基于PHASE数值模拟矿山开采过程的地压监测系统构建及应用研究

蔡永顺，蒋合国，沐兴旺，张 贤，袁子清

(1.矿冶科技集团有限公司，北京 100160；2.国家金属矿绿色开采国际联合研究中心，北京 102628；3.彝良驰宏矿业有限公司，云南 昭通 657600)；4.驰宏科技工程股份有限公司，云南 曲靖 655000)

目前国内矿山浅部资源日益枯竭，矿山开采逐渐向深部延伸，深部采矿将面临高应力、大变形等地压问题，这些问题是造成深部开采动力灾害的主要原因[1-3]。因此，开展深部矿山开采过程中地压活动规律的监测与研究是非常必要的。许多学者在矿山地压灾害监测与防控方面开展了大量研究，并取得了一定成果[4-7]。但是目前地压监测系统在建设过程中，存在着监测点布置随意性较大、监测重点不突出等一系列问题，主要原因是在地压监测方案设计之前没有事先分析井下开采过程中的地压活动变化规律，导致地压监测系统建设缺乏针对性，监测效果不太理想。针对该问题，本文以毛坪矿为研究背景，基于矿山开采技术条件与现场地压活动情况，选取矿山典型地质剖面进行PHASE二维数值模拟与分析，研究得到了未来深部开采过程中的围岩应力分布与变形特征等地压活动规律。基于数据模拟分析得到的地压活动规律，开展了地压监测方案优化设计，并建立了地压监测系统。通过地压监测与分析，得到了矿山动态开采过程中围岩的微震时空演化规律及变形破坏特征，为下一步的地压灾害防控提供了技术依据。

1 矿山概况

毛坪矿矿体赋存于石门坎背斜倾伏端西翼石炭系、泥盆系层间裂隙中，矿区构造破碎发育。毛坪矿共有河东、河西2个区域，目前的生产坑口位于河东矿区，河西矿区主要进行找探矿和空区治理工作。河东矿区共分Ⅰ#、Ⅱ#、Ⅲ#矿体，其中Ⅰ#为主矿体，下分Ⅰ-6#～Ⅰ-15#矿体，矿体赋存标高900～-20 m。顶底板围岩多为浅灰色中厚层状细-粗晶白云岩，岩性比较单一。矿区水文地质条件复杂，为水文地质条件复杂型的岩溶裂隙水直接充水矿床。地下水系统结构复杂，主要充水水层为石炭系和泥盆系碳酸盐岩裂隙含水层，富水性、透水性中等-弱，补给条件好，且具较高水压，深部实测最大涌水压力达2 MPa。同时，经现场实测，最大主应力方向近乎水平，在610 m中段测试最大主应力约为15 MPa，在深部430 m及以下中段，地应力呈明显增强趋势。

目前，矿山采用下向水平分层(六边形与矩形)进路胶结充填采矿法进行开采。在开采过程中，670 m以下深部巷道变形破坏的情况相对较多，地压显现主要为巷道局部或大面积的变形、底鼓及垮落等，该类灾害主要发生在C11地层，主要受岩性、结构面及构造控制，尤其在490、430、370 m等深部中段表现明显。经现场调查分析，巷道两帮挤压变形(图1)与底鼓变形(图2)现象主要受地应力影响，主要发生在与地应力方向垂直的巷道段；而全断面变形破坏的现象则主要受岩性与结构面控制，主要分布在Ⅱ#矿体。

图1 巷道挤压变形Fig.1 Roadway compression deformation

图2 运输巷道底鼓变形Fig.2 Transport roadway floor heave deformation

2 PHASE数值模拟分析

2.1 模型的建立

考虑到矿体走向长近2 km且数量较多，若采用整体三维数值计算，则计算机性能无法满足而不能开展。鉴于当前及未来矿山主要开采的矿体为Ⅰ#矿体下的Ⅰ-6#、Ⅰ-8#及Ⅰ-14#矿体，且这些矿体赋存标高覆盖900～-100 m，因此本数值模拟分析选择96线剖面进行二维数值建模分析。该地质剖面同时包括了上述3个矿体，具有很好的代表性，旨在掌握其动态开采过程中的围岩变形破坏特征及地压演化规律，为下一步的地压监测系统建设提供参考。

研究采用PHASE2 6.0软件进行数值计算，使用其内嵌的Mohr-Coulomb模块，计算过程中考虑了岩体重力作用和构造应力的影响。计算过程中，计算模型顶面设为自由边界，模型底部与两侧设为单向固定约束边界，模拟步骤为：先采用CAD圈出计算轮廓，然后将其导入PHASE2 6.0软件中，进行相应的参数设置、地应力场施加。模型宽度为1 000 m，覆盖了-100 m以上的所有地层和矿体，上部自然地表边界。模型共有11 402个单元、5 831个节点。模型具体参数如表1所示，工程地质力学模型如图3所示。

表1 计算采用的地层岩体物理力学参数

1—石炭系下统灰、页岩组第三段；2—石炭系下统灰、页岩组第二段；3—石炭系下统万寿山组；4—泥盆系上统宰格组第三段第三亚段；5—泥盆系上统宰格组第三段第二亚段；6—泥盆系上统宰格组第三段第一亚段图3 工程地质力学模型Fig.3 Engineering geomechanical model

2.2 模拟结果分析

2.2.1 应力场分析

如图4所示，为了解整体开挖充填完成后的整体应力变化情况，提取了整体开挖完毕后的最大主应力分布图。从图4可以看出，开采引起的应力场的明显变化主要集中在含矿地层宰格组第三段第二亚段中(图3中的5)，也就是矿体赋存的地层，是采动诱导应力显现最为明显的区段，随着开采的深入，应力集中逐渐往深部转移，且呈不断增大趋势。此外，从图4还可以看出，应力集中最为明显的区域基本均发生在上下不同矿体之间的天然隔离矿柱区域，这些区域将是开采过程中典型的孕震区，地压监测及实际生产中应予以重点关注。

图4 整体开挖完毕后的最大主应力分布图Fig.4 Maximum principal stress distribution diagram after overall excavation

2.2.2 变形场分析

如图5所示，为了解整体开挖后上盘围岩的变形情况，提取了整体开挖完毕后的整体位移矢量分布图。从图5可以看出(图中箭头方向)，Ⅰ-8#矿体的上盘围岩变形最为集中，变形方向为上盘围岩上向45°方向，上盘顶板容易发生较大的拉伸破坏，而下盘围岩则主要以水平位移为主，未来下盘巷道围岩在水平应力作用下，在较为软弱地层有发生底鼓破坏的风险。

图5 整体开挖完毕后的位移矢量分布图Fig.5 Displacement vector distribution diagram after overall excavation

3 地压监测系统的建立

3.1 地压监测技术选择

常用的地压监测手段主要有应力、位移、声发射、微震等，其中应力、位移及声发射监测的范围较小，但精度较高；微震监测可以实现对岩体的大范围、非接触、实时监测与预警，已经被广泛应用于矿山、隧道等岩体工程中[8-12]。通过对岩体破裂信号进行定位反演计算，进而获得岩体内部微破裂的时空演化过程。对该矿山而言，采用微震及应力位移相结合的综合监测技术，宏观上通过微震监测掌握矿山整体地压活动规律，圈定地压危险区域，微观上通过应力位移监测实现对地压危险区域的高精度监测与预警，从而为矿山地压防控、采矿参数及支护方案优化等提供技术支撑。

3.2 地压监测系统的建立

基于PHASE数值模拟的应力场和变形场分析结果，同时结合矿山目前实际生产及巷道开拓情况，在河东矿区670、610、490、430 m中段及河西矿区670、610 m中段建立了36通道世界先进的IMS微震监测系统10通道基康应力位移监测系统，该系统可以覆盖河东矿区深部开采区域，同时兼顾了河西矿区的探矿和空区治理区域。微震监测点布置如图6所示，应力位移监测点基于微震监测分析结果动态调整。如图7所示，通过微震监测系统台网分析可知，监测台网内河东和河西矿区的系统空间定位误差均在10 m左右，系统灵敏度可监测到-2.4矩震级的微震事件，可以满足矿山安全监测的需求。

图6 微震监测点空间布置图Fig.6 Space layout of microseism monitoring points

图7 微震监测系统台网分析Fig.7 Microseism monitoring system network analysis

4 基于微震监测的Ⅰ#矿带地压活动分析

4.1 微震事件时空演化特征

由于目前矿山主要开采的为Ⅰ-6#、Ⅰ-8#及Ⅰ-14#等Ⅰ#矿带的矿体，因此本次主要对Ⅰ#矿带的地压活动进行重点分析。

如图8所示，从每月微震事件变化规律可知，2020年10月—2021年1月平均每月约有170个微震事件，2021年2月由于现场施工导致光缆中断只监测到79个微震事件。从每小时微震事件变化规律可知，该期间微震事件在11：00～15：00、18：00～20：00发生的数量较多，但矩震级总体上都小于-2.0，总体矩震级较小。综上可知，正常生产情况下，Ⅰ#矿带的地压活动较为稳定，每月微震事件个数在150～200。若微震事件数量超过200且大幅增加时，需要重点关注地压变化情况。

图8 微震事件时间分布特征Fig.8 Microseismic events time distribution characteristics

如图9所示，2020年10月—2021年2月Ⅰ#矿带区域的微震事件在平面上主要集中分布在94#～102#线之间，高程上，主要集中分布在550～700 m。由于矩震级总体较小，因此微震事件多为岩体内部微破裂。

图9 微震事件空间分布特征Fig.9 Microseismic events spatial distribution characteristics

4.2 基于微震事件的变形特征分析

图10为基于2021年2月份微震事件计算得到的微震变形云图，从图10中可以看出，Ⅰ#矿体96#～98#线附近围岩变形较大，约2.2 mm，该区域位于断层交叉处，尤其是矿体与围岩交接处以及矿体之间夹层围岩更易发生较大的变形。如图11所示，经一段时间的现场勘察，2021年3月23日在该区域附近的5#进路发生了局部垮落，后续增加了对该区域的应力位移等点监测，并加强了对该区域的支护强度。

图10 微震变形云图Fig.10 Microseismic deformation diagram

图11 岩体跨落情况Fig.11 Rock falls

综上所述，基于微震事件的变形特征分析不仅可以真实反映岩体内部的变形破坏情况，还可以作为岩体局部破坏的前兆起到预警作用，同时还为后续应力位移等点监测方案设计、支护方案优化等地压灾害防控提供了技术支撑。

5 结论

1)通过PHASE软件对矿山生产过程进行数值模拟与分析，得到了不同矿体之间的天然隔离矿柱是应力集中最为明显的区域，且岩层移动以上盘上向45°方向的移动变形最大等地压活动规律，为矿山地压监测系统的建设提供了参考，提高了地压监测系统建设的针对性。

2)基于PHASE模拟分析结果及矿山开采技术条件，开展了地压监测方案设计并建立了地压监测系统，通过地压监测与分析，得到了矿山动态开采过程中围岩的微震时空演化规律及变形破坏特征，掌握了矿山地压活动规律。

3)基于微震事件的变形特征分析不仅可以真实反映岩体内部的变形破坏情况，还可以作为岩体局部破坏的前兆起到预警作用，同时还为后续应力位移等点监测方案设计、支护方案优化等地压灾害防控提供了技术支撑。