基于微震監(jiān)測的大范圍破裂礦柱穩(wěn)定性評價

郭遠(yuǎn)發(fā)，劉宏發(fā)，袁節(jié)平，陳際經(jīng)，胡靜云，李庶林，3

(1.湖南柿竹園有色金屬有限責(zé)任公司，湖南郴州市423037;2.長沙礦山研究院國家金屬采礦工程技術(shù)研究中心，湖南長沙410012;3.廈門大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，福建廈門市361005)

基于微震監(jiān)測的大范圍破裂礦柱穩(wěn)定性評價

郭遠(yuǎn)發(fā)1，劉宏發(fā)1，袁節(jié)平1，陳際經(jīng)1，胡靜云2，李庶林2，3

(1.湖南柿竹園有色金屬有限責(zé)任公司，湖南郴州市423037;2.長沙礦山研究院國家金屬采礦工程技術(shù)研究中心，湖南長沙410012;3.廈門大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，福建廈門市361005)

柿竹園礦大范圍破裂礦柱回采進(jìn)行大爆破施工前，對裝藥區(qū)域的穩(wěn)定性的監(jiān)測與評價是確保大爆破施工安全與順利實施的重要工作?；谑林駡@礦大范圍破裂礦柱微震監(jiān)測實例，詳細(xì)分析了大范圍破裂礦柱產(chǎn)生的原因，根據(jù)出礦對破裂礦柱穩(wěn)定性的影響及微震監(jiān)測結(jié)果，對破裂礦柱穩(wěn)定性狀態(tài)進(jìn)行了評價。說明了微震監(jiān)測能較準(zhǔn)確地對破裂礦柱的活動狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果可以對破裂礦柱的穩(wěn)定性狀態(tài)進(jìn)行較準(zhǔn)確的評價與預(yù)警，為大爆破的施工與順利實施提供了保障。

破裂礦柱;微震監(jiān)測;穩(wěn)定性評價

1 概述

1.1 礦山開采歷史

柿竹園鎢錫鉬鉍多金屬礦床礦體集中厚大，有用礦物種類繁多，是國家重要的礦產(chǎn)資源基地。礦床自1987年采用分段鑿巖階段礦房法開采以來，因種種原因井下的采空區(qū)(礦房)未能進(jìn)行處理，截止2002年，井下留下占礦塊約60%的礦柱礦量和近300萬m3的巨大采空區(qū)群，累計頂板暴露面積達(dá)3萬m2，連續(xù)頂板暴露面積近1萬m2，15m厚的連續(xù)條帶礦柱多處垮塌。為了實現(xiàn)礦山采礦的持續(xù)生產(chǎn)，有效處理采空區(qū)和回采礦柱，礦山自2002年起與長沙礦山研究院協(xié)作研究，最終確定采用中深孔大爆破的方式回采礦柱和頂板富礦，并處理采空區(qū)安全隱患。在確定了上述連續(xù)回采采礦方法后，柿竹園礦先后進(jìn)行了多次井下中深孔大爆破。截止到2011年年初，已經(jīng)實現(xiàn)了對約一半的礦柱的崩礦，回采現(xiàn)狀如圖1與圖2所示。

1.2 大爆破前微震監(jiān)測的重要性

柿竹園多金屬采場礦柱回采采用集中大爆破方式回采，一般每年進(jìn)行一次或兩次大爆破崩礦。由于礦柱回采過程的應(yīng)力重分布和應(yīng)力集中作用，以及每次大爆破的影響，都會在采空區(qū)其他待采礦柱內(nèi)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的破裂或開裂現(xiàn)象，在一些區(qū)域或范圍中形成不同程度的礦柱巖體開裂區(qū)。這些開裂區(qū)域的礦柱是后續(xù)開采的目標(biāo)區(qū)域，但其承載能力差、穩(wěn)定性差。在下一次大爆破前，由于待采破裂礦柱范圍大，鑿巖時間長，裝藥區(qū)域范圍廣和裝藥量大，人員需要長時間在破裂礦柱區(qū)域進(jìn)行施工。同時由于一部分炸藥裝入炮孔內(nèi)，裝藥區(qū)域的穩(wěn)定性監(jiān)測與評價直接關(guān)系到人員的安全和大爆破的順利實施。因此，每一次大爆破后、下一次大爆破前，必須對破裂待采礦柱的穩(wěn)定性進(jìn)行安全監(jiān)測和評價，確保礦柱回采的安全，微震監(jiān)測技術(shù)在這種監(jiān)測與評價中起到了重要的作用。

圖1 回采現(xiàn)狀及大爆破區(qū)域558分層平面

圖2 回采現(xiàn)狀及大爆破區(qū)域2盤區(qū)縱剖面

自微震監(jiān)測技術(shù)在該礦應(yīng)用以來的4年時間內(nèi)，在每次大爆破回采前微震監(jiān)測都取得了較好的效果，為大爆破前的鑿巖與裝藥施工和大爆破的正常實施提供了安全的保障。本文將就微震監(jiān)測技術(shù)在這方面的應(yīng)用給出一個實例分析。

2 大范圍破裂礦柱產(chǎn)生的背景

柿竹園礦回采對象是群礦柱與巨厚頂板結(jié)構(gòu)，爆破區(qū)域的選擇和回采順序直接影響到這一框架式結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)的合理性。本文將結(jié)合一個典型實例來具體分析巨厚頂板與群礦柱結(jié)構(gòu)發(fā)生大范圍開裂的過程。

2.1 爆破背景

2011年3月25日17時30分在2盤區(qū)610水平到630水平的K2－5進(jìn)行了裝藥量約為40t的大爆破，爆破區(qū)域見圖1與圖2。這次爆破裝藥量與裝藥區(qū)域都不是很大，但是裝藥區(qū)域的選擇卻沒有考慮充分，致使爆破后因為爆破沖擊作用與受力狀態(tài)惡化造成相鄰礦柱與頂板產(chǎn)生了大范圍的開裂。下面對巖體破裂的力學(xué)原因進(jìn)行了較詳細(xì)的分析。

2.2 巖體破裂的力學(xué)分析

在“3.25”大爆破前，C5礦柱從558分層往下已經(jīng)發(fā)生垮塌，破損不堪，喪失了較大程度的承載能力。因此，從圖2可以看出，當(dāng)“3.25”爆破區(qū)域回采后，558分層以上的K2－5及C5礦柱形成了一個巨厚懸臂梁結(jié)構(gòu)，受力狀態(tài)發(fā)生了惡化。特別是在558分層以上的C6礦柱中，形成了張拉力的應(yīng)力狀態(tài)。由于巖石抗張拉強度低，同時由圖3可以看出，巖體原生節(jié)理裂隙所在平面與張拉力的方向近似垂直，所以在570分層至630分層產(chǎn)生了不同程度的近似東西走向的張拉裂縫，如圖4所示，其中以603與610分層開裂情況最為嚴(yán)重。

圖3是對630分層進(jìn)行巖體原生節(jié)理裂隙調(diào)查后所得到的原生節(jié)理裂隙赤平極射極點密度圖，由圖3可知，原生節(jié)理裂隙的產(chǎn)狀主要為245°∠70°。圖4是爆破后產(chǎn)生的開裂面的赤平極射極點密度圖，由圖4可知，開裂面的產(chǎn)狀主要為200°∠85°。由上述分析可知開裂面與巖體原生節(jié)理裂隙面十分相近與吻合，開裂面大致是沿著巖體原生節(jié)理裂隙形成的。

圖3 巖體原生節(jié)理裂隙赤平極射極點密度

圖4 現(xiàn)場開裂面赤平極射極點密度

3 基于微震監(jiān)測的破裂礦柱的穩(wěn)定性評價

3.1 微震監(jiān)測系統(tǒng)簡介

柿竹園礦微震監(jiān)測系統(tǒng)為全數(shù)字型多通道微震監(jiān)測系統(tǒng)，共有36個通道，該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成參見參考文獻(xiàn)［2］～［4］。該微震系統(tǒng)攜帶36個單軸加速度傳感器，這些傳感器分別布置在514、558與630分層，每個水平各12個，其中558分層傳感器布置圖見圖1，圖中實心方塊為傳感器。該系統(tǒng)實現(xiàn)了對礦山地壓的全天候?qū)崟r監(jiān)測、微震事件源的三維空間定位、三維可視化顯示、監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸，并能提供多參數(shù)實時分析。

3.2 出礦對破裂礦柱穩(wěn)定性影響的微震監(jiān)測

“3.25”大爆破后，由于受周圍崩落礦石一定的包裹支撐作用，已破裂巖體暫時處于一個相對的平衡狀態(tài)，開裂縫擴展趨于平緩。然而隨著破裂礦柱附近K2－4、K3－4與K3－5礦房持續(xù)的出礦，使得崩落礦石對破裂礦柱的包裹支撐作用力減小，破裂礦柱開始向東與向下滑移，裂縫擴展活動起來。圖5中點連線是K2－4、K3－4與K3－5礦房從“3.25”大爆破后到“7.09”大爆破前的累積出礦量圖，柱狀圖是破裂礦柱附近傳感器的累計微震事件率時間序列圖。由圖5可以看出，從“3.25”大爆破到5月24日，該區(qū)域保持著近似勻速的出礦速度，出礦對破裂礦柱穩(wěn)定性的影響在5月初開始顯現(xiàn)出來。由于礦柱破裂的持續(xù)活動，5月24日之后便停止了該區(qū)域的出礦，由圖5可以看出，停止出礦后破裂礦柱的微震活動便減弱，處于一種較低的活動水平。

微震監(jiān)測能較準(zhǔn)確地反映放礦對破裂礦柱穩(wěn)定性的影響。通過對破裂礦柱的活動進(jìn)行實時的微震監(jiān)測與分析，從而對其穩(wěn)定性狀態(tài)進(jìn)行評價。下面將依據(jù)兩個典型事例來詳細(xì)證明微震監(jiān)測對破裂礦柱活動與穩(wěn)定性狀態(tài)評價的有效性。

圖5 累計出礦量隨時間的變化

(1)610分層P3C6往北21m巷道東墻裂縫。該裂縫位于17#傳感器上方區(qū)域。圖6是17#傳感器從“3.25”大爆破前到“7.09”大爆破前的微震事件率時間序列。由圖6可以看出，微震事件率在“3.25”大爆破后有一個活躍期;從4月8日開始到5月2日由于受礦柱破裂應(yīng)力釋放和崩落礦石包裹支撐力的作用，破裂礦柱經(jīng)歷了約一個月的相對平靜期;從5月3日開始，放礦對破裂礦柱穩(wěn)定性的影響作用開始顯現(xiàn)，微震事件率開始明顯增加;從5月26日開始到“7.09”大爆破前，由于在5月24日下達(dá)了停止出礦指令，微震事件率便開始有所降低，但在井下整體范圍內(nèi)仍屬于較高水平，這與該區(qū)域緊鄰采空區(qū)是有關(guān)系的。但由于微震事件率水平不是很高，不超過35個/d，遠(yuǎn)低于柿竹園礦的經(jīng)驗預(yù)警值15個/min，說明破裂礦柱盡管受出礦影響產(chǎn)生了活動，但是破裂礦柱仍處于一種相對平衡的狀態(tài)中，暫無異常情況支持礦柱發(fā)生垮塌。該裂縫擴展速度隨時間的變化如圖7所示。由圖7可以看出，在5月9日之前，出礦對裂縫擴展的影響還不大。但是從5月9日開始到5月17日，裂縫擴展速度大大增加。5月24日停止出礦后，裂縫擴展速度便又有所降低。圖7所示的裂縫擴展速度與圖6中微震監(jiān)測結(jié)果具有很好的對照性，充分反映了微震監(jiān)測對破裂礦柱裂縫擴展具有較好的監(jiān)測效果。

圖6 17#傳感器微震事件率時間序列

(2)586分層與610分層的2盤區(qū)C6巷頂板裂縫。2盤區(qū)的C6房間柱在“3.25”大爆破后在570分層到630中段產(chǎn)生了較多沿東西走向的張拉性裂縫。圖8是該開裂縫區(qū)域正上方傳感器監(jiān)測到的微震事件率時間序列。由圖8可知在經(jīng)歷了4月8日至5月4日一段時間的相對平衡后，由于受該區(qū)域周圍放礦的影響，微震事件率從5月5日開始重新增加。同時現(xiàn)場也觀測到開裂縫活動加劇。圖9是5月18日頂板裂縫的照片，這些裂縫從5月8日開始擴展的較為厲害。5月24日經(jīng)過會商后決定停止該區(qū)域周圍的放礦作業(yè)，從圖8可知，微震事件率從5月26日起重新趨于平靜，這些裂縫的擴展速度明顯放緩。6月20日去現(xiàn)場查看時，這些頂板裂縫幾乎沒有繼續(xù)擴展的現(xiàn)象，說明該地壓活動區(qū)域整體上處于相對平衡的狀態(tài)。

3.3 大范圍破裂礦柱的穩(wěn)定性評價

由于受持續(xù)出礦的影響，破裂礦柱在保持相對穩(wěn)定一段時間后又重新開始活動，微震監(jiān)測系統(tǒng)對這一過程進(jìn)行了較準(zhǔn)確的監(jiān)測。由微震監(jiān)測結(jié)果可知，盡管破裂礦柱整體上產(chǎn)生了一定的滑移量，甚至在局部區(qū)域產(chǎn)生了較大的滑移量，但是微震事件率始終遠(yuǎn)小于柿竹園礦經(jīng)驗預(yù)警值，從而評價破裂礦柱在“7.09”大爆破前不會發(fā)生失穩(wěn)垮塌現(xiàn)象。這一評價與實際相吻合。

圖7 7#裂縫的擴展速度

圖8 31#傳感器微震事件率時間序列

圖9 2盤區(qū)C6巷頂板裂縫擴展錯動情況

微震監(jiān)測系統(tǒng)能較準(zhǔn)確地對破裂礦柱的活動狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，對破裂礦柱的穩(wěn)定性狀態(tài)能進(jìn)行較準(zhǔn)確的分析與預(yù)警，為大爆破前的施工和大爆破的順利實施提供了安全方面的建議。

4 結(jié)論

基于柿竹園礦一次典型的大范圍破裂礦柱安全回采過程的微震監(jiān)測實例，詳細(xì)分析了大范圍破裂礦柱產(chǎn)生的原因，根據(jù)出礦對破裂礦柱穩(wěn)定性的影響及微震監(jiān)測結(jié)果，對破裂礦柱穩(wěn)定性狀態(tài)進(jìn)行了評價。得到了下列主要結(jié)論:

(1)爆破區(qū)域與回采順序?qū)κ林駡@礦地壓具有直接的影響，不好的受力狀態(tài)會直接導(dǎo)致巨厚頂板與群礦柱這一框架式結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重的破裂與損壞，嚴(yán)重影響下一步回采的順利進(jìn)行;

(2)出礦對破裂礦柱具有直接影響，微震監(jiān)測能準(zhǔn)確地反映破裂礦柱的活動起止時間與活動程度;

(3)微震監(jiān)測的結(jié)果表明，大范圍破裂礦柱處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，在“7.09”大爆破前不會發(fā)生失穩(wěn)垮塌現(xiàn)象，實際情況也證明了這一評價是正確的;

(4)實際監(jiān)測應(yīng)用表明，微震監(jiān)測技術(shù)能較準(zhǔn)確地對破裂礦柱的活動狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果可以對破裂礦柱的穩(wěn)定性狀態(tài)進(jìn)行較準(zhǔn)確的評價與預(yù)警，在柿竹園多金屬采場的地壓監(jiān)測中起到了良好的應(yīng)用效果。

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2011－09－06)

郭遠(yuǎn)發(fā)(1972－)，男，湖南郴州人，雙本科學(xué)歷，國家注冊安全工程師，主要從事礦山安全技術(shù)和地壓監(jiān)測預(yù)警預(yù)報技術(shù)研究，Email:guoxin207.520@163.com。