深部磷礦山安全開采地壓監測與時空演化特征分析

李邵軍，豐光亮，瞿定軍，鄭民總，陳 翔，朱宗俊

(1.中國科學院武漢巖土力學研究所巖土力學與工程國家重點實驗室，湖北 武漢430071；2.湖北宜化集團礦業有限責任公司，湖北 宜昌 443000；3.湖北杉樹埡礦業有限公司，湖北 宜昌 443100)

我國既是磷礦生產大國，又是磷礦消費大國[1]。近年來，隨著我國磷肥產業的迅速發展，磷礦資源被大量消耗，合理利用和保護磷礦資源刻不容緩[2]。為了提高磷礦山資源開采效率，地下磷礦的開采規模和開采深度逐漸增加，深部礦產資源開發所面臨的由巖體開挖誘發的地質災害問題愈發突出[3]。礦山大范圍采空區以及地應力增加引起的頂板冒落、礦柱變形、沖擊地壓等災害問題日益顯著，給磷礦山安全和綠色開采帶來了嚴重的安全隱患。

在礦山開采過程中，關鍵問題之一就是合理控制圍巖地壓，監測不同尺度的地壓活動，以防止大規模的地壓災害，達到順利開采的目標[4-5]。為了研究礦山開采過程中地壓的活動規律，研究人員采用了包括室內試驗、模型試驗[6-7]、數值模擬[8-9]、現場監測[10-11]等在內的多種手段，研究了不同地質構造、不同開采方式下地壓的顯現特性。原位監測能夠實時監測礦床開采引起的圍巖地壓變化，可以為礦山地壓研究提供有效的第一手數據資料。由于礦山開采面臨復雜的力學環境，地壓顯現也變得復雜，單一的地壓監測手段已經很難滿足深部礦山開采中地壓監測的要求，因此在礦山開采中常采用多種技術對地壓進行聯合監測。常用的礦山地壓監測手段可以分為大尺度區域監測和小尺度局部監測。其中，局部監測主要包括應力、應變和位移監測等[12-15]；區域監測主要為微震監測[16-17]。

經過多年來的系統研究，在礦山地壓監測技術與控制理論方面已經形成了許多重要成果，也積累了豐富的工程經驗，但未見針對地下磷礦山深部開采地壓監測與分析的系統性研究報道，缺乏解決地下磷礦山深部開采所面臨的地壓安全問題的理論與方法。鑒于此，本文以湖北杉樹埡地下磷礦山深部開采地壓為研究對象，通過建立磷礦山地壓應力-微震原位綜合監測系統，開展了磷礦山地壓監測及分析技術研究，并結合數值模擬計算，研究了深部磷礦山開采過程中地壓的顯現規律及空間演化特征，以為杉樹埡磷礦持續高效安全開采以及我國深部資源的安全開發提供參考。

1 工程概況

杉樹埡磷礦區西部礦段位于我國湖北省宜昌市西北部，屬夷陵區樟村坪鎮管轄。礦區的地理坐標為東經111°08′37″～111°10′59″、北緯31°20′36″～31°22′43″。礦區內山脈水系呈北東向展布，中部凸起，北西與南東邊緣為谷地，山高谷深，地形陡峻，最高海拔標高為1 539.0 m，最低海拔標高為805.4 m，相對高差一般為400～500 m，屬中山地貌類型。

礦區具有工業開采價值的兩個磷礦層礦體埋深最大可達750 m，磷礦區礦層及圍巖以堅硬-半堅硬巖類為主，地層傾角平緩，一般在4°～12°左右，總體為一傾向北東的單斜構造,局部受斷層的影響，地層產狀起伏。區內以斷裂構造為主，查明斷層共有15條，褶皺不發育，斷層按照其展布方向可劃分為北東向、北西向、近東西向，其中北西向斷裂相對較發育，主要分布在礦段中部及北部，嚴重影響礦體連續性，北東向和近東西向兩組斷層發育規模較小，主要分布在礦段北西邊緣及南緣，對礦體連續性的破壞較小。該磷礦山采用普通盤區房柱法以及單一通道混合運輸分層開采法進行開采，采用自然崩落充填采空區的方法管理頂板。

隨著礦層埋藏越來越深、斷面尺寸越來越大以及礦山采空區面積不斷增大，出現了頂板冒落、礦柱變形等一系列破壞現象(見圖1)，嚴重危害了作業人員及設備的安全。隨著杉樹埡磷礦逐漸轉入深部開采，地壓災害顯現，成為新的安全管理難點，亟需對杉樹埡磷礦山地壓災害開展深入研究。為此，2021年初中國科學院武漢巖土力學研究所研究人員前往該礦區開展了地下磷礦山深部開采地壓監測與分析，包括地壓應力-微震原位綜合監測、數值計算分析等，通過優化開采設計以規避地壓風險區域，從而保障作業人員及設備的安全。

圖1 杉樹埡磷礦山地壓災害Fig.1 Ground pressure disaster of the underground phosphate mine of Shanshuya

2 地壓應力-微震原位綜合監測

2. 1 地壓應力監測系統及其布置

地壓應力監測系統主要由光纖光柵空心包體應力傳感器和波長解調儀組成。測試時，將光纖光柵空心包體應力傳感器安裝進鉆孔中，注入耦合劑將傳感器與圍巖耦合。單孔多點分布式測量時，傳感器之間采用剛性連接桿連接，單管快速接續，長度可調，確保所有傳感器初始角度一致，傳感器一端光纖接波長解調儀。光纖光柵空心包體應力傳感器是地壓應力監測系統中最重要的部分，由9個光纖光柵空心包體應力傳感器和1個溫度傳感器串接組成，通過在空心環氧樹脂圓筒中部表面布置測環來測量不同方位的應變，每個測環上均布有3個測點，每個測點上有3個應力傳感器，3個應力傳感器的方向與圓筒軸線分別呈0°、45°和90°。將每個光纖粘貼在預制凹槽的環氧樹脂薄筒上后，再澆筑一層薄的環氧樹脂層，最終制成一個應力傳感器，如圖2所示。該應力傳感器具備防水抗壓能力，感應面采用專用涂料涂覆，其他部位采用膠水填充。單支應力傳感器的光纜出纖采用TPU材質外徑3.0 mm鎧裝光纜，尾部有FC/APC接頭，中間無接續點，無需現場熔接。

圖2 光纖光柵空心包體應力傳感器示意圖Fig.2 Diagram of FBG hollow inclusion stress sensor

杉樹埡磷礦山變形破壞主要有頂板冒落、板狀冒落和礦柱變形等，因此為了監測頂板及礦柱圍巖的地壓應力活動規律，在杉樹埡磷礦303Q1采區共布置4個監測鉆孔，包括2個水平鉆孔和2個豎直鉆孔，并在監測鉆孔內安裝了6個光纖光柵空心包體應力傳感器作為6個地壓應力測點，用于監測303Q1采區開采過程中礦山頂板及礦柱圍巖內部三維擾動應力的變化情況。監測鉆孔位置和監測鉆孔內地壓應力測點信息見圖3和表1，圍巖擾動應力監測數據通過現場光纖實時傳送至礦下監控中心，并通過網絡實現遠程監控。

圖3 杉樹埡磷礦303Q1采區圍巖擾動應力監測鉆孔 位置平面圖Fig.3 Plan of disturbance stress monitoring drill holes in 303Q1 mining area of Shashuya phosphate mine

表1 監測鉆孔內地壓應力測點信息

2. 2 地壓微震監測系統及其布置

地壓顯現之前在地壓區域會出現一系列巖體破裂信息，地壓微震監測技術利用在空間上不同方位布設的地壓微震傳感器，可實時感知這些巖體破裂信息，并通過對這些巖體破裂信息的分析，可提前預警地壓風險。針對杉樹埡磷礦303Q1采區，于2021年引入地壓微震監測系統。該系統的硬件部分主要由微震傳感器、網絡模擬數字轉換器、網絡地震處理器、網絡通訊系統、微震監測服務器和智能不間斷電源等組成；該系統的軟件部分主要由系統運行控制軟件Synapse、數據處理分析軟件Trace、數據三維可視化及解譯軟件Vantage和微震事件三維實時顯示軟件Ticker 3D組成。

本套地壓微震監測系統主體上由地面監控中心、礦下監控中心、數據處理分析決策中心3部分組成，并通過互聯網與決策部門形成信息互動。該礦區地壓微震傳感器的空間布置見圖4，針對杉樹埡磷礦區現場實際情況，遵從地壓微震傳感器布置的基本原則，從南向北依次布置7個地壓微震傳感器，形成空間梯度，地壓微震傳感器空間陣列包圍近期開采區域。本次監測所用的地區微震傳感器為自主研發的高精度、高靈敏度、速度型的微震傳感器，頻寬為10～2 000 Hz，靈敏度達到100 V/(m·s)。

圖4 杉樹埡磷礦區地壓微震傳感器空間布置圖Fig.4 Spatial arrangement diagram of ground pressure microseismic sensors in Shanshuya phosphate mine

礦下地壓微震監控站布置在303Q1采區，地壓微震監測數據及圍巖擾動應力監測數據通過現場光纖實時傳送至工區的地面監控中心。將現場地壓微震監測結果與技術人員實時分析結果傳輸到相關專家辦公室，以便相關人員及時了解現場地壓微震活動情況，并根據監測結果及時對現場情況進行決策、指揮與管理。地面監控中心包含兩個分析中心，一個設立在工程現場，負責應力-微震數據的系統分析、現場地質勘察與地壓災害分析；另一個設立在中國科學院武漢巖土力學研究所，負責理論研究、數據的進一步分析以及數值模擬和地壓預警綜合決策。兩個分析中心統籌協作，充分利用各自的專業經驗和特色，共同完成杉樹埡磷礦區地壓監測與分析工作。

2. 3 監測數據處理

井下每日施工會產生各種各樣的典型地壓微震監測波形，大量的地壓微震監測波形處理不僅工作量大、耗時長，更重要的是影響對圍巖穩定性的分析與判斷，因此對各種波形進行識別判斷，準確識別巖石破裂的真實波形十分必要。井下工作環境復雜，施工產生的各種地壓微震監測波形種類繁多(見圖5)，大致可分為：①爆破波形，井下爆破多為微差爆破，爆破波形信號明顯特征為多峰值疊加，這些噪音信號與圍巖破裂產生的微震信號相比具有較為明顯的差異特征；②機械鑿巖波形，錨桿鉆機鑿巖信號為斷續型信號，整體持續時間較長，但單個信號持續時間較短，主要為錨桿鉆機沖擊鑿巖產生；③電信號干擾波形，其波動規律不明顯，部分振幅較低；④巖石破裂波形，其波形成分單一，振幅在幾十到幾百毫伏，衰減過程中尾波較發育。采用小波-神經網絡多指標噪聲綜合濾除方法對監測到的信號進行濾波處理，剔除噪音信號，獲取巖體破裂信號。提取巖體破裂信號波形時，利用粒子群全局搜索技術獲取其震源位置及發震時間[18]。

圖5 典型的地壓微震監測波形Fig.5 Typical microseismic monitoring waveform of ground pressure

本文所用到的主要應力和地壓微震監測相關參數介紹如下：

(1) 圍巖應力擾動度。巖體工程中通常采用主應力大小和方向表征應力，在隧洞開挖過程中，圍巖主應力大小和方向都會發生變化，引入張量間距離的概念建立圍巖應力擾動度指標，用來定量描述圍巖應力擾動程度。歐幾里得距離也稱歐氏距離，在n維空間內，兩點間最短的線段的長度即為其歐氏距離。對于兩個標量x1和x2，它們之間的歐幾里得距離即為差值的絕對值：

d(x1,x2)=|x1-x2|

(1)

張量間的歐幾里得距離的計算公式為

(2)

其中，‖·‖F代表F范數，其計算式為

(3)

式中:tr(·)為矩陣的跡。

圍巖應力發生改變，應力張量由Sa變為Sb。在同一個坐標系下，圍巖擾動應力變化ΔS為

(4)

根據式(2)與(3)，定義圍巖應力分量空間內Sa到Sb的張量距離為圍巖應力擾動度(Stress Disturbed Index，SDI)：

(5)

(2) 微震釋放能。巖體發生破裂時儲存在巖體中的一部分應變能以應力波的形式釋放，應力波攜帶的這部分能量稱為微震釋放能。在時間域上，微震釋放能與經過遠場速度脈沖時間函數的平方值矯正后的微震波形在時間段[0,ts]上的積分成正比，即：

(6)

(3) 震級。微震事件的量級常引用描述地震量級的震級來表征，由于不同國家有不同的地震研究歷史和震級計算公式，目前有多種不同的震級標度。本文采用的是局部震級，其同時考慮了微震釋放能和地震矩，局部震級的計算公式如下：

mL=0.344lgE+0.516lgM0-6.572

(7)

式中：mL為局部震級;E為微震釋放能(J);M0為地震矩。

3 地壓分析與預警

3. 1 圍巖擾動應力監測結果與分析

杉樹埡磷礦山監測區域開采過程中圍巖主應力測試結果及圍巖應力擾動度，見圖6。

圖6 杉樹埡磷礦山監測區域開采過程中圍巖主應力 測試結果及圍巖應力擾動度Fig.6 Testing results of principal stress and SDI of surrounding rock during exploitation process in monitoring area of the phosphate mine of Shashuya

由圖6(a)、(b)、(c)可見：礦區監測區域開采過程中各測點位置處圍巖的最小主應力增加約2～4 MPa(壓應力以負值表示)，中間主應力增加約4～8 MPa，最大主應力增加約4～10 MPa；各測點位置處圍巖最大主應力與最小主應力的差值增大，圍巖產生破壞的傾向隨時間增大；測試開始階段，各測點位置處圍巖主應力變化的差異不大，在長期監測的3個測點中，水平4#鉆孔的兩個測點(3#、4#測點)位置處圍巖最大主應力的變化基本一致，其變化幅度大于豎直2#鉆孔內5#測點的最大主應力變化；其余3個測點中，水平鉆孔內測點位置處圍巖最大主應力的變化幅度也大于同時期豎直鉆孔內測點；由各個測點位置處圍巖正應力與主應力的對比結果發現，各測點處圍巖主應力變化最大的方向為NS或豎直方向，變化較小的方向為EW向，由此推測原巖最大主應力方向為近NS向，最小主應力方向為近EW向，最大主應力以豎直自重應力為主，這可為礦區初始地應力方向判斷提供參考。

由圖6(d)可見：水平4#鉆孔內的兩個測點(3#、4#測點)位置處圍巖應力擾動程度基本一致，變化幅度最大；水平1#鉆孔內的2#測點位置處圍巖受開采擾動的影響大于1#測點，表明圍巖深部承載力更大；受開采擾動的影響，豎直2#鉆孔內5#測點位置處圍巖應力擾動出現兩次下降，表明圍巖應力卸荷，豎直4#鉆孔內6#測點位置處距離開采面較遠，因此圍巖應力變化較小。總體來看，鉆孔內各測點圍巖SDI值前期呈線性增加，隨著時間的增加，其變化幅度降低，代表圍巖應力調整變慢；在圍巖應力調整過程中，除了豎直2#鉆孔內5#測點外，其余測點未發現顯著的圍巖應力突增或突降，代表圍巖內部應力變化并不劇烈，但圍巖應力仍持續增加，尚未完全進入穩定狀態。

3. 2 地壓微震監測結果與分析

杉樹埡磷礦區微震活動略顯活躍，其中2021年5月1日—7月9日期間微震活動空間分布見圖7。不同顏色代表不同震級大小的微震事件；球體大小代表微震釋放的能量大小，球體越大微震釋放的能量越大；累計出現微震事件數為2 300余個。

圖7 杉樹埡磷礦區微震活動空間分布圖(2021年 5月1日—7月9日)Fig.7 Spatial distribution of microseismicity in the phosphate mine of Shashuya(May 1-July 9, 2021)

由圖7可知：該礦區上層巖體微震活動性高于開采層及下層，故地壓控制應以上層巖體為重點。現場巖體地壓破壞統計結果顯示，礦區巖體破壞集中分布于上層及開采層，下層巖體未見高應力破壞現象。

2021年5月1日—7月9日期間杉樹埡磷礦區微震事件數和微震釋放能隨時間的演化特征，見圖8。

圖8 杉樹埡磷礦區微震事件數和微震釋放能隨時間 的演化特征(2021年5月1日—7月9日)Fig.8 Evolution law of microseismic event numbers and their energy with time in the phosphate mine of Shashuya (May 1-July 9,2021)

由圖8可見：該礦區微震事件數和微震釋放能隨時間呈現波動演化，說明地壓風險程度呈現動態變化特征；礦區微震事件數平均每天30個，局部日期微震事件數每天接近100個，整體較為活躍。

2021年5月1日—7月9日期間杉樹埡礦區微震事件釋放能量的頻次分布，見圖9。

圖9 杉樹埡磷礦區微震事件釋放能量的頻次分布圖 (2021年5月1日—7月9日)Fig.9 Frequency distribution chart of microseismic energy in the phosphate mine of Shashuya(May 1,2021- July 9,2021)

由圖9可見：該礦區微震事件釋放的能量整體水平較低，其釋放能量的對數集中在[-3,0]區間內，微震釋放能的對數lgE<0的比例為90.7%，以小事件為主；存在極少量釋放能量大于103J的微震事件，所占比例不到1%。由上述監測數據可知，目前該礦區整體上高強度地壓的風險較低。

2021年6月1日—6月15日杉樹埡磷礦區微震事件地壓響應空間分布，見圖10。

圖10 杉樹埡磷礦區微震事件地壓響應空間分布圖(2021年6月1日—6月15日)Fig.10 Spatial distribution of ground pressure response of mircoseismic events in the phosphate mine of Shashuya(June 1 -June 15,2021)

由監測信息可知：冒頂破壞發生前，該礦區在發生冒頂破壞的區域密集出現了一系列微震事件，兩者具有較好的空間一致性，而微震事件密集發生，預示潛在的地壓風險；但在發生冒頂破壞區域的微震事件釋放的能量均較小，未出現大能量微震事件，且微震事件的局部震級基本在-3左右，說明冒頂破壞區域巖體內部破裂強度較低，未發生高強度巖體破裂，預示現場破壞程度較低。現場巖體破壞記錄表明，巖體破壞呈逐步剝落發生，破壞面積約為10 m2，巖體破壞深度約為20～30 cm，鋼筋網隨巖體破壞過程發生脫落，鋼筋網破壞后采用了錨網支護。實踐表明，地下磷礦山深部開采地壓微震監測是可行的。

3. 3 地壓數值模擬結果與分析

為了研究杉樹埡磷礦區開采過程中地壓的響應特征，構建了303Q1采區周圍區域考慮山體地形的三維數值計算模型，見圖11。將計算模型劃分為200萬個單元、120萬個節點；3個坐標軸的方位分別為x軸為大地坐標東方向，y軸為大地坐標北方向，z軸為豎直方向；沿x軸和y軸的計算范圍為350 m，豎直方向從海拔600 m到山頂，礦區底板高程為850 m，高3.5 m。

圖11 杉樹埡磷礦區山體三維數值計算模型Fig.11 Three-dimensional numerical calculation model of mountain and mining area in the phosphate mine of Shashuya

地下工程巖體在由開挖前的三向應力狀態向開挖后的二向應力狀態調整過程中，應力集中或卸荷使得圍巖力學狀態劣化并導致其屈服破壞。實際上，在圍巖二次應力調整與損傷破壞的過程中，巖體的基本力學性質發生了明顯的變化。從細觀層面來看，表層圍巖物性參數發生明顯劣化的原因一方面是卸荷作用導致原處于密閉狀態下的巖體細微裂隙趨于張開，另一方面洞壁環向應力的劈裂作用和施工擾動進一步加劇了巖體原有裂隙的擴展和新的裂隙的產生；從宏觀層面來看，可認為是巖體變形模量(E)、黏聚力(c)、內摩擦角(φ)等發生改變的過程。因此，采用劣化本構模型，根據室內單軸及三軸試驗估算該礦區圍巖的變形參數與強度參數，得到礦山圍巖力學參數的具體取值見表2。

表2 杉樹埡磷礦區圍巖力學參數取值

通過三維數值模擬得到2021年4月至2022年4月杉樹埡磷礦區303Q1采區開采前后的地壓應力響應云圖，見圖12。

圖12 杉樹埡磷礦區303Q1采區開采前后的地壓應力響應云圖(2021年4月至2022年4月)Fig.12 Cloud diagram of stress response before and after mining of 303Q1 mining area in the phosphate mine of Shashuya(April,2021-April,2022)

由圖12可以看出：在礦區新形成巷道周圍圍巖的地壓應力由原巖應力變為擾動應力狀態，最大主應力由12～13 MPa增加為20～34 MPa，最小主應力由7 MPa減小為-0.5～4 MPa，由此導致巷道周圍圍巖的最大剪應力達到10～15 MPa，局部拉應力達到0.5～1 MPa。因此，該礦區巷道周圍圍巖可能出現了剪切破壞、拉破壞和拉伸剪切破壞。

杉樹埡磷礦303Q1采區開采前后的圍巖應力擾動度(SDI)云圖，見圖13。

圖13 杉樹埡磷礦區303Q1采區開采前后的圍巖應力 擾動度(SDI)云圖Fig.13 Cloud diagram of SDI before and after mining of 303Q1 mining area in the phosphate mine of Shashuya

由圖13可以看出：從2021年4月至2022年4月，該礦區圍巖應力擾動度SDI值為1～25 MPa，其變化范圍為礦房新開采位置，而在舊的采空區，圍巖應力變化不大，圍巖應力擾動深度約為1～1.5 m，應力擾動往往沿著不利于圍巖穩定的路徑，SDI值大的位置圍巖也容易產生損傷破裂，因此礦房支護深度最少應達到2 m左右。對比三維圍巖擾動應力測試結果，圍巖最大主應力測量結果增加約4～10 MPa，最小主應力增加約2～4 MPa，最大剪應力增加約2～6 MPa，小于數值模擬的結果；而圍巖應力擾動度的變化范圍在8～14 MPa之間，也小于數值模擬結果。

因此，根據綜合測試結果，目前該礦區地壓擾動尚處于安全范圍內。

4 結 論

(1) 開展了地下磷礦山深部開采地壓應力-微震綜合監測，針對湖北杉樹埡地下磷礦山深部開采，在2個水平鉆孔和2個豎直鉆孔中安裝了6個光纖光柵空心包體應力傳感器，在頂板中安裝了7個地壓微震傳感器。傳感器從南至北形成空間梯度，地壓微震傳感器空間陣列包圍近期開采區域，成功地捕獲并識別了地下磷礦山深部開采擾動應力與巖體微破裂信息。

(2) 礦區監測區域開采過程中，圍巖的最大主應力增加約4～10 MPa，主應力變化最大的方向為南北(N/S)或豎直方向，水平鉆孔地壓應力受擾動程度大于豎直鉆孔，圍巖深部承載力更大；隨著開采時間的推移，圍巖擾動應力調整幅度降低但仍持續增加，需持續觀測。

(3) 礦區監測區域微震活動略顯活躍且隨時間呈現波動變化，上層巖體微震活動性高于開采層及下層，微震釋放的能量以小事件為主，微震釋放能量的對數集中在[-3,0]區間內。頂板破壞發生前，在破壞區域密集出現了一系列微震事件，頂板破壞與微震活動兩者具有較好的空間一致性，表明地下磷礦山深部開采地壓微震監測可行。

(4) 開采全過程數值模擬結果表明，在礦區新形成的巷道周圍圍巖的地壓應力由原巖應力變為擾動應力狀態，圍巖的最大主應力由12～13 MPa增加為20～34 MPa；圍巖應力擾動度SDI值的變化范圍為1～25 MPa，圍巖應力擾動深度約為1～1.5 m，故3030Q1采區支護深度最少應達到2 m。三維圍巖擾動應力原位測試結果及圍巖應力擾動度均小于數值模擬結果。