深部金屬礦超前序次釋壓機理與調控方法研究進展

趙興東 朱乾坤 代碧波,2 李懷賓

(1.東北大學深部金屬礦采動安全實驗室,遼寧 沈陽 110819;2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室,安徽 馬鞍山 243000;3.安徽理工大學安全科學與工程學院,安徽 淮南 232001)

深部金屬礦開采已經成為金屬礦床開采的重要組成,并且持續向更深處推進。我國開采深度達到或超過千米的礦山已達60 座,未來10 年內,我國三分之一的地下金屬礦山開采深度將達到或超過千米[1-2]。與淺部開采相比,深部開采處于“三高一擾動”工程背景[3],致使在采掘活動中遇到諸多采動地壓災害(諸如層裂、巖爆、冒頂),嚴重制約深部金屬礦安全高效開采。

由于采礦采掘工程是動態過程,采動應力也處于動態變化之中,再加上深部金屬礦所處復雜地質條件,使得深部開采采動地壓災害防控變得日趨復雜和困難。當前,采動地壓調控大多局限于局部地壓調控,取得不少成功實踐。然而隨著深部開采的深入和發展,傳統地壓控制策略變得捉襟見肘,因此需要創新地壓調控理念。趙興東[4]提出基于采動地壓災害風險評估的調控策略、機理及調控方法,建立了采動地壓序次調控理論框架。吳姍等[5]從礦山開發投資價值出發,從戰略與戰術規劃兩個維度探討了深井礦山從整體到局部設計的過程,并重點分析了巖石強度時效性對于開展深井礦山整體規劃的重要意義。于世波等[6]認為深部區域采礦時序是深部地壓管控的戰略方法之一,提出基于數值模擬與微震監測相結合的分析技術來評價深部區域采礦時序地壓調控卸荷效果。

本文首先闡釋了深部金屬礦超前序次釋壓機理及技術體系,從開采前、開采中和開采后三個階段進行采動地壓災害風險評估及序次地壓調控策略,即基本地壓調控與二次地壓調控。然后進一步論述采動地壓災害風險評估方法、基本地壓調控和二次地壓調控相關方法和深部采動地壓監測技術,著重強調礦山尺度數值模擬和微震監測技術及其交互顯示在礦山尺度地壓監測與調控、采動應力分析和采礦順序優化領域的前景。

1 深部金屬礦超前序次釋壓機理與調控方法

對于深部采動地壓研究,需要從礦體賦存空間形態的整體出發,科學、系統地研究礦山開采潛在地壓災害風險,包括地壓災害發生概率及其危害程度,與礦山采動過程應力場動態演化的關聯性,并對礦山地質災害進行系統和定量的分析和評估;依據深部采動地壓災害風險等級,對深部采動地壓進行合理調控,以最大程度降低地壓災害發生頻率和危害程度。所謂采動地壓超前序次調控,依據開采前、開采中和開采后采動地壓災害評估結果,分別采取不同地壓調控策略,消除或降低采動地壓災害等級,超前序次釋壓流程如圖1 所示?；镜貕赫{控是核心,關系到礦山開采全局地壓調控成敗,主要包括采礦方法選擇、回采順序優化和隔離礦柱留設,在開采前即已完成。二次地壓調控是關鍵,在基本地壓調控后,根據采掘工程揭露的礦巖實際情況,進行詳細地壓災害評估,采取合適的地壓調控方法,消除或降低局部高應力區或巖爆災害區危險,主要包括卸壓爆破、錨噴支護和釋能支護,其是在開采中或開采后進行。

圖1 超前序次釋壓流程Fig.1 Technical process of advanced sequential pressure relief

2 深部采動地壓風險評估

2.1 采動地壓災害風險評估基礎資料

對于深部采動地壓災害風險評估,基礎資料搜集大致可分為3 個階段:開采前、開采中和開采后階段,采動地壓風險評估所需基礎資料如圖2 所示。勘探與采礦設計階段完成工程地質、采礦設計,同時還要完成礦巖穩定性評估、采礦順序優化與采動應力分析及地壓災害風險初步評估,優化采礦設計方案、回采順序和開拓工程布置。開采階段完成工程地質資料補充、采空區處理、圍巖變形破壞監測、支護設計與評估、開采期間微震監測等工作和局部地壓災害風險詳細評估,完善局部地壓控制措施。開采后主要進行微震數據、充填體穩定性監測數據及地表沉降數據等資料搜集和采空區地壓風險及對地表和后續開采影響的評估。

圖2 采動地壓風險評估基礎資料Fig.2 Basic data for mining induced ground pressure hazard assessment

2.2 采動地壓災害風險評估方法

深部開采圍巖破壞主要分為結構面控制型和應力驅動型破壞形式。對于不同地壓顯現形式,需要采取相應的地壓控制方法。地壓評估采用地壓災害風險評估定量矩陣。以采場地壓災害風險評估為例,評價流程為:① 工程地質調查,確定巖體特性、應力邊界條件、采場形狀和支護;② 確定潛在的破壞模式及其誘發因素;③ 確定損傷破壞范圍及破壞的概率值;④ 確定采場圍巖失穩造成的經濟損失;⑤ 繪制采場穩定性風險評估定量矩陣。

在分析采場冒落型破壞時,需要統計冒落體積、分布特征,以確定采動地壓災害風險發生概率值。在分析采動應力導致圍巖損傷破壞時,根據二維或三維彈性、彈塑性數值模擬或者經驗方法確定采動應力損傷范圍,根據數值模擬確定破壞概率(PoF)的方法有:點估計方法、響應面法和響應影響因子法。

采動地壓災害風險=PoF×潛在破壞的后果 ,(1)式中,潛在破壞的后果以采動地壓災害造成的損失來計算。則可繪制出相應的地壓災害風險評估定量矩陣,如表1 所示。

表1 采動地壓災害風險評估定量矩陣(改自文獻[7])Table 1 Quantitative matrix of mining induced ground pressure hazard assessment (modified from [7])

依據上述工作流程,完成礦山采動地壓風險評估工作后,即可應用風險評估矩陣對礦山采動地壓災害進行評估,然后將采動地壓災害空間信息可視化,以便在生產實踐中及時采取相應的地壓調控措施。

3 深部金屬礦超前序次釋壓技術體系

3.1 基本地壓調控

3.1.1 采礦方法

地下采礦方法是指從地下礦床的礦塊里采出礦石的過程,通過礦床開拓、礦塊的采準、切割和回采4個步驟實現[8]。地下采礦方法分類繁多,以地壓管理方法為依據,分為礦柱支護采礦法、人工支護采礦法以及無支護采礦法(圖3)。不同采礦方法會在礦體近場和遠場產生不同類型和程度的巖體力學響應[9]。從圖3 可以看出,巖體采動位移與應變能儲能特性呈負相關,無支護采礦法圍巖會產生較大的位移,但圍巖儲存的應變能較低;礦柱支護圍巖會產生較小的位移,但圍巖儲存的應變能較高,極易產生應力驅動型地壓災害,諸如層裂、屈曲、巖爆。對于深部開采金屬礦山,充填采礦法是國內外主流選擇,其原因為:① 改善圍巖受力條件;② 填充結構面,膠結巖體形成完整結構;③ 讓壓作用,減緩采場圍巖地壓釋放和圍巖積聚能量釋放速率[10-11]。當然,采礦方法還受礦體形態、圍巖性質、礦石品位、環保、產能、經濟等因素影響。

圖3 地下采礦方法與采動巖體響應[9]Fig.3 Underground mining methods and response of rock mass[9]

3.1.2 回采順序

地下礦床開采及采空區處理過程中,不同回采順序致使圍巖經受復雜的加卸載過程,進而會導致巖體產生不同類型的力學響應特征,選擇合理的回采順序是控制深部采礦地壓災害的有效途徑之一。設計回采順序核心思想是以壓力拱理論和應力轉移理論為指導,確保開采活動處于低應力區。圖4 所示為開挖順序下采場周邊高應力區演化規律,可以看出采場1開挖后其周邊存在寬度接近采場寬度的卸壓區,采場周邊同時存在一高應力區域;當回采采場5 時,采空區兩側卸壓區寬度基本未變,而頂底板出現大范圍卸壓區;從模擬結果看采空區周邊卸壓區近似呈圓形。目前,常用的深部礦體開采回采順序有盤曲交錯式回采、交錯式回采、金字塔形階梯式回采、倒階梯式回采、不連續走向回采順序和連續回采順序[4]。在礦山回采順序研究方面,工程上比較常用的研究方法主要有:工程類比法(即經驗法)、數值分析法等。在數值分析方面,針對礦山尺度采礦順序優化,大型邊界元軟件(如MAP3D 軟件)具有獨特的優勢,其具有單元個數少、計算速度快、數據準備簡單、建模方便等特點,且相同離散精度下,邊界元法解的精確度優于有限元法[12]。

圖4 采動條件下高應力區演化規律Fig.4 Evolution law of high stress area under mining conditions

3.1.3 隔離礦柱

在深部采礦過程中,每隔一定垂直距離留設一個或多個特定厚度的水平隔離礦層,支撐上下盤圍巖,確?？諈^圍巖整體穩定,防止空區上部發生大規模塌落時對下部采場產生的動力沖擊及次生氣浪對工作人員造成傷害,同時也起到降低采空區圍巖高應力區分布范圍和控制地表沉降的作用[13]。隔離礦柱的留設必須進行嚴格巖石力學計算以確定其合理位置及尺寸。判斷隔離礦柱留設是否合理的依據是:當采動應力作用到該礦柱上時,隔離礦柱不會產生變形、屈服和破壞[4]。隔離礦柱可與采礦順序、采場充填協同應用以增強地壓調控效果。

3.2 二次地壓調控

3.2.1 卸壓爆破

卸壓爆破是金屬礦山地下開采常用的調控高應力分布和防治巖爆災害的措施,與水力壓裂、注水、卸壓孔和CO2相變致裂技術相比,卸壓爆破具有卸壓范圍大、效率高的優點,比較適合金屬礦開采領域。其原理是在高應力巖體內利用爆破產生大范圍爆生裂隙區,使巖體力學參數弱化,并將高應力轉移至鄰近巖體結構。圖5 所示為巷道掘進面卸壓爆破前后垂直應力分布示意圖,可以看出,卸壓爆破后掘進工作面前方垂直應力會顯著降低且峰值應力點向工作面前方深部轉移[14]。Crouch[15]研究了卸壓爆破前后應力和應變條件,并提出卸壓爆破的亞臨界、臨界和超臨界程度(圖6)。

圖5 巷道掘進工作面爆破卸壓應力調控機制[14]Fig.5 Regulation mechanism of destress blasting in the working face[14]

圖6 爆破卸壓程度(改自文獻[15])Fig.6 Degree of destress blasting (Modified from [15])

數值模擬方法是設計或優化卸壓爆破方案的有效手段,其中卸壓爆破后巖體力學參數取值方法是關鍵,為此諸多專家學者對此進行研究。

Blake[16]給出卸壓爆破后巖體彈性模量Edb建議計算方法:

式中,α為巖石破碎系數,取值范圍為0～1。

Tang 等[17]給出卸壓爆破后巖體的泊松比和應力值計算方法:

式中,β為應力耗散系數,取值范圍為0 ～1,反映爆破卸壓區應力釋放程度;σij為初始應力狀態。

Saharan 等[18]提出卸壓爆破的本構方程:

式中,i表示主應力方向。該本構方程假設巖體為正交各向異性材料。

此外,應用微震手段可以有效地評價卸壓爆破效果[19]。

3.2.2 錨噴支護

國內外工程實踐表明,錨噴支護可用于深部礦山巖體穩定性控制[20-21]。深部開采圍巖控制應能夠提高巖體強度和峰后強度,同時使支護結構形成整體,防止巖塊冒落或滑落,共同抵抗圍巖進一步變形破壞,同時能夠承受一定程度的大變形。深部井巷、采場圍巖控制設計方法多以經驗或工程類比方法為主,或者采用懸吊理論、組合梁理論、壓縮拱理論、組合拱理論、最大水平應力理論等進行設計。本研究提出以下支護設計思路(圖7):① 進行工程地質調查和基礎巖石力學實驗,構建精細數值模型;② 綜合應用Q、RMR、GSI、MRMR 等巖體質量分級方法評估巖體質量等級,估算巖體力學參數;③ 根據經驗圖表初選支護方案,校核支護能力,并應用數值模擬進行優化分析;④ 現場支護施工,施工過程進行嚴格質量控制;⑤ 綜合地壓監測,綜合應用多種地壓監測手段(多點位移計、鉆孔應力計和鉆孔電視等)監測評估支護效果,及時發現存在的問題和不足,及時反饋并再次優化支護設計方案。

圖7 深部開采圍巖支護設計思路Fig.7 Flowchart of surrounding rock support for deep mining

3.2.3 釋能支護

對于深部開采金屬礦山,受地質構造、高地應力和強采動應力影響,會出現不同程度的動力破壞形式,普通支護難以達到理想的支護效果(圖8),而釋能支護是針對具有巖爆傾向性巷道支護的有效支護方式。釋能支護是通過釋能支護結構釋放巖爆災害產生的動能,因此釋能結構要具備自身能產生較大的變形或能夠產生足夠的滑移變形的特點,同時自身還要具備高強度,在承受動載時能保持結構完整性。

圖8 巖爆造成支護結構破壞[22]Fig.8 Support structure damage caused by rock burst[22]

目前,釋能錨桿已經成為世界深井開采礦山的重要支護形式。通常釋能錨桿自身具有高強度特點,具有較高的錨固力,能夠抵抗動載荷多次沖擊,同時在承受動載荷時能夠產生桿體大變形或桿體滑移,這樣才能有效釋放巖爆災害產生的動能,確保圍巖穩定。當前世界上主流釋能錨桿見表2。與傳統錨桿相比,釋能錨桿通常具有較高的釋能能力,具有高拉拔力和靜載拉拔位移。

表2 釋能錨桿類型及其典型技術特征Table 2 Types and typical technical characteristics of energy absorbing bolts

巖爆等動力沖擊巷道圍巖釋能支護設計過程為:① 評估潛在巖爆震級及釋放能量值;② 選擇合適的支護結構與支護參數,相應支護結構改為釋能支護結構;③ 計算支護系統支護能力與巖爆等動力沖擊巷道圍巖支護需求;④ 逐一校驗載荷、釋能量和位移指標達到設定安全系數值;⑤ 現場施工并觀測支護效果,若存在問題應及時調整支護結構與支護參數,并對其進行載荷、能量與位移等指標的再校核,直至達到設定安全系數值。此外,也可以根據Q 系統巖體質量分級結果,應用圖9 選擇合理釋能支護方式。

圖9 基于Q 系統的釋能支護設計經驗圖表[37]Fig.9 Support design chart for rock burst rock mass based on Q-system[37]

4 深部采動地壓監測

現場工程應用表明,對于局部地壓監測,鉆孔應力計應用于深部硬巖應力監測效果不太理想,單(多)點位移計和鉆孔電視可以更好地用于監測圍巖變形和巖體內部破裂程度。圖10 所示為紅透山銅礦某斜坡道在周邊采場分層回采期間圍巖內部破裂規律,可以看出隨著開采的進行,斜坡道巖體表面層裂深度逐漸增加,至第20 分層時層裂剝落深度接近0.6 m,而此時深部巖體破裂位置距初始斜坡道表面深度達1.0～1.1 m。

圖10 采動巖體破裂深度演化規律[38]Fig.10 Evolution law of fracturing depth of rock mass[38]

而對于大范圍地壓監測,微震監測技術具有無可比擬的優勢,當前,微震監測已成為分析采動巖體破裂失穩和巖爆預警評估的有效工具。典型的微震監測系統由若干傳感器、接線盒、授時裝置、網絡通信、數據采集器和配套處理軟件組成,圖11 所示為ESG微震監測系統。Ge[39]提出礦山微震監測系統設計的5 個原則:① 監測范圍應當為三維空間;② 傳感器不僅要安裝在目標研究區域,還要布置在研究區域周圍巖體;③ 傳感器均衡布置;④ 避免出現傳感器二維布置,會導致垂直于傳感器陣列面精度降低;⑤ 仔細研究背景噪聲和微震信號的頻率分布特征以實現高精度濾波。在后處理過程中,微震事件的統計學規律、空間分布特征、b值演化規律、能量和震源機制解均會提升對采動巖體響應的理解程度[40-44]。

圖11 典型微震監測系統[45]Fig.11 Typical microseismic monitoring system[45]

在油氣開采領域,地表微地震監測系統已被廣泛應用于水力壓裂特征監測和診斷。微地震系統記錄特定的頻率范圍內的事件以覆蓋具體工程應用相關的主頻率,并據此將其分為實驗室聲發射系統、微地震監測系統、區域短周期地震臺網、寬頻地震臺網和長周期全球臺網[46]。微地震監測系統范圍通常用于觀測和分析數千公里范圍內震級小于0 的事件。微地震系統通常采用被動記錄地表震動的地震檢波器,成本較低,典型的頻率為5 Hz 或更高。從圖12 可以看出,注入(油氣水力壓裂、地熱開采等)誘發地震在震級、斷裂尺寸和角頻率等關鍵參數與采礦誘發聲發射和地震活動有大范圍重疊,說明地面微地震系統同樣適用于采礦誘發巖體破裂監測和分析領域,從而為采動誘發巖體破裂過程和采動地壓災害防控提供新思路。與常規微震監測系統相比,地表微地震監測具有成本低廉、抗(機械、電氣等)干擾性強、覆蓋范圍大、維護成本低、遷移性好等優點;其缺點是垂直方向定位精度相對較低,但從地震統計學上來看,對分析采動災害形成過程及其防控是有效的。地表微地震監測系統常用的定位算法是相似加權算法[47],該方法具有時效性強、精度高等優點,可以實現微地震實時監測。

圖12 不同尺度巖石破裂關鍵特性及參數[48]Fig.12 Key characteristics and parameters associated with rock fracture at different scales[48]

隨著數值模擬技術發展,礦山尺度高效數值模擬技術已經出現。大型邊界元軟件MAP3D 是目前分析礦山尺度采動巖體響應的高效分析工具,其具有建模簡便、計算速度快、可進行并行計算的優點,而最具特色之處在于數值模擬—微震交互功能[49]。能夠在完成數值模擬分析時導入微震監測數據,實現應力、巖體破壞等與微震監測數據的高度融合交互顯示(圖13),可以有效分析開采高應力分布區范圍及評估潛在地壓災害,也可為下一步回采順序設計提供精準指導。

圖13 礦山尺度采動應力模擬(左)及與微震監測交互顯示(右)[49]Fig.13 Simulation of mining-induced stress at mine scale (left) and interactive display with microseismic monitoring information(right) [49]

5 結 論

(1)提出深部金屬礦超前序次釋壓機理與調控方法,依據開采前、開采中和開采后采動地壓災害評估結果,分別采取不同地壓調控策略,消除或降低采動地壓災害等級?；镜貕赫{控包括采礦方法選擇、回采順序優化和隔離礦柱留設。二次地壓調控包括卸壓爆破、錨噴支護和釋能支護。

(2)給出地壓災害風險評估所需資料及評估方法和流程。

(3)詳細闡釋基本地壓調控和二次地壓調控核心技術及其應力調控機制。

(4)根據工程實踐經驗,多點位移計、鉆孔電視和微震監測均為有效的地壓監測手段。隨著數值模擬技術發展,礦山尺度采動應力模擬與微震監測信息融合顯示,可有效辨識高應力區域及評估地壓調控效果。