深部金属矿超前序次释压机理与调控方法研究进展

2023-09-19赵兴东朱乾坤代碧波李怀宾

金属矿山 2023年8期

赵兴东朱乾坤代碧波,2 李怀宾

(1.东北大学深部金属矿采动安全实验室,辽宁沈阳 110819;2.金属矿山安全与健康国家重点实验室,安徽马鞍山 243000;3.安徽理工大学安全科学与工程学院,安徽淮南 232001)

深部金属矿开采已经成为金属矿床开采的重要组成,并且持续向更深处推进。我国开采深度达到或超过千米的矿山已达60 座,未来10 年内,我国三分之一的地下金属矿山开采深度将达到或超过千米[1-2]。与浅部开采相比,深部开采处于“三高一扰动”工程背景[3],致使在采掘活动中遇到诸多采动地压灾害(诸如层裂、岩爆、冒顶),严重制约深部金属矿安全高效开采。

由于采矿采掘工程是动态过程,采动应力也处于动态变化之中,再加上深部金属矿所处复杂地质条件,使得深部开采采动地压灾害防控变得日趋复杂和困难。当前,采动地压调控大多局限于局部地压调控,取得不少成功实践。然而随着深部开采的深入和发展,传统地压控制策略变得捉襟见肘,因此需要创新地压调控理念。赵兴东[4]提出基于采动地压灾害风险评估的调控策略、机理及调控方法,建立了采动地压序次调控理论框架。吴姗等[5]从矿山开发投资价值出发,从战略与战术规划两个维度探讨了深井矿山从整体到局部设计的过程,并重点分析了岩石强度时效性对于开展深井矿山整体规划的重要意义。于世波等[6]认为深部区域采矿时序是深部地压管控的战略方法之一,提出基于数值模拟与微震监测相结合的分析技术来评价深部区域采矿时序地压调控卸荷效果。

本文首先阐释了深部金属矿超前序次释压机理及技术体系,从开采前、开采中和开采后三个阶段进行采动地压灾害风险评估及序次地压调控策略,即基本地压调控与二次地压调控。然后进一步论述采动地压灾害风险评估方法、基本地压调控和二次地压调控相关方法和深部采动地压监测技术,着重强调矿山尺度数值模拟和微震监测技术及其交互显示在矿山尺度地压监测与调控、采动应力分析和采矿顺序优化领域的前景。

1 深部金属矿超前序次释压机理与调控方法

对于深部采动地压研究,需要从矿体赋存空间形态的整体出发,科学、系统地研究矿山开采潜在地压灾害风险,包括地压灾害发生概率及其危害程度,与矿山采动过程应力场动态演化的关联性,并对矿山地质灾害进行系统和定量的分析和评估;依据深部采动地压灾害风险等级,对深部采动地压进行合理调控,以最大程度降低地压灾害发生频率和危害程度。所谓采动地压超前序次调控,依据开采前、开采中和开采后采动地压灾害评估结果,分别采取不同地压调控策略,消除或降低采动地压灾害等级,超前序次释压流程如图1 所示。基本地压调控是核心,关系到矿山开采全局地压调控成败,主要包括采矿方法选择、回采顺序优化和隔离矿柱留设,在开采前即已完成。二次地压调控是关键,在基本地压调控后,根据采掘工程揭露的矿岩实际情况,进行详细地压灾害评估,采取合适的地压调控方法,消除或降低局部高应力区或岩爆灾害区危险,主要包括卸压爆破、锚喷支护和释能支护,其是在开采中或开采后进行。

图1 超前序次释压流程Fig.1 Technical process of advanced sequential pressure relief

2 深部采动地压风险评估

2.1 采动地压灾害风险评估基础资料

对于深部采动地压灾害风险评估,基础资料搜集大致可分为3 个阶段:开采前、开采中和开采后阶段,采动地压风险评估所需基础资料如图2 所示。勘探与采矿设计阶段完成工程地质、采矿设计,同时还要完成矿岩稳定性评估、采矿顺序优化与采动应力分析及地压灾害风险初步评估,优化采矿设计方案、回采顺序和开拓工程布置。开采阶段完成工程地质资料补充、采空区处理、围岩变形破坏监测、支护设计与评估、开采期间微震监测等工作和局部地压灾害风险详细评估,完善局部地压控制措施。开采后主要进行微震数据、充填体稳定性监测数据及地表沉降数据等资料搜集和采空区地压风险及对地表和后续开采影响的评估。

图2 采动地压风险评估基础资料Fig.2 Basic data for mining induced ground pressure hazard assessment

2.2 采动地压灾害风险评估方法

深部开采围岩破坏主要分为结构面控制型和应力驱动型破坏形式。对于不同地压显现形式,需要采取相应的地压控制方法。地压评估采用地压灾害风险评估定量矩阵。以采场地压灾害风险评估为例,评价流程为:① 工程地质调查,确定岩体特性、应力边界条件、采场形状和支护;② 确定潜在的破坏模式及其诱发因素;③ 确定损伤破坏范围及破坏的概率值;④ 确定采场围岩失稳造成的经济损失;⑤ 绘制采场稳定性风险评估定量矩阵。

在分析采场冒落型破坏时,需要统计冒落体积、分布特征,以确定采动地压灾害风险发生概率值。在分析采动应力导致围岩损伤破坏时,根据二维或三维弹性、弹塑性数值模拟或者经验方法确定采动应力损伤范围,根据数值模拟确定破坏概率(PoF)的方法有:点估计方法、响应面法和响应影响因子法。

采动地压灾害风险=PoF×潜在破坏的后果 ,(1)式中,潜在破坏的后果以采动地压灾害造成的损失来计算。则可绘制出相应的地压灾害风险评估定量矩阵,如表1 所示。

表1 采动地压灾害风险评估定量矩阵(改自文献[7])Table 1 Quantitative matrix of mining induced ground pressure hazard assessment (modified from [7])

依据上述工作流程,完成矿山采动地压风险评估工作后,即可应用风险评估矩阵对矿山采动地压灾害进行评估,然后将采动地压灾害空间信息可视化,以便在生产实践中及时采取相应的地压调控措施。

3 深部金属矿超前序次释压技术体系

3.1 基本地压调控

3.1.1 采矿方法

地下采矿方法是指从地下矿床的矿块里采出矿石的过程,通过矿床开拓、矿块的采准、切割和回采4个步骤实现[8]。地下采矿方法分类繁多,以地压管理方法为依据,分为矿柱支护采矿法、人工支护采矿法以及无支护采矿法(图3)。不同采矿方法会在矿体近场和远场产生不同类型和程度的岩体力学响应[9]。从图3 可以看出,岩体采动位移与应变能储能特性呈负相关,无支护采矿法围岩会产生较大的位移,但围岩储存的应变能较低;矿柱支护围岩会产生较小的位移,但围岩储存的应变能较高,极易产生应力驱动型地压灾害,诸如层裂、屈曲、岩爆。对于深部开采金属矿山,充填采矿法是国内外主流选择,其原因为:① 改善围岩受力条件;② 填充结构面,胶结岩体形成完整结构;③ 让压作用,减缓采场围岩地压释放和围岩积聚能量释放速率[10-11]。当然,采矿方法还受矿体形态、围岩性质、矿石品位、环保、产能、经济等因素影响。

图3 地下采矿方法与采动岩体响应[9]Fig.3 Underground mining methods and response of rock mass[9]

3.1.2 回采顺序

地下矿床开采及采空区处理过程中,不同回采顺序致使围岩经受复杂的加卸载过程,进而会导致岩体产生不同类型的力学响应特征,选择合理的回采顺序是控制深部采矿地压灾害的有效途径之一。设计回采顺序核心思想是以压力拱理论和应力转移理论为指导,确保开采活动处于低应力区。图4 所示为开挖顺序下采场周边高应力区演化规律,可以看出采场1开挖后其周边存在宽度接近采场宽度的卸压区,采场周边同时存在一高应力区域;当回采采场5 时,采空区两侧卸压区宽度基本未变,而顶底板出现大范围卸压区;从模拟结果看采空区周边卸压区近似呈圆形。目前,常用的深部矿体开采回采顺序有盘曲交错式回采、交错式回采、金字塔形阶梯式回采、倒阶梯式回采、不连续走向回采顺序和连续回采顺序[4]。在矿山回采顺序研究方面,工程上比较常用的研究方法主要有:工程类比法(即经验法)、数值分析法等。在数值分析方面,针对矿山尺度采矿顺序优化,大型边界元软件(如MAP3D 软件)具有独特的优势,其具有单元个数少、计算速度快、数据准备简单、建模方便等特点,且相同离散精度下,边界元法解的精确度优于有限元法[12]。

图4 采动条件下高应力区演化规律Fig.4 Evolution law of high stress area under mining conditions

3.1.3 隔离矿柱

在深部采矿过程中,每隔一定垂直距离留设一个或多个特定厚度的水平隔离矿层,支撑上下盘围岩,确保空区围岩整体稳定,防止空区上部发生大规模塌落时对下部采场产生的动力冲击及次生气浪对工作人员造成伤害,同时也起到降低采空区围岩高应力区分布范围和控制地表沉降的作用[13]。隔离矿柱的留设必须进行严格岩石力学计算以确定其合理位置及尺寸。判断隔离矿柱留设是否合理的依据是:当采动应力作用到该矿柱上时,隔离矿柱不会产生变形、屈服和破坏[4]。隔离矿柱可与采矿顺序、采场充填协同应用以增强地压调控效果。

3.2 二次地压调控

3.2.1 卸压爆破

卸压爆破是金属矿山地下开采常用的调控高应力分布和防治岩爆灾害的措施,与水力压裂、注水、卸压孔和CO2相变致裂技术相比,卸压爆破具有卸压范围大、效率高的优点,比较适合金属矿开采领域。其原理是在高应力岩体内利用爆破产生大范围爆生裂隙区,使岩体力学参数弱化,并将高应力转移至邻近岩体结构。图5 所示为巷道掘进面卸压爆破前后垂直应力分布示意图,可以看出,卸压爆破后掘进工作面前方垂直应力会显著降低且峰值应力点向工作面前方深部转移[14]。Crouch[15]研究了卸压爆破前后应力和应变条件,并提出卸压爆破的亚临界、临界和超临界程度(图6)。

图5 巷道掘进工作面爆破卸压应力调控机制[14]Fig.5 Regulation mechanism of destress blasting in the working face[14]

图6 爆破卸压程度(改自文献[15])Fig.6 Degree of destress blasting (Modified from [15])

数值模拟方法是设计或优化卸压爆破方案的有效手段,其中卸压爆破后岩体力学参数取值方法是关键,为此诸多专家学者对此进行研究。

Blake[16]给出卸压爆破后岩体弹性模量Edb建议计算方法:

式中,α为岩石破碎系数,取值范围为0～1。

Tang 等[17]给出卸压爆破后岩体的泊松比和应力值计算方法:

式中,β为应力耗散系数,取值范围为0 ～1,反映爆破卸压区应力释放程度;σij为初始应力状态。

Saharan 等[18]提出卸压爆破的本构方程:

式中,i表示主应力方向。该本构方程假设岩体为正交各向异性材料。

此外,应用微震手段可以有效地评价卸压爆破效果[19]。

3.2.2 锚喷支护

国内外工程实践表明,锚喷支护可用于深部矿山岩体稳定性控制[20-21]。深部开采围岩控制应能够提高岩体强度和峰后强度,同时使支护结构形成整体,防止岩块冒落或滑落,共同抵抗围岩进一步变形破坏,同时能够承受一定程度的大变形。深部井巷、采场围岩控制设计方法多以经验或工程类比方法为主,或者采用悬吊理论、组合梁理论、压缩拱理论、组合拱理论、最大水平应力理论等进行设计。本研究提出以下支护设计思路(图7):① 进行工程地质调查和基础岩石力学实验,构建精细数值模型;② 综合应用Q、RMR、GSI、MRMR 等岩体质量分级方法评估岩体质量等级,估算岩体力学参数;③ 根据经验图表初选支护方案,校核支护能力,并应用数值模拟进行优化分析;④ 现场支护施工,施工过程进行严格质量控制;⑤ 综合地压监测,综合应用多种地压监测手段(多点位移计、钻孔应力计和钻孔电视等)监测评估支护效果,及时发现存在的问题和不足,及时反馈并再次优化支护设计方案。

图7 深部开采围岩支护设计思路Fig.7 Flowchart of surrounding rock support for deep mining

3.2.3 释能支护

对于深部开采金属矿山,受地质构造、高地应力和强采动应力影响,会出现不同程度的动力破坏形式,普通支护难以达到理想的支护效果(图8),而释能支护是针对具有岩爆倾向性巷道支护的有效支护方式。释能支护是通过释能支护结构释放岩爆灾害产生的动能,因此释能结构要具备自身能产生较大的变形或能够产生足够的滑移变形的特点,同时自身还要具备高强度,在承受动载时能保持结构完整性。

图8 岩爆造成支护结构破坏[22]Fig.8 Support structure damage caused by rock burst[22]

目前,释能锚杆已经成为世界深井开采矿山的重要支护形式。通常释能锚杆自身具有高强度特点,具有较高的锚固力,能够抵抗动载荷多次冲击,同时在承受动载荷时能够产生杆体大变形或杆体滑移,这样才能有效释放岩爆灾害产生的动能,确保围岩稳定。当前世界上主流释能锚杆见表2。与传统锚杆相比,释能锚杆通常具有较高的释能能力,具有高拉拔力和静载拉拔位移。

表2 释能锚杆类型及其典型技术特征Table 2 Types and typical technical characteristics of energy absorbing bolts

岩爆等动力冲击巷道围岩释能支护设计过程为:① 评估潜在岩爆震级及释放能量值;② 选择合适的支护结构与支护参数,相应支护结构改为释能支护结构;③ 计算支护系统支护能力与岩爆等动力冲击巷道围岩支护需求;④ 逐一校验载荷、释能量和位移指标达到设定安全系数值;⑤ 现场施工并观测支护效果,若存在问题应及时调整支护结构与支护参数,并对其进行载荷、能量与位移等指标的再校核,直至达到设定安全系数值。此外,也可以根据Q 系统岩体质量分级结果,应用图9 选择合理释能支护方式。

图9 基于Q 系统的释能支护设计经验图表[37]Fig.9 Support design chart for rock burst rock mass based on Q-system[37]

4 深部采动地压监测

现场工程应用表明,对于局部地压监测,钻孔应力计应用于深部硬岩应力监测效果不太理想,单(多)点位移计和钻孔电视可以更好地用于监测围岩变形和岩体内部破裂程度。图10 所示为红透山铜矿某斜坡道在周边采场分层回采期间围岩内部破裂规律,可以看出随着开采的进行,斜坡道岩体表面层裂深度逐渐增加,至第20 分层时层裂剥落深度接近0.6 m,而此时深部岩体破裂位置距初始斜坡道表面深度达1.0～1.1 m。

图10 采动岩体破裂深度演化规律[38]Fig.10 Evolution law of fracturing depth of rock mass[38]

而对于大范围地压监测,微震监测技术具有无可比拟的优势,当前,微震监测已成为分析采动岩体破裂失稳和岩爆预警评估的有效工具。典型的微震监测系统由若干传感器、接线盒、授时装置、网络通信、数据采集器和配套处理软件组成,图11 所示为ESG微震监测系统。Ge[39]提出矿山微震监测系统设计的5 个原则:① 监测范围应当为三维空间;② 传感器不仅要安装在目标研究区域,还要布置在研究区域周围岩体;③ 传感器均衡布置;④ 避免出现传感器二维布置,会导致垂直于传感器阵列面精度降低;⑤ 仔细研究背景噪声和微震信号的频率分布特征以实现高精度滤波。在后处理过程中,微震事件的统计学规律、空间分布特征、b值演化规律、能量和震源机制解均会提升对采动岩体响应的理解程度[40-44]。

图11 典型微震监测系统[45]Fig.11 Typical microseismic monitoring system[45]

在油气开采领域,地表微地震监测系统已被广泛应用于水力压裂特征监测和诊断。微地震系统记录特定的频率范围内的事件以覆盖具体工程应用相关的主频率,并据此将其分为实验室声发射系统、微地震监测系统、区域短周期地震台网、宽频地震台网和长周期全球台网[46]。微地震监测系统范围通常用于观测和分析数千公里范围内震级小于0 的事件。微地震系统通常采用被动记录地表震动的地震检波器,成本较低,典型的频率为5 Hz 或更高。从图12 可以看出,注入(油气水力压裂、地热开采等)诱发地震在震级、断裂尺寸和角频率等关键参数与采矿诱发声发射和地震活动有大范围重叠,说明地面微地震系统同样适用于采矿诱发岩体破裂监测和分析领域,从而为采动诱发岩体破裂过程和采动地压灾害防控提供新思路。与常规微震监测系统相比,地表微地震监测具有成本低廉、抗(机械、电气等)干扰性强、覆盖范围大、维护成本低、迁移性好等优点;其缺点是垂直方向定位精度相对较低,但从地震统计学上来看,对分析采动灾害形成过程及其防控是有效的。地表微地震监测系统常用的定位算法是相似加权算法[47],该方法具有时效性强、精度高等优点,可以实现微地震实时监测。

图12 不同尺度岩石破裂关键特性及参数[48]Fig.12 Key characteristics and parameters associated with rock fracture at different scales[48]

随着数值模拟技术发展,矿山尺度高效数值模拟技术已经出现。大型边界元软件MAP3D 是目前分析矿山尺度采动岩体响应的高效分析工具,其具有建模简便、计算速度快、可进行并行计算的优点,而最具特色之处在于数值模拟—微震交互功能[49]。能够在完成数值模拟分析时导入微震监测数据,实现应力、岩体破坏等与微震监测数据的高度融合交互显示(图13),可以有效分析开采高应力分布区范围及评估潜在地压灾害,也可为下一步回采顺序设计提供精准指导。

图13 矿山尺度采动应力模拟(左)及与微震监测交互显示(右)[49]Fig.13 Simulation of mining-induced stress at mine scale (left) and interactive display with microseismic monitoring information(right) [49]