石人溝鐵礦巖體穩(wěn)定性分析

石人溝鐵礦巖體穩(wěn)定性分析

圍巖的穩(wěn)定對于確保礦山的安全生產(chǎn)非常重要。目前,國內(nèi)外礦山對圍巖穩(wěn)定性的監(jiān)測主要以位移監(jiān)測為主,但此類監(jiān)測不能實質(zhì)性地反映微破裂萌生、發(fā)展及貫通過程等巖體破壞前兆信息,在位移監(jiān)測得到圍巖破壞結(jié)果之前,巖體內(nèi)部早已發(fā)生破壞,難以進行巷道失穩(wěn)過程的追蹤和預測。礦山微震監(jiān)測技術(shù)能夠捕捉到巖體受力變形和破壞后本身發(fā)射出的彈性波。每一個微震信號都包含著巖體內(nèi)部狀態(tài)變化的豐富信息,對接收到的微震信號進行處理、分析,可作為評價巖體穩(wěn)定性的依據(jù)。近年來,微震監(jiān)測技術(shù)被越來越廣泛地應用到我國采礦工程的穩(wěn)定性監(jiān)測領域。趙興東等利用加拿大ESG公司微震監(jiān)測系統(tǒng)研究了紅透山銅礦深部開采巖爆潛在區(qū)的微震活動性,指出可以對連續(xù)監(jiān)測的微震活動事件進行時間非線性分析,通過設定在單位時間內(nèi)微震事件活動數(shù)目來判定巖爆發(fā)生的可能性;唐禮忠等利用南非ISSI的設備建立了微震監(jiān)測系統(tǒng)研究了冬瓜山銅礦的深部開采地壓問題及發(fā)生規(guī)律,并采用地震學參數(shù)平面震源上的平均位移和視應力為依據(jù)對冬瓜山銅礦圍巖穩(wěn)定性做出了初步評價;姜福興等研究了巖體在三維空間的微破裂成像,認為應該結(jié)合采場應力場的變化來解釋和研究采場覆巖空間破裂的規(guī)律;唐春安等通過應力場與微震監(jiān)測數(shù)據(jù)相結(jié)合的分析方法,實現(xiàn)了張馬屯鐵礦注漿帷幕突水危險性的評價和錦屏一級水電站左岸巖石邊坡潛在失穩(wěn)區(qū)域的識別。以上學者通過建立監(jiān)測地壓災害的微震監(jiān)測系統(tǒng),分析了采場破壞的發(fā)生規(guī)律和深部地壓問題。但是礦山巖體工程是一個動態(tài)穩(wěn)定性問題,隨著采礦活動的進行,采場空間和地壓分布都在不斷變化,將微震監(jiān)測數(shù)據(jù)和采礦時空關系有機的聯(lián)系起來,在應力場不斷演化的過程中進行微震活動規(guī)律和圍巖穩(wěn)定性的動態(tài)分析才符合礦山工程的實際特點。針對這一問題,本文結(jié)合石人溝鐵礦微震監(jiān)測結(jié)果,首先對15號勘探線附近區(qū)域地下空區(qū)形成及露天坑內(nèi)排過程中系統(tǒng)監(jiān)測到的微震活動信息進行了詳細的解讀。然后通過數(shù)值模擬采礦過程中動態(tài)變化的應力場來解釋和分析圍巖內(nèi)部發(fā)生微破裂的原因和規(guī)律并結(jié)合應力場與微震數(shù)據(jù)對圍巖穩(wěn)定性做出初步的評價。最后基于對圍巖內(nèi)部微震活動規(guī)律的認識,結(jié)合下階段礦山應力場預測可能會發(fā)生微震事件聚集和巖體失穩(wěn)的危險區(qū)域。1露天開采至最終采空區(qū)石人溝鐵礦位于河北省遵化市西北10km,東南距唐山市90km。地質(zhì)構(gòu)造位置為燕山沉降帶馬蘭峪背斜軸部。礦區(qū)內(nèi)出露地層主要為下太古界遷西群馬蘭峪組片麻巖系,單斜構(gòu)造。片麻理走向一般近南北向,向西傾,傾角50°~70°。礦體產(chǎn)狀與片麻理一致。初始階段礦山采用露天開采方式,露天開采境界南北長2.8km,經(jīng)過多年的生產(chǎn),露天開采已經(jīng)結(jié)束。現(xiàn)已轉(zhuǎn)入地下開采,目前-60m水平(地下首層)中段已形成129個正規(guī)采空區(qū),由于-60m中段以上存在大量盜采空區(qū),所以地下空區(qū)間的空間關系較為復雜。礦山整體及空區(qū)間位置關系如圖1所示。圖2為15號勘探線附近的地下采空區(qū)分布示意圖,如圖所示該區(qū)域主要存在5個采空區(qū),8,9和16號為計劃內(nèi)采空區(qū),FCK15、FCK16為非計劃內(nèi)采空區(qū),圖2中8,9號空區(qū)是利用三維激光掃描儀探測得到的空區(qū)真實形態(tài)。其他空區(qū)是利用投影圖生成的大致形態(tài)?？諈^(qū)明細見表1。其中9號及FCK16采空區(qū)距露天坑較近,最小距離分別為5和9m。同時,該區(qū)段作為露天坑內(nèi)排土場存在,隨著尾礦的不斷排入應力場是動態(tài)變化的。在露天坑內(nèi)排過程中如果發(fā)生地下空區(qū)圍巖的失穩(wěn),就可能導致露天坑底的塌陷和邊坡滑坡,所以地下空區(qū)圍巖的穩(wěn)定是保證內(nèi)排工作安全進行的關鍵。2系統(tǒng)整體設計為了監(jiān)測露天轉(zhuǎn)地下生產(chǎn)過程中巖體穩(wěn)定性的變化,石人溝鐵礦使用加拿大ESG公司生產(chǎn)的礦山微震監(jiān)測系統(tǒng),對部分礦區(qū)的微震活動實施全天候連續(xù)監(jiān)測。石人溝鐵礦微震監(jiān)測系統(tǒng)總體上由地面微震數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、微震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、傳感器三部分組成,如圖3所示。30個傳感器采集的微震信號,由內(nèi)置于傳感器中的信號放大器放大輸出,經(jīng)由信號電纜傳至露天邊坡、井下-60m和0三個水平的5個Paladin微震采集儀,并進行信號的A/D轉(zhuǎn)換后輸出。由于數(shù)字信號傳輸距離有限,因此再由調(diào)制解調(diào)器將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號,再通過電話雙絞線將模擬信號傳輸至0水平的井下微震采集工作站,然后再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號經(jīng)過光纜傳輸至地面微震數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。該套系統(tǒng)可以獲取微震事件的時空分布、誤差、震級以及能量等多項震源參數(shù),并對采集的數(shù)據(jù)進行濾波處理,提供用戶震源信息的完整波形與波譜分析圖,自動識別微震事件類型,通過濾波處理、設定閾值、帶寬檢波排除噪聲事件。3號空區(qū)微震事件自ESG微震監(jiān)測系統(tǒng)在石人溝鐵礦建立以來,在15號勘探線附近獲取了大量的微震活動數(shù)據(jù)信息。從圖4可以看出,4個采空區(qū)(FCK16、9號、16號、FCK15)和露天坑之間的圍巖是微震事件較為集中的區(qū)域。為了研究該區(qū)域圍巖內(nèi)部在空區(qū)形成及上覆荷載等外部因素影響下微破裂的產(chǎn)生、發(fā)展過程,在微震事件密集區(qū)截選取一個剖面(剖面位置如圖4所示)并將附近的微震事件按照不同的工況順序投影到該剖面上,如圖5所示。16號礦房是研究區(qū)域內(nèi)最后完成回采工作的,在該空區(qū)形成過程中,微震事件在其周圍大量產(chǎn)生(圖5(a))。隨著該區(qū)域采礦活動的停止微震事件漸漸消失并最終趨于平靜,如圖5(b)所示,16號空區(qū)周圍已基本沒有微震事件發(fā)生。該現(xiàn)象與室內(nèi)試驗多級加載過程中每級荷載穩(wěn)壓時AE事件率明顯降低的現(xiàn)象十分吻合。說明該處圍巖體在采動影響之下經(jīng)過一段時間大量微破裂的發(fā)生之后逐漸達到了一個新的平衡狀態(tài)。隨著第一階段露天坑內(nèi)排工作的開始,微震事件在9號空區(qū)頂板和露天坑底之間的區(qū)域出現(xiàn)并不斷增加,最終形成了一個以能量釋放率高、微震事件密度大為特征的微破裂發(fā)生區(qū)(圖5(b))。微震事件密度代表新生裂紋的相互接近程度,微震事件所釋放的能量則與裂紋擴展新生成的表面積有正比關系。高能量微震事件的事件密度不斷增加說明該處巖體內(nèi)部尺度較大的裂紋有相互貫通的趨勢。裂紋數(shù)量及面積的增加必然會提高巖石的滲透系數(shù)從而影響地表水滲入量,9號空區(qū)頂板滲水量的增加驗證了以上微震監(jiān)測結(jié)果及推斷的正確性。如圖5(c)所示,隨著露天坑內(nèi)排工作的結(jié)束,微震事件發(fā)生率又回到了比較低的狀態(tài)。從上微震分布信息可以看出,微震事件總的分布規(guī)律是由空區(qū)周圍向露天坑底遷移并最終趨于恒定,微震事件的時空變化規(guī)律與空區(qū)的形成及露天坑內(nèi)排過程十分吻合。說明巖體內(nèi)部微破裂的發(fā)生、聚集及演化與礦山的采礦活動有密切的關系。為了揭示二者之間的本質(zhì)聯(lián)系,本文將通過數(shù)值模擬不同采礦活動中動態(tài)變化的應力場來解釋和分析圍巖內(nèi)部微震活動規(guī)律。4力學模型的構(gòu)建和適應性場的分析運用有限元軟件ANSYS建立研究區(qū)域力學模型,并進行應力場計算,得到礦山不同生產(chǎn)階段中圍巖的應力場分布。4.1計算模型及邊界條件根據(jù)圖5所示剖面圖建立平面有限元彈塑性本構(gòu)模型,采用Druck-Prager屈服準則進行計算,模型寬200m,高向自-130m到地表標高,用以計算-60m水平礦房開采、露天坑尾礦內(nèi)排及-120m水平礦房開采等不同采礦活動引起的應力場分布。模型考慮巖體自重,在重力作用下其邊界條件為:模型頂面為地表面,視為自由表面;兩側(cè)及底面的法相位移設為0。巖體物理力學參數(shù)見表2。4.2采場頂板剪應力量對邊坡穩(wěn)定性的影響圖6(a)為9號空區(qū)形成后的剪應力云圖,可以看出9號空區(qū)的存在使原巖應力場發(fā)生了重分布,邊角和拐彎處出現(xiàn)應力集中,最大剪應力出現(xiàn)在采場底板附近,其值為2.39MPa。由于采場頂板的剪應力區(qū)延伸至地表,所以9號空區(qū)的形成對露天邊坡的穩(wěn)定性也會產(chǎn)生一定的影響。如圖6(b)所示,16號空區(qū)的形成使該空區(qū)圍巖的應力狀態(tài)發(fā)生了較大的改變,在空區(qū)底板及側(cè)壁的周圍產(chǎn)生了應力集中。同時降低了9號空區(qū)頂板與露天坡腳之間巖體的應力集中程度。圖6(c)第1階段內(nèi)排后的剪應力云圖表明在內(nèi)排荷載的作用下,9號空區(qū)頂板與露天坡腳之間的圍巖應力明顯增加。由現(xiàn)場資料可知,第1階段內(nèi)排量較小,上覆荷載少量增加導致巖體內(nèi)部應力明顯增大現(xiàn)象主要是由于該處空區(qū)頂部圍巖較薄造成的。5高能量微震活動應力場及微震行為與圍巖穩(wěn)定性關系分析比較應力云圖6(a),(b)可以發(fā)現(xiàn),16號空區(qū)形成前后,應力變化最劇烈的是16號空區(qū)周圍的區(qū)域,尤其是該空區(qū)的頂板和側(cè)壁。對比微震事件分布圖5(a),可以看出16號空區(qū)形成過程中,微震事件大多分布在16號空區(qū)的頂板和側(cè)壁附近,即應力場變化較為劇烈的區(qū)域。而應力場變化不太明顯的區(qū)域則存在較少的微震事件。-60m水平空完全形成之后,圍巖所受剪應力最大值為2.56MPa處于較低的水平,微震事件釋放的能量也比較小,說明因空區(qū)形成引起的圍巖內(nèi)部破壞程度較小。且隨著回采工作的停止微震活動逐漸趨于平靜,空區(qū)圍巖又恢復到了比較穩(wěn)定的狀態(tài)。比較應力云圖6(b),(c),第1階段內(nèi)排荷載導致9號空區(qū)頂板與露天坡腳之間巖體所受應力明顯增大。如圖5(b)所示,該時間段內(nèi)的微震事件主要集中在應力變化較大的空區(qū)頂板及坡腳附近。9號空區(qū)頂板滲水量的增加證明了該處巖體處于裂隙不斷發(fā)育,破壞程度越發(fā)嚴重的階段,與該處高能量微震事件大量聚集的監(jiān)測結(jié)果十分吻合。說明通過對微震事件所釋放的能量及事件密度的分析能夠推斷出巖體內(nèi)部的破壞程度和破壞發(fā)展趨勢,可以將微震釋放能量及事件密度作為評價巖體穩(wěn)定性的指標。綜合以上對不同采礦活動中應力場、微震活動規(guī)律與圍巖穩(wěn)定性的分析可以發(fā)現(xiàn):應力狀態(tài)的改變會誘發(fā)巖體內(nèi)部微破裂(微震活動性)的產(chǎn)生,應力集中會引起微震事件的區(qū)域性聚集。高能量微震事件大量聚集不僅表明應力場發(fā)生了劇烈的變化,也說明巖體內(nèi)部破壞嚴重,穩(wěn)定性較低?；谝陨蠈?、微震活動性及圍巖穩(wěn)定性之間關系的認識,可以根據(jù)數(shù)值模擬計算下一階段采礦活動應力場分布預測未來可能發(fā)生微破裂聚集和巖體失穩(wěn)的潛在危險區(qū)域。如圖7(a)所示,如果露天坑繼續(xù)內(nèi)排會降低邊坡及坡腳處的剪應力,對提高邊坡及坡腳穩(wěn)定性有積極作用。但隨著-120m水平空區(qū)的開采,如圖7(b)所示,9號空區(qū)與坡腳之間的巖體所受應力劇烈增大。由于第一階段內(nèi)排期間出現(xiàn)大量微破裂導致該處巖體質(zhì)量下降,應力的劇烈變化會引起巖體內(nèi)部原有裂縫的擴展甚至貫通,增加巖體發(fā)生失穩(wěn)破壞的危險性。為了保證9號空區(qū)頂板及坡腳巖體的穩(wěn)定性,建議在開采-120m水平空區(qū)之前填充9號采空區(qū)。6數(shù)值結(jié)果與分析(1)微震事件的定位結(jié)果能實時反映應力場分布及巖體內(nèi)部狀態(tài)的變化,建立以應力場為背景的微震活動規(guī)律分析方法,可以為巖體穩(wěn)定性評價和預測預報因巖體失穩(wěn)破壞導致的地質(zhì)災害研究提供一種新的手段。(2)基于采礦活動中不斷變化的應力場進行微震活動規(guī)律和圍巖穩(wěn)定性的動態(tài)分析,不僅使