杜樹(shù)浩，張永亮，楊正松

(1.山東黃金集團(tuán)有限公司，濟(jì)南 250101；2.青島理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266520；3.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160)

我國(guó)是礦業(yè)大國(guó)，金屬礦產(chǎn)儲(chǔ)量是我國(guó)重要資源，保障金屬礦產(chǎn)資源開(kāi)采安全顯得尤為重要。隨著礦山開(kāi)采深度的不斷增加，地壓變化引起的安全事故愈發(fā)嚴(yán)重，造成人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失[1-2]，精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)礦山地壓已經(jīng)成為礦山行業(yè)安全技術(shù)領(lǐng)域亟待解決的技術(shù)問(wèn)題[3]。目前微震監(jiān)測(cè)技術(shù)是金屬礦山深井開(kāi)采地壓監(jiān)測(cè)分析的重要技術(shù)手段[4-6]。近年來(lái)，眾多學(xué)者在微震監(jiān)測(cè)參數(shù)特征[7]、微震監(jiān)測(cè)信號(hào)獲取[8]、巖爆預(yù)警依據(jù)[9]、礦山地壓演化規(guī)律分析[10]等方面進(jìn)行了深入研究，取得了一系列重要成果。針對(duì)三山島金礦深部的地壓現(xiàn)狀及現(xiàn)有監(jiān)測(cè)手段的不足，迫切需要對(duì)深部地壓活動(dòng)情況采用合適的手段進(jìn)行監(jiān)測(cè)監(jiān)控，從而防范深部采場(chǎng)開(kāi)采過(guò)程中地壓活動(dòng)造成人員傷害、設(shè)備損失、資源浪費(fèi)和生產(chǎn)中斷等事件的發(fā)生。

1 試驗(yàn)采場(chǎng)地質(zhì)條件

三山島金礦西山礦區(qū)深部礦體主要賦存于主斷層F1下盤(pán)的黃鐵絹英巖中，主斷層F1走向10°～30°，傾向SE，傾角38°左右，主裂面有一層2～10 cm的黑色泥質(zhì)物，隔水性較好。礦體走向20°左右，傾向SE，傾角40°左右，厚度3～40 m，形態(tài)較復(fù)雜，分支復(fù)合，粒狀、網(wǎng)脈狀礦化為主。其中-780 m中段地壓活動(dòng)明顯，選擇在該生產(chǎn)中段1560～1720勘探線之間布置試驗(yàn)采場(chǎng)，采場(chǎng)標(biāo)高為-780.4～-764.3 m，采用中深孔空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法，試驗(yàn)采場(chǎng)剖面如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)采場(chǎng)剖面圖Fig.1 Section drawing of the test stope

2 爆破模擬

為了確保取得好的爆破效果，采用通過(guò)試驗(yàn)取得的合理巖體參數(shù)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，模擬其爆破效果，并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)效果對(duì)爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

有限元方法的迅速發(fā)展，已成為解決流體彈塑性計(jì)算和爆炸模擬問(wèn)題的一個(gè)重要手段。有限元方法已很好地解決了小變形彈性問(wèn)題，但在計(jì)算爆炸這類(lèi)問(wèn)題時(shí)卻遇到了不少困難，主要問(wèn)題在于爆炸沖擊問(wèn)題往往會(huì)產(chǎn)生大變形，而表現(xiàn)出三重非線性：

1)幾何非線性(大變形)；

2)材料非線性(材料本構(gòu)方程的復(fù)雜性)；

3)邊界非線性(炸藥與孔壁形成滑移面)。

本試驗(yàn)采用ANSYS進(jìn)行爆破數(shù)值模擬，其求解器是LS-DYNA，是世界最知名的有限元顯式求解程序之一。ANSYS/LS-DYNA3D是一個(gè)顯式非線性動(dòng)力分析通用有限元程序，可以求解各種二維和三維非彈性結(jié)構(gòu)的高速碰撞、爆炸和模壓等大變形動(dòng)力響應(yīng)。程序采用動(dòng)力松弛技術(shù)，可以進(jìn)行動(dòng)力分析前的預(yù)應(yīng)力計(jì)算或者進(jìn)行靜力分析。

2.1 爆破模型的構(gòu)建

2.1.1 爆破數(shù)值模型

采用ANSYS AUTODYN自帶建模工具，采用對(duì)稱方式布置炮孔，因此計(jì)算模型亦可以采用一層炮孔模型模擬整個(gè)區(qū)域的變化。采用ANSYS Meshing劃分網(wǎng)格，爆破方案幾何模型和有限元模型如圖2所示。

圖2 爆破方案幾何模型和有限元模型Fig.2 Geometric model and finite element model of blasting scheme

2.1.2 邊界條件及求解設(shè)置

按實(shí)際情況對(duì)模型進(jìn)行邊界條件以及求解控制設(shè)置如下：

1)自由面不施加任何邊界條件，非自由面施加投射邊界。

2)炮孔壁施加爆炸壓力載荷(三角波)。

3)整個(gè)物理過(guò)程求解時(shí)間為75 ms，在此時(shí)間段內(nèi)，爆轟波已完成對(duì)巖石的破碎。

2.2 計(jì)算結(jié)果及評(píng)估

1)爆破過(guò)程的壓力變化

根據(jù)爆破模擬結(jié)果，每15 ms截取一次爆破模型壓力變化圖，沖擊波壓力呈扇形擴(kuò)散到整個(gè)巖塊，如圖3所示。

圖3 爆破壓力云圖Fig.3 Burst pressure cloud atlas

2)爆破過(guò)程的巖石裂紋擴(kuò)展

根據(jù)爆破模擬結(jié)果，每15 ms截取一次爆破過(guò)程的巖石裂紋擴(kuò)展圖，裂紋隨著壓力的擴(kuò)散規(guī)律，也呈扇形分布，如圖4所示。

圖4 巖石裂紋擴(kuò)展圖Fig.4 Rock crack propagation diagram

3)爆破塊度分布規(guī)律

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，獲得爆破塊度分布表，如表1所示。

表1 爆破塊度模擬塊體體積累積值百分比

其中，-150 mm表示爆破后礦石塊度在150 mm以下的體積累積值，-30 mm表示爆破后礦石塊度在30 mm以下的體積累積值，以此類(lèi)推。如圖5所示，模擬結(jié)果表明，塊度-150 mm以下約占69%，-250 mm以下占87.82%，塊度效果很好，說(shuō)明爆破方案合理。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，為了節(jié)約爆破成本，可以適當(dāng)降低炸藥單耗。

圖5 爆破塊度模擬塊體體積累積曲線Fig.5 Volume accumulation curve of simulated blasting block

3 采場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

三山島金礦深部開(kāi)采過(guò)程中，采場(chǎng)地壓活動(dòng)顯現(xiàn)增多，易出現(xiàn)頂板冒頂、片幫等動(dòng)力災(zāi)害，為此選擇深部-780 m水平采場(chǎng)，采用局域式微震監(jiān)測(cè)技術(shù)針對(duì)采場(chǎng)動(dòng)力災(zāi)害監(jiān)測(cè)。

3.1 采場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置

試驗(yàn)采場(chǎng)沿走向布置，采場(chǎng)寬度7 m，采場(chǎng)長(zhǎng)度均為礦體走向長(zhǎng)度，采場(chǎng)高度為15 m。該試驗(yàn)采場(chǎng)周邊巷道掘進(jìn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域圍巖比較破碎，為減少采場(chǎng)暴露面積，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效采礦，計(jì)劃采用中深孔爆破方法，對(duì)試驗(yàn)采場(chǎng)劃分3個(gè)區(qū)域，順次爆破回采。

針對(duì)小尺度的采場(chǎng)級(jí)別監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，本研究采用供電、采集及存儲(chǔ)一體化模式，與大尺度區(qū)域監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的區(qū)別主要是在通信方式、監(jiān)測(cè)范圍及系統(tǒng)架構(gòu)等方面。該微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有安裝方便、調(diào)整靈活、受環(huán)境影響因素小等優(yōu)點(diǎn)，尤其不用擔(dān)心開(kāi)采過(guò)程中線纜中斷等影響；同時(shí)針對(duì)采場(chǎng)附近供電、通風(fēng)條件不具備的情況下，實(shí)現(xiàn)采場(chǎng)動(dòng)力災(zāi)害監(jiān)測(cè)。

為充分獲取試驗(yàn)采場(chǎng)回采時(shí)地壓活動(dòng)情況，結(jié)合試驗(yàn)采場(chǎng)爆破計(jì)劃，試驗(yàn)采場(chǎng)監(jiān)測(cè)總體規(guī)劃為2次。試驗(yàn)采場(chǎng)及周邊顯示的圓圈為傳感器分別布置的情況，如圖6所示?，F(xiàn)場(chǎng)傳感器布設(shè)位置主要考慮工作面的波速及有效波形主頻，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巷道及距爆破位置的遠(yuǎn)近而確定。

圖6 井下-780 m水平微震測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.6 Microseism measuring point layout of level -780 m

3.2 采場(chǎng)區(qū)域監(jiān)測(cè)

試驗(yàn)采場(chǎng)的第一次微震監(jiān)測(cè)時(shí)間為2015年4月5日，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安裝如圖7所示，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)位置1-1、1-2；第二次微震監(jiān)測(cè)時(shí)間為2015年7月12日，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)位置為2-1、2-2。傳感器固定在采場(chǎng)及周邊區(qū)域巷道的兩幫或頂板?，F(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)，需結(jié)合試驗(yàn)采場(chǎng)及周邊區(qū)域頂板及圍巖的穩(wěn)定情況，以及爆破飛石的影響，盡量使傳感器靠近試驗(yàn)采場(chǎng)，但同時(shí)保證傳感器的安全運(yùn)行，能夠正常采集、存儲(chǔ)地壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(圖8、9)。

圖7 局域式微震監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝Fig.7 Installation of local microseism monitoring device

圖8 第一次監(jiān)測(cè)周期內(nèi)波形圖Fig.8 Waveform diagram during the first monitoring period

圖9 第一次監(jiān)測(cè)周期內(nèi)監(jiān)測(cè)事件累積圖Fig.9 Cumulative map of monitoring events during the first monitoring period

3.3 采場(chǎng)動(dòng)力災(zāi)害分析

試驗(yàn)采場(chǎng)局域式微震監(jiān)測(cè)結(jié)果分析顯示，采場(chǎng)內(nèi)部的采掘活動(dòng)及井下機(jī)車(chē)和風(fēng)機(jī)開(kāi)停等活動(dòng)都能夠被便攜式微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)識(shí)別到。在監(jiān)測(cè)周期內(nèi)，隨著監(jiān)測(cè)時(shí)間的增加，監(jiān)測(cè)事件累積越來(lái)越大。第二次監(jiān)測(cè)周期內(nèi)，恰逢爆破落礦活動(dòng)的增加，使得監(jiān)測(cè)事件及最大PPV(最大速度峰值)隨之增加。兩次監(jiān)測(cè)事件數(shù)量分別為305個(gè)、712個(gè)，兩次監(jiān)測(cè)到的最大PPV(最大速度峰值)為0.39 mm/s。

監(jiān)測(cè)結(jié)果和數(shù)據(jù)分析顯示：隨著開(kāi)采范圍的增大、開(kāi)采活動(dòng)的增加，監(jiān)測(cè)到的事件數(shù)也逐漸增大。說(shuō)明在開(kāi)采過(guò)程中，圍巖受開(kāi)采影響而破裂的范圍逐漸增加；監(jiān)測(cè)到的PPV(最大峰值速度)為0.39 mm/s，主要是在試驗(yàn)采場(chǎng)的采掘過(guò)程中產(chǎn)生的，為降低爆破振動(dòng)對(duì)井下采場(chǎng)及附近井巷設(shè)施的影響，建議優(yōu)化爆破作業(yè)及方法。同時(shí)對(duì)本次監(jiān)測(cè)獲取的數(shù)據(jù)結(jié)合定量地震學(xué)多種參數(shù)融合進(jìn)行了如下分析：

(1)

N(≥E)=αE-β

(2)

式(1)中，能量指數(shù)越大，表示事件發(fā)生時(shí)震源的驅(qū)動(dòng)應(yīng)力越大。因此，可通過(guò)視體積與能量指數(shù)的曲線關(guān)系獲取巖體災(zāi)害發(fā)生的前兆特征。式(2)中β值增大，意味釋放較大能量的事件數(shù)量增大，也意味著巖體趨向于非均勻性，剛度下降，潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)增加。根據(jù)兩次監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)結(jié)果，監(jiān)測(cè)的采場(chǎng)區(qū)域內(nèi)能量和頻率的分布情況如圖10、圖11所示。

圖10 第一次監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)微震事件能量-頻率分布圖Fig.10 The first energy-frequency distribution of microseismic events in the monitoring area

圖11 第二次監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)微震事件能量-頻率分布圖Fig.11 The second energy-frequency distribution of microseismic events in the monitoring area

通過(guò)圖10、圖11中事件能量與頻率分布的關(guān)系可以看出，前半部分線性特性并不是很強(qiáng)，而后半部分則近乎為一條直線，其斜率的負(fù)數(shù)即為冪指數(shù)?；旧闲∈录却笫录?shù)量多，但小事件和大事件的發(fā)生都起因于同一種機(jī)制。圖中微震能量與事件頻次的關(guān)系表明微震能量與其相應(yīng)的發(fā)生頻率之間存在冪律關(guān)系，具有自組織臨界狀態(tài)的特點(diǎn)。

4 總結(jié)

1)采用ANSYS/LS-DYNA軟件，構(gòu)建一層炮孔模型模擬中深孔崩落爆破效果，沖擊波壓力呈扇形擴(kuò)散，巖石動(dòng)態(tài)裂紋隨沖擊波壓力耦合擴(kuò)散，爆破后礦石塊度效果較好，表明中深孔爆破參數(shù)和技術(shù)方案合理。

2)監(jiān)測(cè)周期內(nèi)監(jiān)測(cè)區(qū)域產(chǎn)生的事件呈現(xiàn)相對(duì)聚集的現(xiàn)象，但對(duì)應(yīng)事件的微震能量相對(duì)較小且發(fā)生頻率忽高忽低，表明整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)巖體的穩(wěn)定性比較好，不具有發(fā)生大范圍、頻繁的地壓顯現(xiàn)活動(dòng)特性。

3)經(jīng)能量-頻率發(fā)生時(shí)間特征分析，發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)區(qū)域產(chǎn)生的事件主要是受開(kāi)采后局部應(yīng)力突變?cè)黾訉?dǎo)致的。結(jié)合微震事件數(shù)量與活動(dòng)性及各事件PPV的分析，整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域存在開(kāi)采誘發(fā)應(yīng)力急劇增加并釋放的可能較低，但在采場(chǎng)內(nèi)部短時(shí)間內(nèi)爆破落礦較多的區(qū)域存在的安全風(fēng)險(xiǎn)較高。

4)根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析采場(chǎng)區(qū)域應(yīng)力呈現(xiàn)相對(duì)集中現(xiàn)象，該應(yīng)力集中現(xiàn)象可能與采場(chǎng)的開(kāi)采方法及開(kāi)采順序有關(guān)，針對(duì)這些區(qū)域需注意加強(qiáng)巖爆監(jiān)測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)巡查，對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域采取安全措施。