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(duì)于確保礦山的安全生產(chǎn)非常重要。目前,國(guó)內(nèi)外礦山對(duì)圍巖穩(wěn)定性的監(jiān)測(cè)主要以位移監(jiān)測(cè)為主,但此類監(jiān)測(cè)不能實(shí)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(cè)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(jìn)行巷道失穩(wěn)過程的追蹤和預(yù)測(cè)。礦山微震監(jiān)測(cè)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(gè)微震信號(hào)都包含著巖體內(nèi)部狀態(tài)變化的豐富信息,對(duì)接收到的微震信號(hào)進(jìn)行處理、分析,可作為評(píng)價(jià)巖體穩(wěn)定性的依據(jù)。近年來(lái),微震監(jiān)測(cè)技術(shù)被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用到我國(guó)采礦工程的穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。趙興東等利用加拿大ESG公司微震監(jiān)測(cè)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(dòng)性,指出可以對(duì)連續(xù)監(jiān)測(cè)的微震活動(dòng)事件進(jìn)行時(shí)間非線性分析,通過設(shè)定在單位時(shí)間內(nèi)微震事件活動(dòng)數(shù)目來(lái)判定巖爆發(fā)生的可能性;唐禮忠等利用南非ISSI的設(shè)備建立了微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究了冬瓜山銅礦的深部開采地壓?jiǎn)栴}及發(fā)生規(guī)律,并采用地震學(xué)參數(shù)平面震源上的平均位移和視應(yīng)力為依據(jù)對(duì)冬瓜山銅礦圍巖穩(wěn)定性做出了初步評(píng)價(jià);姜福興等研究了巖體在三維空間的微破裂成像,認(rèn)為應(yīng)該結(jié)合采場(chǎng)應(yīng)力場(chǎng)的變化來(lái)解釋和研究采場(chǎng)覆巖空間破裂的規(guī)律;唐春安等通過應(yīng)力場(chǎng)與微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合的分析方法,實(shí)現(xiàn)了張馬屯鐵礦注漿帷幕突水危險(xiǎn)性的評(píng)價(jià)和錦屏一級(jí)水電站左岸巖石邊坡潛在失穩(wěn)區(qū)域的識(shí)別。以上學(xué)者通過建立監(jiān)測(cè)地壓災(zāi)害的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng),分析了采場(chǎng)破壞的發(fā)生規(guī)律和深部地壓?jiǎn)栴}。但是礦山巖體工程是一個(gè)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性問題,隨著采礦活動(dòng)的進(jìn)行,采場(chǎng)空間和地壓分布都在不斷變化,將微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和采礦時(shí)空關(guān)系有機(jī)的聯(lián)系起來(lái),在應(yīng)力場(chǎng)不斷演化的過程中進(jìn)行微震活動(dòng)規(guī)律和圍巖穩(wěn)定性的動(dòng)態(tài)分析才符合礦山工程的實(shí)際特點(diǎn)。針對(duì)這一問題,本文結(jié)合石人溝鐵礦微震監(jiān)測(cè)結(jié)果,首先對(duì)15號(hào)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(cè)到的微震活動(dòng)信息進(jìn)行了詳細(xì)的解讀。然后通過數(shù)值模擬采礦過程中動(dòng)態(tài)變化的應(yīng)力場(chǎng)來(lái)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(yīng)力場(chǎng)與微震數(shù)據(jù)對(duì)圍巖穩(wěn)定性做出初步的評(píng)價(jià)。最后基于對(duì)圍巖內(nèi)部微震活動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí),結(jié)合下階段礦山應(yīng)力場(chǎng)預(yù)測(cè)可能會(huì)發(fā)生微震事件聚集和巖體失穩(wěn)的危險(xiǎn)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(zhǎng)2.8km,經(jīng)過多年的生產(chǎn),露天開采已經(jīng)結(jié)束?，F(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(gè)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(guān)系較為復(fù)雜。礦山整體及空區(qū)間位置關(guān)系如圖1所示。圖2為15號(hào)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(gè)采空區(qū),8,9和16號(hào)為計(jì)劃內(nèi)采空區(qū),FCK15、FCK16為非計(jì)劃內(nèi)采空區(qū),圖2中8,9號(hào)空區(qū)是利用三維激光掃描儀探測(cè)得到的空區(qū)真實(shí)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(xì)見表1。其中9號(hào)及FCK16采空區(qū)距露天坑較近,最小距離分別為5和9m。同時(shí),該區(qū)段作為露天坑內(nèi)排土場(chǎng)存在,隨著尾礦的不斷排入應(yīng)力場(chǎng)是動(dòng)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(dǎo)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(jìn)行的關(guān)鍵。2系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)為了監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng),對(duì)部分礦區(qū)的微震活動(dòng)實(shí)施全天候連續(xù)監(jiān)測(cè)。石人溝鐵礦微震監(jiān)測(cè)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(gè)傳感器采集的微震信號(hào),由內(nèi)置于傳感器中的信號(hào)放大器放大輸出,經(jīng)由信號(hào)電纜傳至露天邊坡、井下-60m和0三個(gè)水平的5個(gè)Paladin微震采集儀,并進(jìn)行信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換后輸出。由于數(shù)字信號(hào)傳輸距離有限,因此再由調(diào)制解調(diào)器將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào),再通過電話雙絞線將模擬信號(hào)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(hào)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(shí)空分布、誤差、震級(jí)以及能量等多項(xiàng)震源參數(shù),并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)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(dòng)識(shí)別微震事件類型,通過濾波處理、設(shè)定閾值、帶寬檢波排除噪聲事件。3號(hào)空區(qū)微震事件自ESG微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在石人溝鐵礦建立以來(lái),在15號(hào)勘探線附近獲取了大量的微震活動(dòng)數(shù)據(jù)信息。從圖4可以看出,4個(gè)采空區(qū)(FCK16、9號(hào)、16號(hào)、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(gè)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(hào)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(dòng)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(hào)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(yàn)多級(jí)加載過程中每級(jí)荷載穩(wěn)壓時(shí)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(dòng)影響之下經(jīng)過一段時(shí)間大量微破裂的發(fā)生之后逐漸達(dá)到了一個(gè)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(hào)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(gè)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(kuò)展新生成的表面積有正比關(guān)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(shì)。裂紋數(shù)量及面積的增加必然會(huì)提高巖石的滲透系數(shù)從而影響地表水滲入量,9號(hào)空區(qū)頂板滲水量的增加驗(yàn)證了以上微震監(jiān)測(cè)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(shí)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(dòng)有密切的關(guān)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(dòng)中動(dòng)態(tài)變化的應(yīng)力場(chǎng)來(lái)解釋和分析圍巖內(nèi)部微震活動(dòng)規(guī)律。4力學(xué)模型的構(gòu)建和適應(yīng)性場(chǎng)的分析運(yùn)用有限元軟件ANSYS建立研究區(qū)域力學(xué)模型,并進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算,得到礦山不同生產(chǎn)階段中圍巖的應(yīng)力場(chǎng)分布。4.1計(jì)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(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算,模型寬200m,高向自-130m到地表標(biāo)高,用以計(jì)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(dòng)引起的應(yīng)力場(chǎng)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(shè)為0。巖體物理力學(xué)參數(shù)見表2。4.2采場(chǎng)頂板剪應(yīng)力量對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響圖6(a)為9號(hào)空區(qū)形成后的剪應(yīng)力云圖,可以看出9號(hào)空區(qū)的存在使原巖應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生了重分布,邊角和拐彎處出現(xiàn)應(yīng)力集中,最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在采場(chǎng)底板附近,其值為2.39MPa。由于采場(chǎng)頂板的剪應(yīng)力區(qū)延伸至地表,所以9號(hào)空區(qū)的形成對(duì)露天邊坡的穩(wěn)定性也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。如圖6(b)所示,16號(hào)空區(qū)的形成使該空區(qū)圍巖的應(yīng)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(yīng)力集中。同時(shí)降低了9號(hào)空區(qū)頂板與露天坡腳之間巖體的應(yīng)力集中程度。圖6(c)第1階段內(nèi)排后的剪應(yīng)力云圖表明在內(nèi)排荷載的作用下,9號(hào)空區(qū)頂板與露天坡腳之間的圍巖應(yīng)力明顯增加。由現(xiàn)場(chǎng)資料可知,第1階段內(nèi)排量較小,上覆荷載少量增加導(dǎo)致巖體內(nèi)部應(yīng)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(dòng)應(yīng)力場(chǎng)及微震行為與圍巖穩(wěn)定性關(guān)系分析比較應(yīng)力云圖6(a),(b)可以發(fā)現(xiàn),16號(hào)空區(qū)形成前后,應(yīng)力變化最劇烈的是16號(hào)空區(qū)周圍的區(qū)域,尤其是該空區(qū)的頂板和側(cè)壁。對(duì)比微震事件分布圖5(a),可以看出16號(hào)空區(qū)形成過程中,微震事件大多分布在16號(hào)空區(qū)的頂板和側(cè)壁附近,即應(yīng)力場(chǎng)變化較為劇烈的區(qū)域。而應(yīng)力場(chǎng)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(yīng)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(dòng)逐漸趨于平靜,空區(qū)圍巖又恢復(fù)到了比較穩(wěn)定的狀態(tài)。比較應(yīng)力云圖6(b),(c),第1階段內(nèi)排荷載導(dǎo)致9號(hào)空區(qū)頂板與露天坡腳之間巖體所受應(yīng)力明顯增大。如圖5(b)所示,該時(shí)間段內(nèi)的微震事件主要集中在應(yīng)力變化較大的空區(qū)頂板及坡腳附近。9號(hào)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(yán)重的階段,與該處高能量微震事件大量聚集的監(jiān)測(cè)結(jié)果十分吻合。說明通過對(duì)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(shì),可以將微震釋放能量及事件密度作為評(píng)價(jià)巖體穩(wěn)定性的指標(biāo)。綜合以上對(duì)不同采礦活動(dòng)中應(yīng)力場(chǎng)、微震活動(dòng)規(guī)律與圍巖穩(wěn)定性的分析可以發(fā)現(xiàn):應(yīng)力狀態(tài)的改變會(huì)誘發(fā)巖體內(nèi)部微破裂(微震活動(dòng)性)的產(chǎn)生,應(yīng)力集中會(huì)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(yīng)力場(chǎng)發(fā)生了劇烈的變化,也說明巖體內(nèi)部破壞嚴(yán)重,穩(wěn)定性較低?；谝陨蠈?duì)應(yīng)力場(chǎng)、微震活動(dòng)性及圍巖穩(wěn)定性之間關(guān)系的認(rèn)識(shí),可以根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算下一階段采礦活動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)分布預(yù)測(cè)未來(lái)可能發(fā)生微破裂聚集和巖體失穩(wěn)的潛在危險(xiǎn)區(qū)域。如圖7(a)所示,如果露天坑繼續(xù)內(nèi)排會(huì)降低邊坡及坡腳處的剪應(yīng)力,對(duì)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(hào)空區(qū)與坡腳之間的巖體所受應(yīng)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(dǎo)致該處巖體質(zhì)量下降,應(yīng)力的劇烈變化會(huì)引起巖體內(nèi)部原有裂縫的擴(kuò)展甚至貫通,增加巖體發(fā)生失穩(wěn)破壞的危險(xiǎn)性。為了保證9號(hào)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(hào)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(shí)時(shí)反映應(yīng)力場(chǎng)分布及巖體內(nèi)部狀態(tài)的變化,建立以應(yīng)力場(chǎng)為背景的微震活動(dòng)規(guī)律分析方法,可以為巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)因巖體失穩(wěn)破壞導(dǎo)致的地質(zhì)災(zāi)害研究提供一種新的手段。(2)基于采礦活動(dòng)中不斷變化的應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行微震活動(dòng)規(guī)律和圍巖穩(wěn)定性的動(dòng)態(tài)分析,不僅使