成核机制和有害地震预测模型。

因此，该文章在有害地震成核机制和岩爆预测模型方面的研究中综合分析了整体采矿工程结构和大规模开采条件下的地震活动。

Fortherockburstprediction,manyattemptsweremadetoquantifythemechanismsofrockburstsusingseismicparametersandrockmechanicsmethods.Someseismological-basedtheoriesandmethodsforrockburstpredictionwereproposed.Forexample,thestatisticalanalysesofthetemporaldatawereusedtocalculatetheprobabilityoftheoccurrenceoftheseismiceventofamagnitude[10−11],andthestateandmigrationoftheseismicapparentstressanddisplacementwereusedtoassessthepotentialhazardousseismicity[12−13].However,thesemethodsdonotreallyrelatetheparameterstotheenergyaccumulationinoneareaandtheenergytransferindifferentareas.Inrecentyears,aminestiffnesstheoryhasbeenstudiedpreliminarilyusingdatafromsomeminesinSouthAfrica[14−16].Itadoptstheseismicstiffnesstocharacterizetherockstiffnessinrealtimeinordertodorockburstpredictionthroughtheminestiffnesstheoryofrockburst,whichismoreaccordantwiththemechanismofrockburstinmine.Butthedeterminationofminestiffnessusingseismicstiffnessshouldbeinvestigatedforthespecificmines,andespeciallyinrockburstprediction,itisnecessarytoestablishacriterionofrockburstpredictionbasedontheseismicstiffness.

岩爆预测，进行了许多努力来量化岩爆使用地震参数和岩石力学方法的机制。

提出了一些理论地震学基础和岩爆预测方法。

例如，时态数据的统计分析被用来计算[10−11]，震级的地震事件发生的概率和状态和地震视应力和位移的迁移被用于评估潜在危险地震[12−13]。

然而，这些方法真的无关的参数在一个地区的能量积累和能量传递的不同领域。

近年来，矿井刚度理论进行了初步使用来自一些地雷在南非[14−16]的数据。

它采用地震刚度的方法来表征岩石刚度在真正的时间做好冲击地压矿井刚度理论通过岩爆预测的这是更符合煤矿冲击地压的机理。

使用地震刚度的矿井硬挺度的测定应追究具体的地雷，而且尤其是在岩爆预测，它有必要建立一个基于地震刚度的岩爆预测的判据。

DongguashanCopperMine（DCM）,neartheTonglingCityinAnhuiProvince,China,isalargedeep-levelhardrockcopperminewherearockburstmonitoringsystemwasbuiltbeforeproductioninthemine[17].Theseismicmonitoringinthemineaimsattheassessmentofhazardousseismicityandrockburstprediction.Basedonthetheoryoftheasperityoftheseismicsourcemechanism,theminestiffnesstheoryandthein-situmicro-seismicdatafromDCM,amodelofhazardousseismicnucleationandacriterionofrockburstpredictionwereinvestigatedinthiswork.

位于中国安徽省铜陵市的冬瓜山铜矿（DCM），是一家在矿山投产之前就建立起岩爆监测系统的的大型高硬度岩铜矿。

该地震监测系统旨在评估有害地震活动和预测岩爆。

基于震源机制的粗糙理论、矿山刚度理论和取自DCM的原位微震数据，本文对有害地震成核及岩爆预测评判尺度进行了研究。

2Geologicandminingconditions地质和开采条件

DongguashanCopperDepositisat1000mbeneaththesurfaceanditiscontrolledbyananticline（Fig.1）.ItsstrikeisNE35˚−40˚andthedipalongthestrikeisabout10˚.Itstwowingsdipnorthwestandsoutheastrespectively,andtheaveragedipangleisabout20˚.Thehorizontalprojectionlengthoftheorebodyis1820mandthehorizontalprojectionwidthvariesfrom204to882m.Theaveragethicknessoftheorebodyisabout40m.Theorebodyismainlycomposedofcupriferousskarn,withthedirectroofofmarbleandthefloorofsiltstoneandquartzdiorite.Therearefewlargefaultsanddensejointsintheorebody.Themaximumin-situstressis30−35MPa,approximatelyparalleltothestrikedirectionoftheorebody;

theminimumin-situstressis9−16MPa,approximatelyvertical.Theoreanditsmajorsurroundingrocksareveryhardandpronetorockburstduringminingoperation[18−19].

冬瓜山铜矿床位于-1000m水平，并由背斜所控制。

其走向为NE35˚−40˚，沿走向倾角接近10˚，两翼分别为北西和南东倾向，平均倾角在20°

左右。

矿体的水平投影长度是1820m，宽度变化从204m到882m，矿体平均厚度约40米。

矿体主要由矽卡岩组成，顶部围岩为大理岩基底为粉砂岩和石英闪长岩，内部存在几条大断层和密集节理。

最大原岩应力在30−35MPa范围内，近似平行于矿体走向；

最小地应力在9−16MPa，近似垂直于矿体走向。

矿石及其主要的围岩都非常坚硬并且在采矿作业时易于发生岩爆[18−19]。

Theorebodyisdividedintopanelsalongitsstrike,withthelengthofeachpanelbeingequaltothehorizontalwidthoftheorebodyandwidthofthepanelbeing100m（Fig.2）.Panelbarrierpillars（PBP）of18minwidtharekeptbetweenthetwoneighboringpanels.Thestopesarearrangedalongthelongaxisofpanels.Eachstopeisof78mor82minlengthand18minwidth.Thestopeisminedandbackfilledwiththecementedtailingsafterwards,whichisfollowedbytheexcavationandbackfillofthepillars.

矿体沿其走向被划分多个矿块，各矿块的长度与矿体的水平宽度相等，为100m（图2）相邻矿块之间保留18m宽的矿柱。

采场沿矿块长轴排列，每个采场长78m或82m，宽18m。

采场开采后用尾矿胶结充填，随后是矿柱的开采和回填。

3Seismicmonitoringsystem地震监测系统

TheDongguashanrockburstmonitoringsystemhasworkedsinceAug.25,2005.Itiscomposedofaseismicmonitoringsystemandaconventionalstressanddeformationmonitoringsystem[20].TheseismicmonitoringsystemisanISSsystemmanufacturedbyIntegratedSeismicSystemInternational（SouthAfrica）.ThesystemistunedandoptimizedforthegeologicandminingconditionsofDCM[21].Ithas24channelsand16sensors.Allsignalsaretransmittedbycoppertwistedcablestothemonitoringcontrolcentreunderground,andthentransmittedbyanopticalcabletothemonitoringcenteronthegroundsurfaceaswellasthesafetyandproductionmanagementofficesofthemine.Currently,theareaofmonitoringisthefirstminingareawheretherearefourpanelslocatedbetweenthe52#explorationlineandthe60#explorationlineandth