基于微震監(jiān)測(cè)的大范圍破裂礦柱穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

郭遠(yuǎn)發(fā)，劉宏發(fā)，袁節(jié)平，陳際經(jīng)，胡靜云，李庶林，3

(1.湖南柿竹園有色金屬有限責(zé)任公司，湖南郴州市423037;2.長沙礦山研究院國家金屬采礦工程技術(shù)研究中心，湖南長沙410012;3.廈門大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，福建廈門市361005)

基于微震監(jiān)測(cè)的大范圍破裂礦柱穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

郭遠(yuǎn)發(fā)1，劉宏發(fā)1，袁節(jié)平1，陳際經(jīng)1，胡靜云2，李庶林2，3

(1.湖南柿竹園有色金屬有限責(zé)任公司，湖南郴州市423037;2.長沙礦山研究院國家金屬采礦工程技術(shù)研究中心，湖南長沙410012;3.廈門大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，福建廈門市361005)

柿竹園礦大范圍破裂礦柱回采進(jìn)行大爆破施工前，對(duì)裝藥區(qū)域的穩(wěn)定性的監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)是確保大爆破施工安全與順利實(shí)施的重要工作。基于柿竹園礦大范圍破裂礦柱微震監(jiān)測(cè)實(shí)例，詳細(xì)分析了大范圍破裂礦柱產(chǎn)生的原因，根據(jù)出礦對(duì)破裂礦柱穩(wěn)定性的影響及微震監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)破裂礦柱穩(wěn)定性狀態(tài)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。說明了微震監(jiān)測(cè)能較準(zhǔn)確地對(duì)破裂礦柱的活動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果可以對(duì)破裂礦柱的穩(wěn)定性狀態(tài)進(jìn)行較準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)與預(yù)警，為大爆破的施工與順利實(shí)施提供了保障。

破裂礦柱;微震監(jiān)測(cè);穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

1 概述

1.1 礦山開采歷史

柿竹園鎢錫鉬鉍多金屬礦床礦體集中厚大，有用礦物種類繁多，是國家重要的礦產(chǎn)資源基地。礦床自1987年采用分段鑿巖階段礦房法開采以來，因種種原因井下的采空區(qū)(礦房)未能進(jìn)行處理，截止2002年，井下留下占礦塊約60%的礦柱礦量和近300萬m3的巨大采空區(qū)群，累計(jì)頂板暴露面積達(dá)3萬m2，連續(xù)頂板暴露面積近1萬m2，15m厚的連續(xù)條帶礦柱多處垮塌。為了實(shí)現(xiàn)礦山采礦的持續(xù)生產(chǎn)，有效處理采空區(qū)和回采礦柱，礦山自2002年起與長沙礦山研究院協(xié)作研究，最終確定采用中深孔大爆破的方式回采礦柱和頂板富礦，并處理采空區(qū)安全隱患。在確定了上述連續(xù)回采采礦方法后，柿竹園礦先后進(jìn)行了多次井下中深孔大爆破。截止到2011年年初，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)約一半的礦柱的崩礦，回采現(xiàn)狀如圖1與圖2所示。

1.2 大爆破前微震監(jiān)測(cè)的重要性

柿竹園多金屬采場礦柱回采采用集中大爆破方式回采，一般每年進(jìn)行一次或兩次大爆破崩礦。由于礦柱回采過程的應(yīng)力重分布和應(yīng)力集中作用，以及每次大爆破的影響，都會(huì)在采空區(qū)其他待采礦柱內(nèi)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的破裂或開裂現(xiàn)象，在一些區(qū)域或范圍中形成不同程度的礦柱巖體開裂區(qū)。這些開裂區(qū)域的礦柱是后續(xù)開采的目標(biāo)區(qū)域，但其承載能力差、穩(wěn)定性差。在下一次大爆破前，由于待采破裂礦柱范圍大，鑿巖時(shí)間長，裝藥區(qū)域范圍廣和裝藥量大，人員需要長時(shí)間在破裂礦柱區(qū)域進(jìn)行施工。同時(shí)由于一部分炸藥裝入炮孔內(nèi)，裝藥區(qū)域的穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)直接關(guān)系到人員的安全和大爆破的順利實(shí)施。因此，每一次大爆破后、下一次大爆破前，必須對(duì)破裂待采礦柱的穩(wěn)定性進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)，確保礦柱回采的安全，微震監(jiān)測(cè)技術(shù)在這種監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)中起到了重要的作用。

圖1 回采現(xiàn)狀及大爆破區(qū)域558分層平面

圖2 回采現(xiàn)狀及大爆破區(qū)域2盤區(qū)縱剖面

自微震監(jiān)測(cè)技術(shù)在該礦應(yīng)用以來的4年時(shí)間內(nèi)，在每次大爆破回采前微震監(jiān)測(cè)都取得了較好的效果，為大爆破前的鑿巖與裝藥施工和大爆破的正常實(shí)施提供了安全的保障。本文將就微震監(jiān)測(cè)技術(shù)在這方面的應(yīng)用給出一個(gè)實(shí)例分析。

2 大范圍破裂礦柱產(chǎn)生的背景

柿竹園礦回采對(duì)象是群礦柱與巨厚頂板結(jié)構(gòu)，爆破區(qū)域的選擇和回采順序直接影響到這一框架式結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)的合理性。本文將結(jié)合一個(gè)典型實(shí)例來具體分析巨厚頂板與群礦柱結(jié)構(gòu)發(fā)生大范圍開裂的過程。

2.1 爆破背景

2011年3月25日17時(shí)30分在2盤區(qū)610水平到630水平的K2－5進(jìn)行了裝藥量約為40t的大爆破，爆破區(qū)域見圖1與圖2。這次爆破裝藥量與裝藥區(qū)域都不是很大，但是裝藥區(qū)域的選擇卻沒有考慮充分，致使爆破后因?yàn)楸茮_擊作用與受力狀態(tài)惡化造成相鄰礦柱與頂板產(chǎn)生了大范圍的開裂。下面對(duì)巖體破裂的力學(xué)原因進(jìn)行了較詳細(xì)的分析。

2.2 巖體破裂的力學(xué)分析

在“3.25”大爆破前，C5礦柱從558分層往下已經(jīng)發(fā)生垮塌，破損不堪，喪失了較大程度的承載能力。因此，從圖2可以看出，當(dāng)“3.25”爆破區(qū)域回采后，558分層以上的K2－5及C5礦柱形成了一個(gè)巨厚懸臂梁結(jié)構(gòu)，受力狀態(tài)發(fā)生了惡化。特別是在558分層以上的C6礦柱中，形成了張拉力的應(yīng)力狀態(tài)。由于巖石抗張拉強(qiáng)度低，同時(shí)由圖3可以看出，巖體原生節(jié)理裂隙所在平面與張拉力的方向近似垂直，所以在570分層至630分層產(chǎn)生了不同程度的近似東西走向的張拉裂縫，如圖4所示，其中以603與610分層開裂情況最為嚴(yán)重。

圖3是對(duì)630分層進(jìn)行巖體原生節(jié)理裂隙調(diào)查后所得到的原生節(jié)理裂隙赤平極射極點(diǎn)密度圖，由圖3可知，原生節(jié)理裂隙的產(chǎn)狀主要為245°∠70°。圖4是爆破后產(chǎn)生的開裂面的赤平極射極點(diǎn)密度圖，由圖4可知，開裂面的產(chǎn)狀主要為200°∠85°。由上述分析可知開裂面與巖體原生節(jié)理裂隙面十分相近與吻合，開裂面大致是沿著巖體原生節(jié)理裂隙形成的。

圖3 巖體原生節(jié)理裂隙赤平極射極點(diǎn)密度

圖4 現(xiàn)場開裂面赤平極射極點(diǎn)密度

3 基于微震監(jiān)測(cè)的破裂礦柱的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

3.1 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)簡介

柿竹園礦微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為全數(shù)字型多通道微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，共有36個(gè)通道，該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成參見參考文獻(xiàn)［2］～［4］。該微震系統(tǒng)攜帶36個(gè)單軸加速度傳感器，這些傳感器分別布置在514、558與630分層，每個(gè)水平各12個(gè)，其中558分層傳感器布置圖見圖1，圖中實(shí)心方塊為傳感器。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)礦山地壓的全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)、微震事件源的三維空間定位、三維可視化顯示、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸，并能提供多參數(shù)實(shí)時(shí)分析。

3.2 出礦對(duì)破裂礦柱穩(wěn)定性影響的微震監(jiān)測(cè)

“3.25”大爆破后，由于受周圍崩落礦石一定的包裹支撐作用，已破裂巖體暫時(shí)處于一個(gè)相對(duì)的平衡狀態(tài)，開裂縫擴(kuò)展趨于平緩。然而隨著破裂礦柱附近K2－4、K3－4與K3－5礦房持續(xù)的出礦，使得崩落礦石對(duì)破裂礦柱的包裹支撐作用力減小，破裂礦柱開始向東與向下滑移，裂縫擴(kuò)展活動(dòng)起來。圖5中點(diǎn)連線是K2－4、K3－4與K3－5礦房從“3.25”大爆破后到“7.09”大爆破前的累積出礦量圖，柱狀圖是破裂礦柱附近傳感器的累計(jì)微震事件率時(shí)間序列圖。由圖5可以看出，從“3.25”大爆破到5月24日，該區(qū)域保持著近似勻速的出礦速度，出礦對(duì)破裂礦柱穩(wěn)定性的影響在5月初開始顯現(xiàn)出來。由于礦柱破裂的持續(xù)活動(dòng)，5月24日之后便停止了該區(qū)域的出礦，由圖5可以看出，停止出礦后破裂礦柱的微震活動(dòng)便減弱，處于一種較低的活動(dòng)水平。

微震監(jiān)測(cè)能較準(zhǔn)確地反映放礦對(duì)破裂礦柱穩(wěn)定性的影響。通過對(duì)破裂礦柱的活動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的微震監(jiān)測(cè)與分析，從而對(duì)其穩(wěn)定性狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)。下面將依據(jù)兩個(gè)典型事例來詳細(xì)證明微震監(jiān)測(cè)對(duì)破裂礦柱活動(dòng)與穩(wěn)定性狀態(tài)評(píng)價(jià)的有效性。

圖5 累計(jì)出礦量隨時(shí)間的變化

(1)610分層P3C6往北21m巷道東墻裂縫。該裂縫位于17#傳感器上方區(qū)域。圖6是17#傳感器從“3.25”大爆破前到“7.09”大爆破前的微震事件率時(shí)間序列。由圖6可以看出，微震事件率在“3.25”大爆破后有一個(gè)活躍期;從4月8日開始到5月2日由于受礦柱破裂應(yīng)力釋放和崩落礦石包裹支撐力的作用，破裂礦柱經(jīng)歷了約一個(gè)月的相對(duì)平靜期;從5月3日開始，放礦對(duì)破裂礦柱穩(wěn)定性的影響作用開始顯現(xiàn)，微震事件率開始明顯增加;從5月26日開始到“7.09”大爆破前，由于在5月24日下達(dá)了停止出礦指令，微震事件率便開始有所降低，但在井下整體范圍內(nèi)仍屬于較高水平，這與該區(qū)域緊鄰采空區(qū)是有關(guān)系的。但由于微震事件率水平不是很高，不超過35個(gè)/d，遠(yuǎn)低于柿竹園礦的經(jīng)驗(yàn)預(yù)警值15個(gè)/min，說明破裂礦柱盡管受出礦影響產(chǎn)生了活動(dòng)，但是破裂礦柱仍處于一種相對(duì)平衡的狀態(tài)中，暫無異常情況支持礦柱發(fā)生垮塌。該裂縫擴(kuò)展速度隨時(shí)間的變化如圖7所示。由圖7可以看出，在5月9日之前，出礦對(duì)裂縫擴(kuò)展的影響還不大。但是從5月9日開始到5月17日，裂縫擴(kuò)展速度大大增加。5月24日停止出礦后，裂縫擴(kuò)展速度便又有所降低。圖7所示的裂縫擴(kuò)展速度與圖6中微震監(jiān)測(cè)結(jié)果具有很好的對(duì)照性，充分反映了微震監(jiān)測(cè)對(duì)破裂礦柱裂縫擴(kuò)展具有較好的監(jiān)測(cè)效果。

圖6 17#傳感器微震事件率時(shí)間序列

(2)586分層與610分層的2盤區(qū)C6巷頂板裂縫。2盤區(qū)的C6房間柱在“3.25”大爆破后在570分層到630中段產(chǎn)生了較多沿東西走向的張拉性裂縫。圖8是該開裂縫區(qū)域正上方傳感器監(jiān)測(cè)到的微震事件率時(shí)間序列。由圖8可知在經(jīng)歷了4月8日至5月4日一段時(shí)間的相對(duì)平衡后，由于受該區(qū)域周圍放礦的影響，微震事件率從5月5日開始重新增加。同時(shí)現(xiàn)場也觀測(cè)到開裂縫活動(dòng)加劇。圖9是5月18日頂板裂縫的照片，這些裂縫從5月8日開始擴(kuò)展的較為厲害。5月24日經(jīng)過會(huì)商后決定停止該區(qū)域周圍的放礦作業(yè)，從圖8可知，微震事件率從5月26日起重新趨于平靜，這些裂縫的擴(kuò)展速度明顯放緩。6月20日去現(xiàn)場查看時(shí)，這些頂板裂縫幾乎沒有繼續(xù)擴(kuò)展的現(xiàn)象，說明該地壓活動(dòng)區(qū)域整體上處于相對(duì)平衡的狀態(tài)。

3.3 大范圍破裂礦柱的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

由于受持續(xù)出礦的影響，破裂礦柱在保持相對(duì)穩(wěn)定一段時(shí)間后又重新開始活動(dòng)，微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)這一過程進(jìn)行了較準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)。由微震監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，盡管破裂礦柱整體上產(chǎn)生了一定的滑移量，甚至在局部區(qū)域產(chǎn)生了較大的滑移量，但是微震事件率始終遠(yuǎn)小于柿竹園礦經(jīng)驗(yàn)預(yù)警值，從而評(píng)價(jià)破裂礦柱在“7.09”大爆破前不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)垮塌現(xiàn)象。這一評(píng)價(jià)與實(shí)際相吻合。

圖7 7#裂縫的擴(kuò)展速度

圖8 31#傳感器微震事件率時(shí)間序列

圖9 2盤區(qū)C6巷頂板裂縫擴(kuò)展錯(cuò)動(dòng)情況

微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能較準(zhǔn)確地對(duì)破裂礦柱的活動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)破裂礦柱的穩(wěn)定性狀態(tài)能進(jìn)行較準(zhǔn)確的分析與預(yù)警，為大爆破前的施工和大爆破的順利實(shí)施提供了安全方面的建議。

4 結(jié)論

基于柿竹園礦一次典型的大范圍破裂礦柱安全回采過程的微震監(jiān)測(cè)實(shí)例，詳細(xì)分析了大范圍破裂礦柱產(chǎn)生的原因，根據(jù)出礦對(duì)破裂礦柱穩(wěn)定性的影響及微震監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)破裂礦柱穩(wěn)定性狀態(tài)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。得到了下列主要結(jié)論:

(1)爆破區(qū)域與回采順序?qū)κ林駡@礦地壓具有直接的影響，不好的受力狀態(tài)會(huì)直接導(dǎo)致巨厚頂板與群礦柱這一框架式結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重的破裂與損壞，嚴(yán)重影響下一步回采的順利進(jìn)行;

(2)出礦對(duì)破裂礦柱具有直接影響，微震監(jiān)測(cè)能準(zhǔn)確地反映破裂礦柱的活動(dòng)起止時(shí)間與活動(dòng)程度;

(3)微震監(jiān)測(cè)的結(jié)果表明，大范圍破裂礦柱處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，在“7.09”大爆破前不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)垮塌現(xiàn)象，實(shí)際情況也證明了這一評(píng)價(jià)是正確的;

(4)實(shí)際監(jiān)測(cè)應(yīng)用表明，微震監(jiān)測(cè)技術(shù)能較準(zhǔn)確地對(duì)破裂礦柱的活動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果可以對(duì)破裂礦柱的穩(wěn)定性狀態(tài)進(jìn)行較準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)與預(yù)警，在柿竹園多金屬采場的地壓監(jiān)測(cè)中起到了良好的應(yīng)用效果。

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2011－09－06)

郭遠(yuǎn)發(fā)(1972－)，男，湖南郴州人，雙本科學(xué)歷，國家注冊(cè)安全工程師，主要從事礦山安全技術(shù)和地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警預(yù)報(bào)技術(shù)研究，Email:guoxin207.520@163.com。