眼前山鐵礦冒落沖擊風(fēng)險評價

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 110819; 2.黑龍江科技大學(xué) 黑龍江省煤礦深部開采地壓控制與瓦斯治理重點實驗室, 哈爾濱 150022)

0 引 言

我國是世界第四大鐵礦資源國,但礦產(chǎn)資源開發(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,開采難度大。據(jù)不完全統(tǒng)計,我國露天開采的鐵礦占總礦量的90%左右。隨著露天礦山開采深度的不斷增加,剝采比越來越大,運輸成本也在不斷地升高,至上世紀70年代,我國部分礦山已從露天轉(zhuǎn)為井下開采。礦山由露天轉(zhuǎn)入井下開采后,隨著采深的增加,地應(yīng)力作用日益顯著,在采場周圍巖體受開采擾動后,會導(dǎo)致儲存在巖體內(nèi)部的能量大于其破壞前所具有的儲能能力,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,準確了解首采分段圍巖體穩(wěn)定性,進而評估地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險與等級,區(qū)劃災(zāi)害潛在區(qū)域,對保障礦山安全、高效開采具有重要意義。

為解決頂板冒落等問題,學(xué)者們從理論及實際監(jiān)測方面開展了大量研究與實踐工作。Fu等[1]等利用關(guān)鍵塊體理論分析了節(jié)理裂隙發(fā)育的頂板漸進破壞與冒落過程。汪杰等[2]依據(jù)紅嶺鉛鋅礦采場頂板受力特征,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,分析了固支和簡支等不同邊界條件下頂板損傷破壞過程和失穩(wěn)時間。石峰等[3]針對某金屬礦山頂板大范圍冒落過程的微震監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析,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頂板滑移性破裂過程中的微震時空演化特征,發(fā)現(xiàn)在采場冒落前,微震活動性顯著降低,但其能量以冪率加速釋放,剪切型微震事件占比達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)測技術(shù)的進步,微震監(jiān)測[5]、分布式光纖監(jiān)測[6]、激光掃描[7]等高新監(jiān)測手段陸續(xù)應(yīng)用于頂板穩(wěn)定性的監(jiān)測,為頂板冒落風(fēng)險評價提供了豐富的實測數(shù)據(jù)。

為提高礦山的安全生產(chǎn)等級,學(xué)者們將預(yù)測技術(shù)引入到礦山頂板管理中,對頂板冒落風(fēng)險進行預(yù)測,并及時提出防治措施。例如,莫陽春等[8]將現(xiàn)代非線性理論中的突變理論引入到頂板的穩(wěn)定性評價中,建立了頂板系統(tǒng)失穩(wěn)的尖點突變模型,提出了一種新的評價頂板穩(wěn)定性的方法。修國林等[9]引入塊體滑動理論,分析了巷道頂板塊體滑動的模式和安全系數(shù)。趙明華等[10]采用統(tǒng)計模型對礦山的頂板冒落進行預(yù)測。鄒文[11]運用定量和定性相結(jié)合的系統(tǒng)分析方法,分析了對煤層頂板穩(wěn)定性的影響各個因素,采用了模糊綜合評價評判的方法,建立了煤層頂板穩(wěn)定性的模糊評價模型。另外還有一些學(xué)者以具體礦山入手,利用數(shù)值模擬的方法來計算頂板的安全厚度等參數(shù)[12-14]。

筆者依托眼前山鐵礦,對首采分段區(qū)域圍巖進行應(yīng)力-微震監(jiān)測與分析,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)險的評價指標,評價首采分段區(qū)域的冒落沖擊風(fēng)險,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,在遠場近似下,將震源簡化為激沖函數(shù)模型,忽略時間項,僅探究P波的初動振幅,信號的初動振幅A(x)可以寫成:

(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——震源與接收點的距離;

Re(t,r)——傳感器朝向t與射線傳播路徑方向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,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)可計算出震源矩張量mpq。對矩張量進行分解,將其分解為各向同性成分(ISO),雙力偶成分(DC)與補償線性矢量偶極(CLVD)部分,可表示為

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

式中:M1、M2、M3——三個特征值,其對應(yīng)的三個本征矢量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——震源的剪切錯位。

可通過計算MDC成分所占比例X來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X>80%時,判定為剪切破壞;當80%≥X≥50%時,判定為介于剪切與張拉間的混合型破壞;當X<50%時,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:對于張拉模型,S波拐角頻率的系數(shù)Kc=0.32;對于剪切模型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,計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,對應(yīng)裂紋的相互貫通概率越高,當最短距離小于0時,可以用直線連接,表示這兩個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;

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)計初期,計劃采用露天方式開采,露天采場封閉圈標高為93 m,最終露天境界露天底標高-183 m。目前眼前山鐵礦進入-195 m地下首采區(qū)的開采,采用無底柱分段崩落法回采。分段高度18 m、進路間距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,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)力計及6通道微震監(jiān)測系統(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)測數(shù)據(jù)分析

3.1 應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)

自8月底至11月底共采集應(yīng)力數(shù)據(jù)4 032個。S5為-195 m A30穿脈巷道區(qū)域中距離采場最近的測點,其與采場間距約為23 m。自2022年8月末A30穿脈巷道附近采場再次開始爆破出礦,S5測點處應(yīng)力值開始顯著增加,直至9月初爆破活動停止,隨后應(yīng)力值逐漸穩(wěn)定;9月末,由于巖體力學(xué)性質(zhì)的時間效應(yīng)等原因,S1測點處應(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,但下降量遠小于因采動引起的上升量。該點應(yīng)力值表現(xiàn)出上升-平穩(wěn)-波動的特征,變化幅度約為0.4 MPa。

S6距離采場約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距離前方采場約62 m,,應(yīng)力值始終比較平穩(wěn),說明9～11月的開采活動對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)測結(jié)果Fig. 3 Stress monitoring results of -195 m level A30 cross vein drift

3.2 微震監(jiān)測數(shù)據(jù)

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

圖4 微震事件破裂類型空間分布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,僅在采場附近形成了幾個局部相互貫通的簇狀斷裂路徑聚集區(qū),隨著與采場間距的增加,簇狀斷裂路徑的數(shù)量及規(guī)模不斷降低,說明研究區(qū)域巖體僅具有局部破壞的風(fēng)險,而無大規(guī)模失穩(wěn)的風(fēng)險。

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

4 應(yīng)力場演化規(guī)律

采用COMSOL Multiphysics 6.0軟件開展眼前山鐵礦數(shù)值計算,根據(jù)應(yīng)力場分布,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)格生成工具來構(gòu)建四面體網(wǎng)格實體模型。數(shù)值模型尺寸為2 690 m×1 840 m×946 m,共計劃分3 527 845個單元。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)

按月回采進度進行數(shù)值模擬計算,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 礦房開挖區(qū)域Fig. 7 Excavation area of mine stope

4.2 開采擾動影響下圍巖地應(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)域采場北側(cè)偏東(1區(qū)域)以及研究區(qū)域采場的西南側(cè)(2區(qū)域);2022年9月,研究區(qū)域采場西南側(cè)(2區(qū)域)被回采,該處應(yīng)力集中被釋放,應(yīng)力有其周圍區(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)象說明一旦某一區(qū)域回采進度遠落后于東西兩側(cè)回采進度,則該區(qū)域會成為應(yīng)力集中區(qū)域,冒落沖擊風(fēng)險上升。

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)力場縱剖面圖,如圖9所示。采空區(qū)周圍有兩處應(yīng)力集中部位1、2(分別對應(yīng)水平剖面圖中的1、2兩個應(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展并與坑底應(yīng)力集中區(qū)出現(xiàn)了相互貫通的趨勢,增大了該處頂板冒落風(fēng)險;但由于1區(qū)域為2019至2021年回采區(qū)域,遠離當前回采區(qū)域(相距300 m以上),故冒落沖擊對目前的開采活動影響有限。

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

5 冒落沖擊風(fēng)險評價等級

基于前文對微震監(jiān)測數(shù)據(jù)、應(yīng)力場的分析結(jié)果,本文提出用于評價眼前山鐵礦的冒落沖擊風(fēng)險等級評價方法,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礦區(qū)的相對程度或范圍,即礦區(qū)必然有一個應(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)險具體量化方法為

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

,

式中:RF——冒落沖擊風(fēng)險;

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)險評價等級

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

6 結(jié) 論

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

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

(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個指標組成的冒落沖擊風(fēng)險評價方法,目前研究區(qū)域的4個指標均為低等級,故此時該區(qū)域處于低等級冒落沖擊風(fēng)險。