基于PHASE數(shù)值模擬礦山開采過程的地壓監(jiān)測系統(tǒng)構建及應用研究

蔡永順，蔣合國，沐興旺，張 賢，袁子清

(1.礦冶科技集團有限公司，北京 100160；2.國家金屬礦綠色開采國際聯(lián)合研究中心，北京 102628；3.彝良馳宏礦業(yè)有限公司，云南 昭通 657600)；4.馳宏科技工程股份有限公司，云南 曲靖 655000)

目前國內礦山淺部資源日益枯竭，礦山開采逐漸向深部延伸，深部采礦將面臨高應力、大變形等地壓問題，這些問題是造成深部開采動力災害的主要原因[1-3]。因此，開展深部礦山開采過程中地壓活動規(guī)律的監(jiān)測與研究是非常必要的。許多學者在礦山地壓災害監(jiān)測與防控方面開展了大量研究，并取得了一定成果[4-7]。但是目前地壓監(jiān)測系統(tǒng)在建設過程中，存在著監(jiān)測點布置隨意性較大、監(jiān)測重點不突出等一系列問題，主要原因是在地壓監(jiān)測方案設計之前沒有事先分析井下開采過程中的地壓活動變化規(guī)律，導致地壓監(jiān)測系統(tǒng)建設缺乏針對性，監(jiān)測效果不太理想。針對該問題，本文以毛坪礦為研究背景，基于礦山開采技術條件與現(xiàn)場地壓活動情況，選取礦山典型地質剖面進行PHASE二維數(shù)值模擬與分析，研究得到了未來深部開采過程中的圍巖應力分布與變形特征等地壓活動規(guī)律。基于數(shù)據(jù)模擬分析得到的地壓活動規(guī)律，開展了地壓監(jiān)測方案優(yōu)化設計，并建立了地壓監(jiān)測系統(tǒng)。通過地壓監(jiān)測與分析，得到了礦山動態(tài)開采過程中圍巖的微震時空演化規(guī)律及變形破壞特征，為下一步的地壓災害防控提供了技術依據(jù)。

1 礦山概況

毛坪礦礦體賦存于石門坎背斜傾伏端西翼石炭系、泥盆系層間裂隙中，礦區(qū)構造破碎發(fā)育。毛坪礦共有河東、河西2個區(qū)域，目前的生產坑口位于河東礦區(qū)，河西礦區(qū)主要進行找探礦和空區(qū)治理工作。河東礦區(qū)共分Ⅰ#、Ⅱ#、Ⅲ#礦體，其中Ⅰ#為主礦體，下分Ⅰ-6#～Ⅰ-15#礦體，礦體賦存標高900～-20 m。頂?shù)装鍑鷰r多為淺灰色中厚層狀細-粗晶白云巖，巖性比較單一。礦區(qū)水文地質條件復雜，為水文地質條件復雜型的巖溶裂隙水直接充水礦床。地下水系統(tǒng)結構復雜，主要充水水層為石炭系和泥盆系碳酸鹽巖裂隙含水層，富水性、透水性中等-弱，補給條件好，且具較高水壓，深部實測最大涌水壓力達2 MPa。同時，經(jīng)現(xiàn)場實測，最大主應力方向近乎水平，在610 m中段測試最大主應力約為15 MPa，在深部430 m及以下中段，地應力呈明顯增強趨勢。

目前，礦山采用下向水平分層(六邊形與矩形)進路膠結充填采礦法進行開采。在開采過程中，670 m以下深部巷道變形破壞的情況相對較多，地壓顯現(xiàn)主要為巷道局部或大面積的變形、底鼓及垮落等，該類災害主要發(fā)生在C11地層，主要受巖性、結構面及構造控制，尤其在490、430、370 m等深部中段表現(xiàn)明顯。經(jīng)現(xiàn)場調查分析，巷道兩幫擠壓變形(圖1)與底鼓變形(圖2)現(xiàn)象主要受地應力影響，主要發(fā)生在與地應力方向垂直的巷道段；而全斷面變形破壞的現(xiàn)象則主要受巖性與結構面控制，主要分布在Ⅱ#礦體。

圖1 巷道擠壓變形Fig.1 Roadway compression deformation

圖2 運輸巷道底鼓變形Fig.2 Transport roadway floor heave deformation

2 PHASE數(shù)值模擬分析

2.1 模型的建立

考慮到礦體走向長近2 km且數(shù)量較多，若采用整體三維數(shù)值計算，則計算機性能無法滿足而不能開展。鑒于當前及未來礦山主要開采的礦體為Ⅰ#礦體下的Ⅰ-6#、Ⅰ-8#及Ⅰ-14#礦體，且這些礦體賦存標高覆蓋900～-100 m，因此本數(shù)值模擬分析選擇96線剖面進行二維數(shù)值建模分析。該地質剖面同時包括了上述3個礦體，具有很好的代表性，旨在掌握其動態(tài)開采過程中的圍巖變形破壞特征及地壓演化規(guī)律，為下一步的地壓監(jiān)測系統(tǒng)建設提供參考。

研究采用PHASE2 6.0軟件進行數(shù)值計算，使用其內嵌的Mohr-Coulomb模塊，計算過程中考慮了巖體重力作用和構造應力的影響。計算過程中，計算模型頂面設為自由邊界，模型底部與兩側設為單向固定約束邊界，模擬步驟為：先采用CAD圈出計算輪廓，然后將其導入PHASE2 6.0軟件中，進行相應的參數(shù)設置、地應力場施加。模型寬度為1 000 m，覆蓋了-100 m以上的所有地層和礦體，上部自然地表邊界。模型共有11 402個單元、5 831個節(jié)點。模型具體參數(shù)如表1所示，工程地質力學模型如圖3所示。

表1 計算采用的地層巖體物理力學參數(shù)

1—石炭系下統(tǒng)灰、頁巖組第三段；2—石炭系下統(tǒng)灰、頁巖組第二段；3—石炭系下統(tǒng)萬壽山組；4—泥盆系上統(tǒng)宰格組第三段第三亞段；5—泥盆系上統(tǒng)宰格組第三段第二亞段；6—泥盆系上統(tǒng)宰格組第三段第一亞段圖3 工程地質力學模型Fig.3 Engineering geomechanical model

2.2 模擬結果分析

2.2.1 應力場分析

如圖4所示，為了解整體開挖充填完成后的整體應力變化情況，提取了整體開挖完畢后的最大主應力分布圖。從圖4可以看出，開采引起的應力場的明顯變化主要集中在含礦地層宰格組第三段第二亞段中(圖3中的5)，也就是礦體賦存的地層，是采動誘導應力顯現(xiàn)最為明顯的區(qū)段，隨著開采的深入，應力集中逐漸往深部轉移，且呈不斷增大趨勢。此外，從圖4還可以看出，應力集中最為明顯的區(qū)域基本均發(fā)生在上下不同礦體之間的天然隔離礦柱區(qū)域，這些區(qū)域將是開采過程中典型的孕震區(qū)，地壓監(jiān)測及實際生產中應予以重點關注。

圖4 整體開挖完畢后的最大主應力分布圖Fig.4 Maximum principal stress distribution diagram after overall excavation

2.2.2 變形場分析

如圖5所示，為了解整體開挖后上盤圍巖的變形情況，提取了整體開挖完畢后的整體位移矢量分布圖。從圖5可以看出(圖中箭頭方向)，Ⅰ-8#礦體的上盤圍巖變形最為集中，變形方向為上盤圍巖上向45°方向，上盤頂板容易發(fā)生較大的拉伸破壞，而下盤圍巖則主要以水平位移為主，未來下盤巷道圍巖在水平應力作用下，在較為軟弱地層有發(fā)生底鼓破壞的風險。

圖5 整體開挖完畢后的位移矢量分布圖Fig.5 Displacement vector distribution diagram after overall excavation

3 地壓監(jiān)測系統(tǒng)的建立

3.1 地壓監(jiān)測技術選擇

常用的地壓監(jiān)測手段主要有應力、位移、聲發(fā)射、微震等，其中應力、位移及聲發(fā)射監(jiān)測的范圍較小，但精度較高；微震監(jiān)測可以實現(xiàn)對巖體的大范圍、非接觸、實時監(jiān)測與預警，已經(jīng)被廣泛應用于礦山、隧道等巖體工程中[8-12]。通過對巖體破裂信號進行定位反演計算，進而獲得巖體內部微破裂的時空演化過程。對該礦山而言，采用微震及應力位移相結合的綜合監(jiān)測技術，宏觀上通過微震監(jiān)測掌握礦山整體地壓活動規(guī)律，圈定地壓危險區(qū)域，微觀上通過應力位移監(jiān)測實現(xiàn)對地壓危險區(qū)域的高精度監(jiān)測與預警，從而為礦山地壓防控、采礦參數(shù)及支護方案優(yōu)化等提供技術支撐。

3.2 地壓監(jiān)測系統(tǒng)的建立

基于PHASE數(shù)值模擬的應力場和變形場分析結果，同時結合礦山目前實際生產及巷道開拓情況，在河東礦區(qū)670、610、490、430 m中段及河西礦區(qū)670、610 m中段建立了36通道世界先進的IMS微震監(jiān)測系統(tǒng)10通道基康應力位移監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以覆蓋河東礦區(qū)深部開采區(qū)域，同時兼顧了河西礦區(qū)的探礦和空區(qū)治理區(qū)域。微震監(jiān)測點布置如圖6所示，應力位移監(jiān)測點基于微震監(jiān)測分析結果動態(tài)調整。如圖7所示，通過微震監(jiān)測系統(tǒng)臺網(wǎng)分析可知，監(jiān)測臺網(wǎng)內河東和河西礦區(qū)的系統(tǒng)空間定位誤差均在10 m左右，系統(tǒng)靈敏度可監(jiān)測到-2.4矩震級的微震事件，可以滿足礦山安全監(jiān)測的需求。

圖6 微震監(jiān)測點空間布置圖Fig.6 Space layout of microseism monitoring points

圖7 微震監(jiān)測系統(tǒng)臺網(wǎng)分析Fig.7 Microseism monitoring system network analysis

4 基于微震監(jiān)測的Ⅰ#礦帶地壓活動分析

4.1 微震事件時空演化特征

由于目前礦山主要開采的為Ⅰ-6#、Ⅰ-8#及Ⅰ-14#等Ⅰ#礦帶的礦體，因此本次主要對Ⅰ#礦帶的地壓活動進行重點分析。

如圖8所示，從每月微震事件變化規(guī)律可知，2020年10月—2021年1月平均每月約有170個微震事件，2021年2月由于現(xiàn)場施工導致光纜中斷只監(jiān)測到79個微震事件。從每小時微震事件變化規(guī)律可知，該期間微震事件在11：00～15：00、18：00～20：00發(fā)生的數(shù)量較多，但矩震級總體上都小于-2.0，總體矩震級較小。綜上可知，正常生產情況下，Ⅰ#礦帶的地壓活動較為穩(wěn)定，每月微震事件個數(shù)在150～200。若微震事件數(shù)量超過200且大幅增加時，需要重點關注地壓變化情況。

圖8 微震事件時間分布特征Fig.8 Microseismic events time distribution characteristics

如圖9所示，2020年10月—2021年2月Ⅰ#礦帶區(qū)域的微震事件在平面上主要集中分布在94#～102#線之間，高程上，主要集中分布在550～700 m。由于矩震級總體較小，因此微震事件多為巖體內部微破裂。

圖9 微震事件空間分布特征Fig.9 Microseismic events spatial distribution characteristics

4.2 基于微震事件的變形特征分析

圖10為基于2021年2月份微震事件計算得到的微震變形云圖，從圖10中可以看出，Ⅰ#礦體96#～98#線附近圍巖變形較大，約2.2 mm，該區(qū)域位于斷層交叉處，尤其是礦體與圍巖交接處以及礦體之間夾層圍巖更易發(fā)生較大的變形。如圖11所示，經(jīng)一段時間的現(xiàn)場勘察，2021年3月23日在該區(qū)域附近的5#進路發(fā)生了局部垮落，后續(xù)增加了對該區(qū)域的應力位移等點監(jiān)測，并加強了對該區(qū)域的支護強度。

圖10 微震變形云圖Fig.10 Microseismic deformation diagram

圖11 巖體跨落情況Fig.11 Rock falls

綜上所述，基于微震事件的變形特征分析不僅可以真實反映巖體內部的變形破壞情況，還可以作為巖體局部破壞的前兆起到預警作用，同時還為后續(xù)應力位移等點監(jiān)測方案設計、支護方案優(yōu)化等地壓災害防控提供了技術支撐。

5 結論

1)通過PHASE軟件對礦山生產過程進行數(shù)值模擬與分析，得到了不同礦體之間的天然隔離礦柱是應力集中最為明顯的區(qū)域，且?guī)r層移動以上盤上向45°方向的移動變形最大等地壓活動規(guī)律，為礦山地壓監(jiān)測系統(tǒng)的建設提供了參考，提高了地壓監(jiān)測系統(tǒng)建設的針對性。

2)基于PHASE模擬分析結果及礦山開采技術條件，開展了地壓監(jiān)測方案設計并建立了地壓監(jiān)測系統(tǒng)，通過地壓監(jiān)測與分析，得到了礦山動態(tài)開采過程中圍巖的微震時空演化規(guī)律及變形破壞特征，掌握了礦山地壓活動規(guī)律。

3)基于微震事件的變形特征分析不僅可以真實反映巖體內部的變形破壞情況，還可以作為巖體局部破壞的前兆起到預警作用，同時還為后續(xù)應力位移等點監(jiān)測方案設計、支護方案優(yōu)化等地壓災害防控提供了技術支撐。