三山島金礦深部采場動力災害監測與分析

杜樹浩，張永亮，楊正松

(1.山東黃金集團有限公司，濟南 250101；2.青島理工大學 安全科學與工程學院，山東 青島 266520；3.礦冶科技集團有限公司，北京 100160)

我國是礦業大國，金屬礦產儲量是我國重要資源，保障金屬礦產資源開采安全顯得尤為重要。隨著礦山開采深度的不斷增加，地壓變化引起的安全事故愈發嚴重，造成人員傷亡和經濟損失[1-2]，精準監測礦山地壓已經成為礦山行業安全技術領域亟待解決的技術問題[3]。目前微震監測技術是金屬礦山深井開采地壓監測分析的重要技術手段[4-6]。近年來，眾多學者在微震監測參數特征[7]、微震監測信號獲取[8]、巖爆預警依據[9]、礦山地壓演化規律分析[10]等方面進行了深入研究，取得了一系列重要成果。針對三山島金礦深部的地壓現狀及現有監測手段的不足，迫切需要對深部地壓活動情況采用合適的手段進行監測監控，從而防范深部采場開采過程中地壓活動造成人員傷害、設備損失、資源浪費和生產中斷等事件的發生。

1 試驗采場地質條件

三山島金礦西山礦區深部礦體主要賦存于主斷層F1下盤的黃鐵絹英巖中，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，形態較復雜，分支復合，粒狀、網脈狀礦化為主。其中-780 m中段地壓活動明顯，選擇在該生產中段1560～1720勘探線之間布置試驗采場，采場標高為-780.4～-764.3 m，采用中深孔空場嗣后充填采礦法，試驗采場剖面如圖1所示。

圖1 試驗采場剖面圖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，采用通過試驗取得的合理巖體參數進行數值計算，模擬其爆破效果，并結合實際生產效果對爆破參數進行優化調整。

有限元方法的迅速發展，已成為解決流體彈塑性計算和爆炸模擬問題的一個重要手段。有限元方法已很好地解決了小變形彈性問題，但在計算爆炸這類問題時卻遇到了不少困難，主要問題在于爆炸沖擊問題往往會產生大變形，而表現出三重非線性：

1)幾何非線性(大變形)；

2)材料非線性(材料本構方程的復雜性)；

3)邊界非線性(炸藥與孔壁形成滑移面)。

本試驗采用ANSYS進行爆破數值模擬，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是一個顯式非線性動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構的高速碰撞、爆炸和模壓等大變形動力響應。程序采用動力松弛技術，可以進行動力分析前的預應力計算或者進行靜力分析。

2.1 爆破模型的構建

2.1.1 爆破數值模型

采用ANSYS AUTODYN自帶建模工具，采用對稱方式布置炮孔，因此計算模型亦可以采用一層炮孔模型模擬整個區域的變化。采用ANSYS Meshing劃分網格，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 邊界條件及求解設置

按實際情況對模型進行邊界條件以及求解控制設置如下：

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)整個物理過程求解時間為75 ms，在此時間段內，爆轟波已完成對巖石的破碎。

2.2 計算結果及評估

1)爆破過程的壓力變化

根據爆破模擬結果，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散到整個巖塊，如圖3所示。

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

2)爆破過程的巖石裂紋擴展

根據爆破模擬結果，每15 ms截取一次爆破過程的巖石裂紋擴展圖，裂紋隨著壓力的擴散規律，也呈扇形分布，如圖4所示。

圖4 巖石裂紋擴展圖Fig.4 Rock crack propagation diagram

3)爆破塊度分布規律

根據數值計算結果，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，以此類推。如圖5所示，模擬結果表明，塊度-150 mm以下約占69%，-250 mm以下占87.82%，塊度效果很好，說明爆破方案合理。在實際生產過程中，為了節約爆破成本，可以適當降低炸藥單耗。

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 采場監測系統

三山島金礦深部開采過程中，采場地壓活動顯現增多，易出現頂板冒頂、片幫等動力災害，為此選擇深部-780 m水平采場，采用局域式微震監測技術針對采場動力災害監測。

3.1 采場監測系統布置

試驗采場沿走向布置，采場寬度7 m，采場長度均為礦體走向長度，采場高度為15 m。該試驗采場周邊巷道掘進過程中，發現該區域圍巖比較破碎，為減少采場暴露面積，同時實現高效采礦，計劃采用中深孔爆破方法，對試驗采場劃分3個區域，順次爆破回采。

針對小尺度的采場級別監測系統，本研究采用供電、采集及存儲一體化模式，與大尺度區域監測系統的區別主要是在通信方式、監測范圍及系統架構等方面。該微震監測系統具有安裝方便、調整靈活、受環境影響因素小等優點，尤其不用擔心開采過程中線纜中斷等影響；同時針對采場附近供電、通風條件不具備的情況下，實現采場動力災害監測。

為充分獲取試驗采場回采時地壓活動情況，結合試驗采場爆破計劃，試驗采場監測總體規劃為2次。試驗采場及周邊顯示的圓圈為傳感器分別布置的情況，如圖6所示。現場傳感器布設位置主要考慮工作面的波速及有效波形主頻，根據現場巷道及距爆破位置的遠近而確定。

圖6 井下-780 m水平微震測點布置圖Fig.6 Microseism measuring point layout of level -780 m

3.2 采場區域監測

試驗采場的第一次微震監測時間為2015年4月5日，現場設備安裝如圖7所示，監測點布設位置1-1、1-2；第二次微震監測時間為2015年7月12日，監測點布設位置為2-1、2-2。傳感器固定在采場及周邊區域巷道的兩幫或頂板。現場安裝時，需結合試驗采場及周邊區域頂板及圍巖的穩定情況，以及爆破飛石的影響，盡量使傳感器靠近試驗采場，但同時保證傳感器的安全運行，能夠正常采集、存儲地壓監測數據(圖8、9)。

圖7 局域式微震監測設備安裝Fig.7 Installation of local microseism monitoring device

圖8 第一次監測周期內波形圖Fig.8 Waveform diagram during the first monitoring period

圖9 第一次監測周期內監測事件累積圖Fig.9 Cumulative map of monitoring events during the first monitoring period

3.3 采場動力災害分析

試驗采場局域式微震監測結果分析顯示，采場內部的采掘活動及井下機車和風機開停等活動都能夠被便攜式微震監測系統識別到。在監測周期內，隨著監測時間的增加，監測事件累積越來越大。第二次監測周期內，恰逢爆破落礦活動的增加，使得監測事件及最大PPV(最大速度峰值)隨之增加。兩次監測事件數量分別為305個、712個，兩次監測到的最大PPV(最大速度峰值)為0.39 mm/s。

監測結果和數據分析顯示：隨著開采范圍的增大、開采活動的增加，監測到的事件數也逐漸增大。說明在開采過程中，圍巖受開采影響而破裂的范圍逐漸增加；監測到的PPV(最大峰值速度)為0.39 mm/s，主要是在試驗采場的采掘過程中產生的，為降低爆破振動對井下采場及附近井巷設施的影響，建議優化爆破作業及方法。同時對本次監測獲取的數據結合定量地震學多種參數融合進行了如下分析：

(1)

N(≥E)=αE-β

(2)

式(1)中，能量指數越大，表示事件發生時震源的驅動應力越大。因此，可通過視體積與能量指數的曲線關系獲取巖體災害發生的前兆特征。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，潛在的安全風險增加。根據兩次監測的數據結果，監測的采場區域內能量和頻率的分布情況如圖10、圖11所示。

圖10 第一次監測區域內微震事件能量-頻率分布圖Fig.10 The first energy-frequency distribution of microseismic events in the monitoring area

圖11 第二次監測區域內微震事件能量-頻率分布圖Fig.11 The second energy-frequency distribution of microseismic events in the monitoring area

通過圖10、圖11中事件能量與頻率分布的關系可以看出，前半部分線性特性并不是很強，而后半部分則近乎為一條直線，其斜率的負數即為冪指數。基本上小事件比大事件數量多，但小事件和大事件的發生都起因于同一種機制。圖中微震能量與事件頻次的關系表明微震能量與其相應的發生頻率之間存在冪律關系，具有自組織臨界狀態的特點。

4 總結

1)采用ANSYS/LS-DYNA軟件，構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散，巖石動態裂紋隨沖擊波壓力耦合擴散，爆破后礦石塊度效果較好，表明中深孔爆破參數和技術方案合理。

2)監測周期內監測區域產生的事件呈現相對聚集的現象，但對應事件的微震能量相對較小且發生頻率忽高忽低，表明整個監測區域內巖體的穩定性比較好，不具有發生大范圍、頻繁的地壓顯現活動特性。

3)經能量-頻率發生時間特征分析，發現監測區域產生的事件主要是受開采后局部應力突變增加導致的。結合微震事件數量與活動性及各事件PPV的分析，整個監測區域存在開采誘發應力急劇增加并釋放的可能較低，但在采場內部短時間內爆破落礦較多的區域存在的安全風險較高。

4)根據監測數據分析采場區域應力呈現相對集中現象，該應力集中現象可能與采場的開采方法及開采順序有關，針對這些區域需注意加強巖爆監測和現場巡查，對危險區域采取安全措施。