基于PHASE數(shù)值模擬礦山開采過程的地壓監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建及應(yīng)用研究

蔡永順，蔣合國，沐興旺，張 賢，袁子清

(1.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160；2.國家金屬礦綠色開采國際聯(lián)合研究中心，北京 102628；3.彝良馳宏礦業(yè)有限公司，云南 昭通 657600)；4.馳宏科技工程股份有限公司，云南 曲靖 655000)

目前國內(nèi)礦山淺部資源日益枯竭，礦山開采逐漸向深部延伸，深部采礦將面臨高應(yīng)力、大變形等地壓問題，這些問題是造成深部開采動力災(zāi)害的主要原因[1-3]。因此，開展深部礦山開采過程中地壓活動規(guī)律的監(jiān)測與研究是非常必要的。許多學(xué)者在礦山地壓災(zāi)害監(jiān)測與防控方面開展了大量研究，并取得了一定成果[4-7]。但是目前地壓監(jiān)測系統(tǒng)在建設(shè)過程中，存在著監(jiān)測點布置隨意性較大、監(jiān)測重點不突出等一系列問題，主要原因是在地壓監(jiān)測方案設(shè)計之前沒有事先分析井下開采過程中的地壓活動變化規(guī)律，導(dǎo)致地壓監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)缺乏針對性，監(jiān)測效果不太理想。針對該問題，本文以毛坪礦為研究背景，基于礦山開采技術(shù)條件與現(xiàn)場地壓活動情況，選取礦山典型地質(zhì)剖面進(jìn)行PHASE二維數(shù)值模擬與分析，研究得到了未來深部開采過程中的圍巖應(yīng)力分布與變形特征等地壓活動規(guī)律。基于數(shù)據(jù)模擬分析得到的地壓活動規(guī)律，開展了地壓監(jiān)測方案優(yōu)化設(shè)計，并建立了地壓監(jiān)測系統(tǒng)。通過地壓監(jiān)測與分析，得到了礦山動態(tài)開采過程中圍巖的微震時空演化規(guī)律及變形破壞特征，為下一步的地壓災(zāi)害防控提供了技術(shù)依據(jù)。

1 礦山概況

毛坪礦礦體賦存于石門坎背斜傾伏端西翼石炭系、泥盆系層間裂隙中，礦區(qū)構(gòu)造破碎發(fā)育。毛坪礦共有河?xùn)|、河西2個區(qū)域，目前的生產(chǎn)坑口位于河?xùn)|礦區(qū)，河西礦區(qū)主要進(jìn)行找探礦和空區(qū)治理工作。河?xùn)|礦區(qū)共分Ⅰ#、Ⅱ#、Ⅲ#礦體，其中Ⅰ#為主礦體，下分Ⅰ-6#～Ⅰ-15#礦體，礦體賦存標(biāo)高900～-20 m。頂?shù)装鍑鷰r多為淺灰色中厚層狀細(xì)-粗晶白云巖，巖性比較單一。礦區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜，為水文地質(zhì)條件復(fù)雜型的巖溶裂隙水直接充水礦床。地下水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要充水水層為石炭系和泥盆系碳酸鹽巖裂隙含水層，富水性、透水性中等-弱，補給條件好，且具較高水壓，深部實測最大涌水壓力達(dá)2 MPa。同時，經(jīng)現(xiàn)場實測，最大主應(yīng)力方向近乎水平，在610 m中段測試最大主應(yīng)力約為15 MPa，在深部430 m及以下中段，地應(yīng)力呈明顯增強趨勢。

目前，礦山采用下向水平分層(六邊形與矩形)進(jìn)路膠結(jié)充填采礦法進(jìn)行開采。在開采過程中，670 m以下深部巷道變形破壞的情況相對較多，地壓顯現(xiàn)主要為巷道局部或大面積的變形、底鼓及垮落等，該類災(zāi)害主要發(fā)生在C11地層，主要受巖性、結(jié)構(gòu)面及構(gòu)造控制，尤其在490、430、370 m等深部中段表現(xiàn)明顯。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查分析，巷道兩幫擠壓變形(圖1)與底鼓變形(圖2)現(xiàn)象主要受地應(yīng)力影響，主要發(fā)生在與地應(yīng)力方向垂直的巷道段；而全斷面變形破壞的現(xiàn)象則主要受巖性與結(jié)構(gòu)面控制，主要分布在Ⅱ#礦體。

圖1 巷道擠壓變形Fig.1 Roadway compression deformation

圖2 運輸巷道底鼓變形Fig.2 Transport roadway floor heave deformation

2 PHASE數(shù)值模擬分析

2.1 模型的建立

考慮到礦體走向長近2 km且數(shù)量較多，若采用整體三維數(shù)值計算，則計算機性能無法滿足而不能開展。鑒于當(dāng)前及未來礦山主要開采的礦體為Ⅰ#礦體下的Ⅰ-6#、Ⅰ-8#及Ⅰ-14#礦體，且這些礦體賦存標(biāo)高覆蓋900～-100 m，因此本數(shù)值模擬分析選擇96線剖面進(jìn)行二維數(shù)值建模分析。該地質(zhì)剖面同時包括了上述3個礦體，具有很好的代表性，旨在掌握其動態(tài)開采過程中的圍巖變形破壞特征及地壓演化規(guī)律，為下一步的地壓監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)提供參考。

研究采用PHASE2 6.0軟件進(jìn)行數(shù)值計算，使用其內(nèi)嵌的Mohr-Coulomb模塊，計算過程中考慮了巖體重力作用和構(gòu)造應(yīng)力的影響。計算過程中，計算模型頂面設(shè)為自由邊界，模型底部與兩側(cè)設(shè)為單向固定約束邊界，模擬步驟為：先采用CAD圈出計算輪廓，然后將其導(dǎo)入PHASE2 6.0軟件中，進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置、地應(yīng)力場施加。模型寬度為1 000 m，覆蓋了-100 m以上的所有地層和礦體，上部自然地表邊界。模型共有11 402個單元、5 831個節(jié)點。模型具體參數(shù)如表1所示，工程地質(zhì)力學(xué)模型如圖3所示。

表1 計算采用的地層巖體物理力學(xué)參數(shù)

1—石炭系下統(tǒng)灰、頁巖組第三段；2—石炭系下統(tǒng)灰、頁巖組第二段；3—石炭系下統(tǒng)萬壽山組；4—泥盆系上統(tǒng)宰格組第三段第三亞段；5—泥盆系上統(tǒng)宰格組第三段第二亞段；6—泥盆系上統(tǒng)宰格組第三段第一亞段圖3 工程地質(zhì)力學(xué)模型Fig.3 Engineering geomechanical model

2.2 模擬結(jié)果分析

2.2.1 應(yīng)力場分析

如圖4所示，為了解整體開挖充填完成后的整體應(yīng)力變化情況，提取了整體開挖完畢后的最大主應(yīng)力分布圖。從圖4可以看出，開采引起的應(yīng)力場的明顯變化主要集中在含礦地層宰格組第三段第二亞段中(圖3中的5)，也就是礦體賦存的地層，是采動誘導(dǎo)應(yīng)力顯現(xiàn)最為明顯的區(qū)段，隨著開采的深入，應(yīng)力集中逐漸往深部轉(zhuǎn)移，且呈不斷增大趨勢。此外，從圖4還可以看出，應(yīng)力集中最為明顯的區(qū)域基本均發(fā)生在上下不同礦體之間的天然隔離礦柱區(qū)域，這些區(qū)域?qū)⑹情_采過程中典型的孕震區(qū)，地壓監(jiān)測及實際生產(chǎn)中應(yīng)予以重點關(guān)注。

圖4 整體開挖完畢后的最大主應(yīng)力分布圖Fig.4 Maximum principal stress distribution diagram after overall excavation

2.2.2 變形場分析

如圖5所示，為了解整體開挖后上盤圍巖的變形情況，提取了整體開挖完畢后的整體位移矢量分布圖。從圖5可以看出(圖中箭頭方向)，Ⅰ-8#礦體的上盤圍巖變形最為集中，變形方向為上盤圍巖上向45°方向，上盤頂板容易發(fā)生較大的拉伸破壞，而下盤圍巖則主要以水平位移為主，未來下盤巷道圍巖在水平應(yīng)力作用下，在較為軟弱地層有發(fā)生底鼓破壞的風(fēng)險。

圖5 整體開挖完畢后的位移矢量分布圖Fig.5 Displacement vector distribution diagram after overall excavation

3 地壓監(jiān)測系統(tǒng)的建立

3.1 地壓監(jiān)測技術(shù)選擇

常用的地壓監(jiān)測手段主要有應(yīng)力、位移、聲發(fā)射、微震等，其中應(yīng)力、位移及聲發(fā)射監(jiān)測的范圍較小，但精度較高；微震監(jiān)測可以實現(xiàn)對巖體的大范圍、非接觸、實時監(jiān)測與預(yù)警，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于礦山、隧道等巖體工程中[8-12]。通過對巖體破裂信號進(jìn)行定位反演計算，進(jìn)而獲得巖體內(nèi)部微破裂的時空演化過程。對該礦山而言，采用微震及應(yīng)力位移相結(jié)合的綜合監(jiān)測技術(shù)，宏觀上通過微震監(jiān)測掌握礦山整體地壓活動規(guī)律，圈定地壓危險區(qū)域，微觀上通過應(yīng)力位移監(jiān)測實現(xiàn)對地壓危險區(qū)域的高精度監(jiān)測與預(yù)警，從而為礦山地壓防控、采礦參數(shù)及支護(hù)方案優(yōu)化等提供技術(shù)支撐。

3.2 地壓監(jiān)測系統(tǒng)的建立

基于PHASE數(shù)值模擬的應(yīng)力場和變形場分析結(jié)果，同時結(jié)合礦山目前實際生產(chǎn)及巷道開拓情況，在河?xùn)|礦區(qū)670、610、490、430 m中段及河西礦區(qū)670、610 m中段建立了36通道世界先進(jìn)的IMS微震監(jiān)測系統(tǒng)10通道基康應(yīng)力位移監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以覆蓋河?xùn)|礦區(qū)深部開采區(qū)域，同時兼顧了河西礦區(qū)的探礦和空區(qū)治理區(qū)域。微震監(jiān)測點布置如圖6所示，應(yīng)力位移監(jiān)測點基于微震監(jiān)測分析結(jié)果動態(tài)調(diào)整。如圖7所示，通過微震監(jiān)測系統(tǒng)臺網(wǎng)分析可知，監(jiān)測臺網(wǎng)內(nèi)河?xùn)|和河西礦區(qū)的系統(tǒng)空間定位誤差均在10 m左右，系統(tǒng)靈敏度可監(jiān)測到-2.4矩震級的微震事件，可以滿足礦山安全監(jiān)測的需求。

圖6 微震監(jiān)測點空間布置圖Fig.6 Space layout of microseism monitoring points

圖7 微震監(jiān)測系統(tǒng)臺網(wǎng)分析Fig.7 Microseism monitoring system network analysis

4 基于微震監(jiān)測的Ⅰ#礦帶地壓活動分析

4.1 微震事件時空演化特征

由于目前礦山主要開采的為Ⅰ-6#、Ⅰ-8#及Ⅰ-14#等Ⅰ#礦帶的礦體，因此本次主要對Ⅰ#礦帶的地壓活動進(jìn)行重點分析。

如圖8所示，從每月微震事件變化規(guī)律可知，2020年10月—2021年1月平均每月約有170個微震事件，2021年2月由于現(xiàn)場施工導(dǎo)致光纜中斷只監(jiān)測到79個微震事件。從每小時微震事件變化規(guī)律可知，該期間微震事件在11：00～15：00、18：00～20：00發(fā)生的數(shù)量較多，但矩震級總體上都小于-2.0，總體矩震級較小。綜上可知，正常生產(chǎn)情況下，Ⅰ#礦帶的地壓活動較為穩(wěn)定，每月微震事件個數(shù)在150～200。若微震事件數(shù)量超過200且大幅增加時，需要重點關(guān)注地壓變化情況。

圖8 微震事件時間分布特征Fig.8 Microseismic events time distribution characteristics

如圖9所示，2020年10月—2021年2月Ⅰ#礦帶區(qū)域的微震事件在平面上主要集中分布在94#～102#線之間，高程上，主要集中分布在550～700 m。由于矩震級總體較小，因此微震事件多為巖體內(nèi)部微破裂。

圖9 微震事件空間分布特征Fig.9 Microseismic events spatial distribution characteristics

4.2 基于微震事件的變形特征分析

圖10為基于2021年2月份微震事件計算得到的微震變形云圖，從圖10中可以看出，Ⅰ#礦體96#～98#線附近圍巖變形較大，約2.2 mm，該區(qū)域位于斷層交叉處，尤其是礦體與圍巖交接處以及礦體之間夾層圍巖更易發(fā)生較大的變形。如圖11所示，經(jīng)一段時間的現(xiàn)場勘察，2021年3月23日在該區(qū)域附近的5#進(jìn)路發(fā)生了局部垮落，后續(xù)增加了對該區(qū)域的應(yīng)力位移等點監(jiān)測，并加強了對該區(qū)域的支護(hù)強度。

圖10 微震變形云圖Fig.10 Microseismic deformation diagram

圖11 巖體跨落情況Fig.11 Rock falls

綜上所述，基于微震事件的變形特征分析不僅可以真實反映巖體內(nèi)部的變形破壞情況，還可以作為巖體局部破壞的前兆起到預(yù)警作用，同時還為后續(xù)應(yīng)力位移等點監(jiān)測方案設(shè)計、支護(hù)方案優(yōu)化等地壓災(zāi)害防控提供了技術(shù)支撐。

5 結(jié)論

1)通過PHASE軟件對礦山生產(chǎn)過程進(jìn)行數(shù)值模擬與分析，得到了不同礦體之間的天然隔離礦柱是應(yīng)力集中最為明顯的區(qū)域，且?guī)r層移動以上盤上向45°方向的移動變形最大等地壓活動規(guī)律，為礦山地壓監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)提供了參考，提高了地壓監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)的針對性。

2)基于PHASE模擬分析結(jié)果及礦山開采技術(shù)條件，開展了地壓監(jiān)測方案設(shè)計并建立了地壓監(jiān)測系統(tǒng)，通過地壓監(jiān)測與分析，得到了礦山動態(tài)開采過程中圍巖的微震時空演化規(guī)律及變形破壞特征，掌握了礦山地壓活動規(guī)律。

3)基于微震事件的變形特征分析不僅可以真實反映巖體內(nèi)部的變形破壞情況，還可以作為巖體局部破壞的前兆起到預(yù)警作用，同時還為后續(xù)應(yīng)力位移等點監(jiān)測方案設(shè)計、支護(hù)方案優(yōu)化等地壓災(zāi)害防控提供了技術(shù)支撐。