張龍,石峰 ,趙宗義,王平 ,白登榮
(1.新疆大明礦業(yè)集團股份有限公司, 新疆 哈密市 839000;2.礦冶科技集團有限公司, 北京 100160;3.中國-南非礦產(chǎn)資源開發(fā)利用聯(lián)合研究中心, 北京 102628)
在采礦活動中,由于人為原因,井下原始應(yīng)力平衡被破壞,井下巖體易產(chǎn)生應(yīng)力集中,進而引發(fā)片幫、冒頂、巖爆等一系列地壓災(zāi)害,造成設(shè)備損壞,人員傷亡等。對巖體進行穩(wěn)定性監(jiān)測是提前預(yù)測巖體是否發(fā)生大范圍破壞,并進行地壓管控的重要技術(shù)手段。目前,常用的巖體穩(wěn)定性監(jiān)測手段主要有應(yīng)力位移監(jiān)測[1?2]、空孔監(jiān)測[3?4]、微震監(jiān)測[5?9]等。通過對比上述監(jiān)測手段可知,應(yīng)力位移監(jiān)測、空孔監(jiān)測均屬于點監(jiān)測,只能反映巖體局部狀態(tài),且具有一定局限性,無法準確反映采礦過程中的巖體變化。而微震監(jiān)測技術(shù)是一種區(qū)域監(jiān)測,可以較好反映巖體整體裂隙發(fā)展情況,并具有實時、定位精度高等優(yōu)點,目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外礦山[10?12]。
天湖鐵礦采礦方法為無底柱分段崩落法,目前開采區(qū)域為940m中段的970m、955m分層。經(jīng)過現(xiàn)場勘查,該中段礦巖應(yīng)力相對比較集中,部分巷道已經(jīng)出現(xiàn)了片幫、冒頂?shù)茸冃纹茐?,嚴重威脅井下安全生產(chǎn)。由于礦區(qū)的水平構(gòu)造應(yīng)力和巖體硬度均較大,巖體發(fā)生動力災(zāi)害的幾率較高。此外,隨著開采深度的進一步延伸,發(fā)生動力災(zāi)害風險將逐漸增大,嚴重威脅礦山的安全生產(chǎn)。因此,基于微震監(jiān)測技術(shù),建立地壓監(jiān)測系統(tǒng),對井下巖體穩(wěn)定性進行實時監(jiān)測,對動力災(zāi)害進行有效預(yù)警迫在眉睫。
針對天湖鐵礦開采過程中地壓活動的監(jiān)測需求,結(jié)合實際開采特點,合理布置數(shù)值傳感器,最終建立了一套可移動式、實時在線監(jiān)測與預(yù)警的20通道地壓監(jiān)測系統(tǒng),包含3支三分量傳感器、11支單分量傳感器。微震傳感器的位置確定布置在天湖鐵礦1000m、940m中段,各傳感器分別安裝在脈內(nèi)巷道和脈外運輸巷道圍巖體內(nèi),形成一個立體的微震監(jiān)測臺網(wǎng),將主要監(jiān)測的采場包括在其中心,使該系統(tǒng)能夠精確定位采場內(nèi)發(fā)生的微震事件,從而準確掌握采場地壓活動情況。
對目前臺網(wǎng)分析進行事件定位誤差和靈敏度分析,其云圖分別如圖1、圖2所示。從圖1、圖2中可知,目前的微震事件定位誤差為10m左右,靈敏度為?2.6震級左右,能夠完全滿足礦山巖體穩(wěn)定性及裂隙發(fā)展需求。
根據(jù)礦山實際情況,對940m中段進行區(qū)域劃分,以955m水平為基準,向上每隔15m建立一個塊體分析模型,長×寬×高為550m×150m×15m,如圖3所示。通過統(tǒng)計監(jiān)測周期內(nèi)各模塊的微震事件信息分析地壓顯現(xiàn)規(guī)律。
圖2 微震監(jiān)測系統(tǒng)靈敏度云圖
圖3 分析模型
圖4為2019年監(jiān)測系統(tǒng)某周期所監(jiān)測到的微震事件空間分布。由圖4可知,該周955m水平微震事件較少,970m水平微震事件在J4~J13穿脈之間出現(xiàn)聚集,事件產(chǎn)生原因為采礦活動及巖體內(nèi)應(yīng)力重分布。基于微震事件空間分布特征,圈定潛在地壓災(zāi)害危險區(qū)域,經(jīng)過現(xiàn)場勘查,各970m水平采場西側(cè)巖體應(yīng)力集中,破裂比較嚴重,如圖5所示,表明該區(qū)域微震活動較強,與監(jiān)測結(jié)果相一致。
圖4 各水平微震事件空間分布
基于微震事件空間分布特征可知,970m水平微震事件數(shù)量較多,對該中段巖體穩(wěn)定性進行重點分析。
圖5 970m水平采場西側(cè)巷道片幫
(1)累計視體積、能量指數(shù)分布特征。在地震學領(lǐng)域中,能量指數(shù)的增大與累積視體積的緩慢增加表明,巖體處于能量積蓄的硬化階段,巖體不易發(fā)生大范圍破壞。當應(yīng)力進入巖體峰值應(yīng)力之后,巖體內(nèi)部所儲存能量超過所能承受的能力,巖體發(fā)生破壞,表現(xiàn)為能量指數(shù)下降而累積視體積迅速增大。因此,在微震監(jiān)測中,能量指數(shù)和累積視體積能夠很好地反映巖體內(nèi)部裂隙發(fā)展的狀態(tài)和穩(wěn)定性,這兩個指數(shù)可作為巖體發(fā)生大范圍破壞的預(yù)警指標。巖體發(fā)生大范圍破壞,通常伴隨著能量指數(shù)快速下降且累積視體積迅速增長的現(xiàn)象。
如圖6所示,監(jiān)測周期內(nèi)970m中段累計視體積呈穩(wěn)定增加狀態(tài),變化較為平穩(wěn),而能量指數(shù)波動較大,表明巖體內(nèi)部能量不斷積聚與釋放,累積視體積沒有突然上升、能量指數(shù)沒有快速下降現(xiàn)象,即巖體內(nèi)部出現(xiàn)小范圍破裂,沒有發(fā)現(xiàn)巖體較大范圍失穩(wěn)前兆。經(jīng)現(xiàn)場勘查,與監(jiān)測結(jié)果相一致。
圖6 累積視體積時間與能量指數(shù)
(2)基于監(jiān)測結(jié)果的巖體應(yīng)力特征分析。微震事件的能量指數(shù)定義為該事件所產(chǎn)生的能量,與某區(qū)域內(nèi)所有微震事件產(chǎn)生的平均能量相比,能量指數(shù)與巖體破壞時的驅(qū)動力呈正比。能量指數(shù)越大,巖體應(yīng)力越集中,巖體發(fā)生大范圍破壞的可能性越大,可以用微震事件能量指數(shù)來表征巖體受力狀態(tài)。
圖7為970m水平圍巖應(yīng)力分布情況,從圖7可以看出,J18~J20穿脈附近應(yīng)力相對較大,現(xiàn)場巖體破壞嚴重,表明基于微震事件的巖體應(yīng)力分析,可以較好地反映巖體應(yīng)力狀態(tài)及穩(wěn)定性。
圖7 巖體應(yīng)力分布云圖
(1)基于天湖鐵礦實際開采特點,建立了定位誤差約為10m,靈敏度為?2.6震級的高精度微震監(jiān)測系統(tǒng),滿足了礦山現(xiàn)場安全監(jiān)測的需求。
(2)分析各中段微震事件空間分布特征,得出970m水平微震事件在J4~J13穿脈之間出現(xiàn)聚集,圈定危險區(qū)域,可較好地反映巖體狀態(tài),與現(xiàn)場巖體破碎情況相一致。
(3)微震事件累計視體積-能量指數(shù)曲線可以反映巖體穩(wěn)定性,累計視體積迅速上升且能量指數(shù)迅速下降,可作為巖體大范圍破壞發(fā)生的前兆信息。
(4)微震事件能量指數(shù)云圖可以較好地表征巖體受力狀態(tài),對巖體是否發(fā)生大范圍破壞進行評估,進而為地壓管控提供技術(shù)支持。