眼前山鐵礦冒落沖擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

周永偉, 秦 濤, 侯憲港

(1.遼寧有色勘察研究院有限責(zé)任公司, 沈陽(yáng) 110819; 2.黑龍江科技大學(xué) 黑龍江省煤礦深部開(kāi)采地壓控制與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 哈爾濱 150022)

0 引 言

我國(guó)是世界第四大鐵礦資源國(guó),但礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)率僅為7.6%,主要原因是大部分鐵礦山為貧鐵礦體,且礦體賦存條件復(fù)雜,開(kāi)采難度大。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),我國(guó)露天開(kāi)采的鐵礦占總礦量的90%左右。隨著露天礦山開(kāi)采深度的不斷增加,剝采比越來(lái)越大,運(yùn)輸成本也在不斷地升高,至上世紀(jì)70年代,我國(guó)部分礦山已從露天轉(zhuǎn)為井下開(kāi)采。礦山由露天轉(zhuǎn)入井下開(kāi)采后,隨著采深的增加,地應(yīng)力作用日益顯著,在采場(chǎng)周?chē)鷰r體受開(kāi)采擾動(dòng)后,會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)存在巖體內(nèi)部的能量大于其破壞前所具有的儲(chǔ)能能力,從而誘發(fā)冒頂、崩塌、塌方等由于地應(yīng)力變化而產(chǎn)生的突發(fā)性地壓災(zāi)害。因此,準(zhǔn)確了解首采分段圍巖體穩(wěn)定性,進(jìn)而評(píng)估地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)與等級(jí),區(qū)劃災(zāi)害潛在區(qū)域,對(duì)保障礦山安全、高效開(kāi)采具有重要意義。

為解決頂板冒落等問(wèn)題,學(xué)者們從理論及實(shí)際監(jiān)測(cè)方面開(kāi)展了大量研究與實(shí)踐工作。Fu等[1]等利用關(guān)鍵塊體理論分析了節(jié)理裂隙發(fā)育的頂板漸進(jìn)破壞與冒落過(guò)程。汪杰等[2]依據(jù)紅嶺鉛鋅礦采場(chǎng)頂板受力特征,結(jié)合Reissner厚板理論與流變損傷理論建立了頂板損傷破壞力學(xué)模型,分析了固支和簡(jiǎn)支等不同邊界條件下頂板損傷破壞過(guò)程和失穩(wěn)時(shí)間。石峰等[3]針對(duì)某金屬礦山頂板大范圍冒落過(guò)程的微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,結(jié)果表明,微震b值的較大幅度降低可成為巖石破裂前兆,并伴有微震事件數(shù)量減少的現(xiàn)象。劉建坡等[4]研究了阿舍勒銅礦深部采場(chǎng)頂板滑移性破裂過(guò)程中的微震時(shí)空演化特征,發(fā)現(xiàn)在采場(chǎng)冒落前,微震活動(dòng)性顯著降低,但其能量以?xún)缏始铀籴尫?剪切型微震事件占比達(dá)68%,且主要集中于礦巖接觸帶處,頂板為張拉型破裂為主的非剪切破壞區(qū)。隨著監(jiān)測(cè)技術(shù)的進(jìn)步,微震監(jiān)測(cè)[5]、分布式光纖監(jiān)測(cè)[6]、激光掃描[7]等高新監(jiān)測(cè)手段陸續(xù)應(yīng)用于頂板穩(wěn)定性的監(jiān)測(cè),為頂板冒落風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供了豐富的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

為提高礦山的安全生產(chǎn)等級(jí),學(xué)者們將預(yù)測(cè)技術(shù)引入到礦山頂板管理中,對(duì)頂板冒落風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè),并及時(shí)提出防治措施。例如,莫陽(yáng)春等[8]將現(xiàn)代非線(xiàn)性理論中的突變理論引入到頂板的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中,建立了頂板系統(tǒng)失穩(wěn)的尖點(diǎn)突變模型,提出了一種新的評(píng)價(jià)頂板穩(wěn)定性的方法。修國(guó)林等[9]引入塊體滑動(dòng)理論,分析了巷道頂板塊體滑動(dòng)的模式和安全系數(shù)。趙明華等[10]采用統(tǒng)計(jì)模型對(duì)礦山的頂板冒落進(jìn)行預(yù)測(cè)。鄒文[11]運(yùn)用定量和定性相結(jié)合的系統(tǒng)分析方法,分析了對(duì)煤層頂板穩(wěn)定性的影響各個(gè)因素,采用了模糊綜合評(píng)價(jià)評(píng)判的方法,建立了煤層頂板穩(wěn)定性的模糊評(píng)價(jià)模型。另外還有一些學(xué)者以具體礦山入手,利用數(shù)值模擬的方法來(lái)計(jì)算頂板的安全厚度等參數(shù)[12-14]。

筆者依托眼前山鐵礦,對(duì)首采分段區(qū)域圍巖進(jìn)行應(yīng)力-微震監(jiān)測(cè)與分析,以應(yīng)力集中程度、應(yīng)力集中區(qū)范圍、應(yīng)力集中區(qū)貫通程度、巖體斷裂路徑貫通程度作為區(qū)域冒落沖擊風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)指標(biāo),評(píng)價(jià)首采分段區(qū)域的冒落沖擊風(fēng)險(xiǎn),以協(xié)助礦山安全生產(chǎn)。

1 數(shù)據(jù)分析理論與方法

1.1 微震事件破裂類(lèi)型劃分

根據(jù) M.Ohtsu的理論[15],將震源力矩模型表示為二階張量的形式,在遠(yuǎn)場(chǎng)近似下,將震源簡(jiǎn)化為激沖函數(shù)模型,忽略時(shí)間項(xiàng),僅探究P波的初動(dòng)振幅,信號(hào)的初動(dòng)振幅A(x)可以寫(xiě)成:

(1)

式中:Cs——包含傳感器自身固有屬性與波導(dǎo)介質(zhì)的材料特性,即傳感器響應(yīng)系數(shù);

R——震源與接收點(diǎn)的距離;

Re(t,r)——傳感器朝向t與射線(xiàn)傳播路徑方向r的反射修正系數(shù);

α——衰減系數(shù);

Q——巖體的P波品質(zhì)因子;

vp——傳感器P波波速;

f——頻率成分,在傳播間距較大時(shí),f可由波拐角頻率或主頻率替代。

在微震事件傳感器觸發(fā)數(shù)大于6情況下,利用最小二乘法,由式(1)可計(jì)算出震源矩張量mpq。對(duì)矩張量進(jìn)行分解,將其分解為各向同性成分(ISO),雙力偶成分(DC)與補(bǔ)償線(xiàn)性矢量偶極(CLVD)部分,可表示為

MISO(Z)+MDC(X)+MCLVD(Y),

式中:M1、M2、M3——三個(gè)特征值,其對(duì)應(yīng)的三個(gè)本征矢量e1、e2、e3表示最大力偶方向;

MISO——震源區(qū)域的體積膨脹或塌縮;

MDC——震源的剪切錯(cuò)位。

可通過(guò)計(jì)算MDC成分所占比例X來(lái)判斷破裂源的剪切程度。假設(shè)Z為各向同性張拉成分MISO所占比例。當(dāng)X>80%時(shí),判定為剪切破壞;當(dāng)80%≥X≥50%時(shí),判定為介于剪切與張拉間的混合型破壞;當(dāng)X<50%時(shí),判定為張拉破壞。

1.2 破裂尺度量化

破裂半徑a與P波或S波的拐角頻率fc成反比,即

(2)

式中:Kc——依賴(lài)于震源模型的常數(shù);

vS——為震源區(qū)的S波波速。

式(2)既可用于張拉破裂也可用于剪切破裂:對(duì)于張拉模型,S波拐角頻率的系數(shù)Kc=0.32;對(duì)于剪切模型Kc=0.21。

1.3 巖體斷裂路徑

將微震事件視為裂紋路徑的連接節(jié)點(diǎn),計(jì)算所有球面間的最短距離,以微震事件的空間位置為球心、裂紋半徑為球半徑,兩球面間的最短距離越小,對(duì)應(yīng)裂紋的相互貫通概率越高,當(dāng)最短距離小于0時(shí),可以用直線(xiàn)連接,表示這兩個(gè)球面代表的微震事件的聯(lián)系。微震事件i及j間的最短距離可表示為

式中:xi、yi、zi、xj、yj、zj——微震事件i及j的坐標(biāo);

ai、aj——微震事件i及j的破裂尺度。

2 礦山工程概況

2.1 地質(zhì)概況

眼前山鐵礦距鞍山市中心22 km,在設(shè)計(jì)初期,計(jì)劃采用露天方式開(kāi)采,露天采場(chǎng)封閉圈標(biāo)高為93 m,最終露天境界露天底標(biāo)高-183 m。目前眼前山鐵礦進(jìn)入-195 m地下首采區(qū)的開(kāi)采,采用無(wú)底柱分段崩落法回采。分段高度18 m、進(jìn)路間距20 m和崩礦步距2 m。

-195 m分段礦體的頂、底板巖石主要為綠泥千枚巖、混合花崗巖。巖體結(jié)構(gòu)主要為塊狀結(jié)構(gòu)和層狀結(jié)構(gòu),在局部受構(gòu)造影響時(shí),表現(xiàn)為碎裂結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差。三維地質(zhì)模型如圖1所示。

圖1 眼前山鐵礦三維地質(zhì)模型Fig. 1 3D geological model of Yanqianshan iron mine

2.2 研究區(qū)域監(jiān)測(cè)方案

選取首采分段區(qū)域A30穿脈巷道作為研究區(qū)域,布置3通道鉆孔應(yīng)力計(jì)及6通道微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng),傳感器布置如圖2所示。

圖2 -195 m中段傳感器布置Fig. 2 -195 m level sensor layout in middle section

3 應(yīng)力-微震聯(lián)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.1 應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

自8月底至11月底共采集應(yīng)力數(shù)據(jù)4 032個(gè)。S5為-195 m A30穿脈巷道區(qū)域中距離采場(chǎng)最近的測(cè)點(diǎn),其與采場(chǎng)間距約為23 m。自2022年8月末A30穿脈巷道附近采場(chǎng)再次開(kāi)始爆破出礦,S5測(cè)點(diǎn)處應(yīng)力值開(kāi)始顯著增加,直至9月初爆破活動(dòng)停止,隨后應(yīng)力值逐漸穩(wěn)定;9月末,由于巖體力學(xué)性質(zhì)的時(shí)間效應(yīng)等原因,S1測(cè)點(diǎn)處應(yīng)力值出現(xiàn)應(yīng)力調(diào)整與遷移,即應(yīng)力值的小幅下降與波動(dòng),但下降量遠(yuǎn)小于因采動(dòng)引起的上升量。該點(diǎn)應(yīng)力值表現(xiàn)出上升-平穩(wěn)-波動(dòng)的特征,變化幅度約為0.4 MPa。

S6距離采場(chǎng)約39 m,其應(yīng)力值變化特征與S5十分相似,但變化幅度小于S5,最大應(yīng)力變化值為0.3 MPa。S7距離前方采場(chǎng)約62 m,,應(yīng)力值始終比較平穩(wěn),說(shuō)明9～11月的開(kāi)采活動(dòng)對(duì)該處巖體的受力狀態(tài)影響極小(圖3)。

圖3 -195 m A30穿脈巷道應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig. 3 Stress monitoring results of -195 m level A30 cross vein drift

3.2 微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

微震事件破裂類(lèi)型空間分布如圖4所示。由圖4可以看出,監(jiān)測(cè)期間,距離采場(chǎng)越近,定位到的微震事件數(shù)越多,說(shuō)明采場(chǎng)附近的巖體內(nèi)部破裂較多。

圖4 微震事件破裂類(lèi)型空間分布Fig. 4 Spatial distribution of fracture types of microseismic events

巖體斷裂路徑空間形態(tài)如圖5所示。巖體內(nèi)的破裂未形成大范圍相互貫通,僅在采場(chǎng)附近形成了幾個(gè)局部相互貫通的簇狀斷裂路徑聚集區(qū),隨著與采場(chǎng)間距的增加,簇狀斷裂路徑的數(shù)量及規(guī)模不斷降低,說(shuō)明研究區(qū)域巖體僅具有局部破壞的風(fēng)險(xiǎn),而無(wú)大規(guī)模失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 巖體斷裂路徑空間分布Fig. 5 Spatial distribution of rock mass fracture path

4 應(yīng)力場(chǎng)演化規(guī)律

采用COMSOL Multiphysics 6.0軟件開(kāi)展眼前山鐵礦數(shù)值計(jì)算,根據(jù)應(yīng)力場(chǎng)分布,分析巖體冒落沖擊孕育規(guī)律。

4.1 數(shù)值模型建立

眼前山三維數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格模型(圖6),由COMSOL Multiphysics 6.0軟件提供的網(wǎng)格生成工具來(lái)構(gòu)建四面體網(wǎng)格實(shí)體模型。數(shù)值模型尺寸為2 690 m×1 840 m×946 m,共計(jì)劃分3 527 845個(gè)單元。巖體力學(xué)參數(shù)如表1所示。邊界條件是固定模型底面,四周采用法向位移約束。

圖6 眼前山鐵礦數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格模型Fig. 6 Numerical calculation grid model of Yanqianshan iron mine

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

按月回采進(jìn)度進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,將回采區(qū)域按月劃分為8月前、8月、9月、10月、11月5種回采工況(圖7)。

圖7 礦房開(kāi)挖區(qū)域Fig. 7 Excavation area of mine stope

4.2 開(kāi)采擾動(dòng)影響下圍巖地應(yīng)力的分布特征

-195 m頂板水平剖面應(yīng)力分布,如圖8所示。2022年8月,頂板應(yīng)力集中區(qū)域主要位于研究區(qū)域采場(chǎng)北側(cè)偏東(1區(qū)域)以及研究區(qū)域采場(chǎng)的西南側(cè)(2區(qū)域);2022年9月,研究區(qū)域采場(chǎng)西南側(cè)(2區(qū)域)被回采,該處應(yīng)力集中被釋放,應(yīng)力有其周?chē)鷧^(qū)域巖體承擔(dān),但該區(qū)域應(yīng)力集中程度顯著降低,這一現(xiàn)象說(shuō)明一旦某一區(qū)域回采進(jìn)度遠(yuǎn)落后于東西兩側(cè)回采進(jìn)度,則該區(qū)域會(huì)成為應(yīng)力集中區(qū)域,冒落沖擊風(fēng)險(xiǎn)上升。

圖8 -195 m頂板水平剖面應(yīng)力分布云圖Fig. 8 -195 m stress distribution nephogram of roof horizontal profile

繪制研究區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)縱剖面圖,如圖9所示。采空區(qū)周?chē)袃商帒?yīng)力集中部位1、2(分別對(duì)應(yīng)水平剖面圖中的1、2兩個(gè)應(yīng)力集中區(qū)域),其中2區(qū)域的應(yīng)力集中同樣是通過(guò)回采得到應(yīng)力釋放。值得注意的是自2022年10月,1區(qū)域的應(yīng)力集中范圍逐漸向上方擴(kuò)展并與坑底應(yīng)力集中區(qū)出現(xiàn)了相互貫通的趨勢(shì),增大了該處頂板冒落風(fēng)險(xiǎn);但由于1區(qū)域?yàn)?019至2021年回采區(qū)域,遠(yuǎn)離當(dāng)前回采區(qū)域(相距300 m以上),故冒落沖擊對(duì)目前的開(kāi)采活動(dòng)影響有限。

圖9 剖面應(yīng)力場(chǎng)分布云圖Fig. 9 Profile stress field distribution nephogram

5 冒落沖擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)

基于前文對(duì)微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、應(yīng)力場(chǎng)的分析結(jié)果,本文提出用于評(píng)價(jià)眼前山鐵礦的冒落沖擊風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)方法,如表2所示。表2中所述應(yīng)力集中程度、應(yīng)力集中區(qū)范圍、應(yīng)力集中區(qū)貫通程度、巖體斷裂路徑貫通程度均為一個(gè)礦區(qū)的相對(duì)程度或范圍,即礦區(qū)必然有一個(gè)應(yīng)力集中程度最高、應(yīng)力集中區(qū)范圍最大、應(yīng)力集中區(qū)貫通程度最高、巖體斷裂路徑貫通程度最高的區(qū)域,對(duì)應(yīng)取值為3,其他區(qū)域?qū)?yīng)的分值可按照比例四舍五入取整確定,比如2022年8月主應(yīng)力最大值為18 MPa(圖9a),某一區(qū)域主應(yīng)力值為12 MPa,則該區(qū)域的對(duì)應(yīng)分值為12/18=0.67,則取整后為1,即應(yīng)力集中程度低。冒落沖擊風(fēng)險(xiǎn)具體量化方法為

RF=(Sd+Sa+Sp+Fp)/4

,

式中:RF——冒落沖擊風(fēng)險(xiǎn);

Sd——應(yīng)力集中程度;

Sa——應(yīng)力集中區(qū)范圍;

Sp——應(yīng)力集中區(qū)貫通程度;

Fp——巖體斷裂路徑貫通程度。

表2 冒落沖擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)

研究區(qū)域應(yīng)力集中程度處于低等級(jí),應(yīng)力集中范圍處于低等級(jí),應(yīng)力集中區(qū)貫通程度處于低等級(jí),巖體斷裂路徑貫通程度處于低等級(jí),此時(shí)該區(qū)域冒落沖擊風(fēng)險(xiǎn)分值為1,處于低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

6 結(jié) 論

(1)隨著與采場(chǎng)距離的減小,測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值變化量、微震事件數(shù)量逐漸上升,采場(chǎng)附近的巖體內(nèi)部破裂越多,巖體斷裂路徑貫通程度越高。

(2)當(dāng)前回采工作引起的應(yīng)力集中區(qū)域逐漸向上方擴(kuò)展并與坑底應(yīng)力集中區(qū)出現(xiàn)了相互貫通的趨勢(shì)。

(3)建立了以應(yīng)力集中程度、應(yīng)力集中區(qū)范圍、應(yīng)力集中區(qū)貫通程度、巖體斷裂路徑貫通程度4個(gè)指標(biāo)組成的冒落沖擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法,目前研究區(qū)域的4個(gè)指標(biāo)均為低等級(jí),故此時(shí)該區(qū)域處于低等級(jí)冒落沖擊風(fēng)險(xiǎn)。