眼前山鐵礦采區(qū)穩(wěn)定性微震監(jiān)測(cè)可行性研究

陳曉云，彭府華，任海龍，劉顯鋒，張洪昌

（1.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司眼前山分公司，遼寧 鞍山 114000；2.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410012；3.金屬礦山安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410012）

隨著我國(guó)露天礦山淺部資源的開采，越來越多的礦山將進(jìn)入露天轉(zhuǎn)地下開采階段。露天轉(zhuǎn)地下開采是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，會(huì)面臨諸多采礦安全和巖石力學(xué)的技術(shù)難題。國(guó)外關(guān)于露天轉(zhuǎn)地下開采的研究相對(duì)較早，從20世紀(jì)60年代開始，對(duì)露天轉(zhuǎn)地下開采的合適時(shí)期選擇、過度時(shí)期的生產(chǎn)系統(tǒng)與產(chǎn)量銜接、露天轉(zhuǎn)地下開采保安礦柱、露天邊坡穩(wěn)定性等問題進(jìn)行了系統(tǒng)性研究，并積累了豐富的工程經(jīng)驗(yàn)［1］。國(guó)內(nèi)開展露天轉(zhuǎn)地下開采的研究相對(duì)較晚，從20世紀(jì)90年代開始，國(guó)內(nèi)部分露天礦山開始轉(zhuǎn)入地下開采，目前在露天開采極限深度、過度期銜接、露天轉(zhuǎn)地下開采工藝、覆蓋層厚度等方面進(jìn)行了大量的研究工作，謝勝軍等采用主客觀組合權(quán)重法研究得出南芬鐵礦露天轉(zhuǎn)地下開采的最優(yōu)采礦方法為無底柱分段崩落法［2］。李海英等針對(duì)小汪溝鐵礦露天轉(zhuǎn)地下過渡期的實(shí)際生產(chǎn)條件［3］，系統(tǒng)地研究了地下開采與巖移特點(diǎn)，提出了應(yīng)用誘導(dǎo)冒落技術(shù)控制掛幫礦地采巖移的方法，有效解決了露天轉(zhuǎn)地下過渡期產(chǎn)量銜接的難題。張欽禮、楊明財(cái)、杜逢彬等采用數(shù)值模擬分析方法［4-6］，得到了露天轉(zhuǎn)地下開采隔離層最優(yōu)厚度。李長(zhǎng)洪、張亞民、徐帥等采用理論分析與數(shù)值計(jì)算方法［7-9］，對(duì)露天轉(zhuǎn)地下開采引起的地表巖移變形機(jī)理進(jìn)行了研究。

綜合來看，目前國(guó)內(nèi)外露天轉(zhuǎn)地下開采的研究?jī)?nèi)容的焦點(diǎn)主要集中在露天轉(zhuǎn)地下開采時(shí)期選擇、露天轉(zhuǎn)地下開采工藝、過度時(shí)期產(chǎn)量銜接、覆蓋層厚度、地下開采影響程度和范圍等。目前對(duì)露天轉(zhuǎn)地下開采采區(qū)穩(wěn)定性、地下采場(chǎng)圍巖及上覆巖體動(dòng)態(tài)變形破壞演化特征現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)研究較少，對(duì)露天轉(zhuǎn)地下動(dòng)態(tài)開采過程中地下采場(chǎng)圍巖及其上覆巖體的應(yīng)力分布、移動(dòng)破壞模式及其穩(wěn)定性有何影響，影響到何種程度，未形成定量的認(rèn)識(shí)，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)采區(qū)巖體動(dòng)力災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)警，無法為露天轉(zhuǎn)地下開采后采場(chǎng)地壓管理與控制及露天邊坡的安全維護(hù)提供定量的科學(xué)依據(jù)與指導(dǎo)。本文針對(duì)鞍鋼集團(tuán)眼前山鐵礦露天轉(zhuǎn)地下開采問題，采用現(xiàn)場(chǎng)微震監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)露天轉(zhuǎn)地下開采過程中上覆巖層的移動(dòng)變形特征、地下采區(qū)穩(wěn)定性等問題進(jìn)行研究，為礦山安全生產(chǎn)管理提供技術(shù)支撐。

1 工程背景

眼前山鐵礦主要礦體為Fe1，呈厚層狀產(chǎn)出，礦體走向延長(zhǎng)1686m，傾向延伸105～895m，平均延伸629m，水平厚度28～225m，平均115m，礦石TFe品位18%～59.75%，平均品位27.87%。礦石類型以磁鐵礦石、碳酸鐵礦石為主，少量赤鐵礦石、假象赤鐵磁鐵礦石和硅酸鐵礦石。礦體傾向SW，傾角74°～86°礦體頂?shù)装鍑鷰r主要為千枚巖和混合巖，礦石較堅(jiān)硬。但礦床內(nèi)斷裂構(gòu)造較發(fā)育地段，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石破碎。總體上礦體及頂、底板圍巖穩(wěn)定性一般。礦區(qū)三維圖如圖1所示。

圖1 礦區(qū)三維示意圖

眼前山鐵礦開采分三個(gè)階段：（1）露天開采階段，礦山早期采用露天開采，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為250～300萬t/a，2012年完成了露天開采，形成露天境界長(zhǎng)約1400m，寬500～700m，露天最底標(biāo)高-183 m；（2）過渡期開采階段，從2012年開始，掛幫礦體開采范圍為：西端幫21～-183m間礦體；東端幫-69～-183m間礦體；北幫-123～-183m間礦體；南幫-159～-183m間礦體；（3）地下開采階段，在完成過渡期開采后，轉(zhuǎn)入地下開采，地下開采階段是指露天底-183m以下XVI～I(xiàn)X＋100勘探線間礦體，確定開采深度為-500m。設(shè)計(jì)采用無底柱分段崩落法開采，分段高度18m，進(jìn)路間距20m。設(shè)計(jì)采用豎井、主斜坡道聯(lián)合開拓方式。-183m以下深部礦厚度在20～194m間，平均厚度為120m。目前礦山開采水平為-195m、-213m。

2 面臨的地壓?jiǎn)栴}

2.1 大范圍巖層移動(dòng)變形問題

眼前山鐵礦工程地質(zhì)條件相對(duì)較差，F(xiàn)e1礦體下盤圍巖為太古代花崗巖，礦體上盤圍巖為綠泥千枚巖、綠泥石英片巖，F(xiàn)e2、Fe3礦體上、下盤圍巖均為綠泥千枚巖，并且礦區(qū)斷層、節(jié)理較為發(fā)育。加上礦區(qū)巖層已經(jīng)經(jīng)過前期露天開采擾動(dòng)影響和現(xiàn)階段崩落法開采二次擾動(dòng)影響，目前礦區(qū)地壓顯現(xiàn)較為明顯，比如露天邊坡沉陷較為明顯，東、北幫錯(cuò)動(dòng)范圍已超出設(shè)計(jì)，地表顯現(xiàn)的錯(cuò)動(dòng)范圍已經(jīng)大于一期終了的錯(cuò)動(dòng)范圍。地表照片如圖2所示。

圖2 地表照片

2.2 局部巖層穩(wěn)定性問題

受巖體自身?xiàng)l件影響及井下采動(dòng)影響，井下多個(gè)區(qū)域巷道出現(xiàn)大變形及冒落垮塌現(xiàn)象，如Fm-1斷層附近巷道、2＃主溜井等。

3 微震監(jiān)測(cè)方案

3.1 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案

根據(jù)采區(qū)現(xiàn)有開采范圍，設(shè)計(jì)采區(qū)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為48通道，即8臺(tái)數(shù)據(jù)采集儀，每臺(tái)數(shù)據(jù)采集儀由6個(gè)通道組成，共包括48個(gè)單軸傳感器。可實(shí)現(xiàn)對(duì)開采范圍的全天候、實(shí)時(shí)和立體監(jiān)測(cè)。

整個(gè)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)置五個(gè)分站點(diǎn)，分別為-633水平數(shù)據(jù)采集站點(diǎn)、-321水平數(shù)據(jù)采集站點(diǎn)、-213水平數(shù)據(jù)采集站點(diǎn)、-123水平數(shù)據(jù)采集站點(diǎn)和地表辦公區(qū)地壓監(jiān)控站。傳感器監(jiān)測(cè)到的信號(hào)通過信號(hào)電纜分別傳輸?shù)礁魉綌?shù)據(jù)采集站點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集站點(diǎn)通過光纜將微震信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸至辦公區(qū)地壓監(jiān)控站。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主服務(wù)器（監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)）布置在辦公樓的地壓監(jiān)測(cè)站內(nèi)，整個(gè)系統(tǒng)由主服務(wù)器通過GPS實(shí)現(xiàn)各采集儀同步授時(shí)。并且通過互聯(lián)網(wǎng)，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)控功能。

采區(qū)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)組成如圖3所示。

圖3 采區(qū)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)拓?fù)鋱D

3.2 傳感器布置方案

微震傳感器優(yōu)化布置來源于地震監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，最初采用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)地震監(jiān)測(cè)震源誤差進(jìn)行研究。目前采用D值優(yōu)化理論，對(duì)傳感器的布置方式進(jìn)行優(yōu)化。D值優(yōu)化理論中定位誤差橢球體體積與震源參數(shù)協(xié)方差矩陣式大寫成正比［10-13］。

微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用P波初次接收的時(shí)間進(jìn)行定位，震源傳播到傳感器的最短時(shí)間可由式（1）表示：

式中：H＝（x0，y0，z0）和Xi＝（xi，yi，zi）分別為震源和第i個(gè)傳感器的坐標(biāo)；V為P波的波速；t0為發(fā)震時(shí)刻；ti為讀入的P波到達(dá)時(shí)刻，i＝1，2，…n。

對(duì)于均勻各向同性速度模型，從震源H到第i個(gè)傳感器的走時(shí)為式（2）：

為進(jìn)行震源定位，目標(biāo)函數(shù)可以寫成式（3）：

式中：ri為殘差，即觀測(cè)值ti與P波計(jì)算到時(shí)值Ti（H，V，Xi）＋t0之差。通過求解（3）式的最小值，所求的參數(shù)值θ^為參數(shù)θ的最小二乘估計(jì)，為了估計(jì)θ^，通常先提供嘗試矢量θ（n），并減少目標(biāo)Θ的值，對(duì)走時(shí)Ti（H，V，Xi）應(yīng)用一階泰勒式線性化后，在每次迭代過程中如式（4）：

式中：δr（n）為在空間內(nèi)點(diǎn)θ（n）上的時(shí)間殘差矢量，A為在θ（n）上計(jì)算的（1）式對(duì)參數(shù)θ的（n×4）偏微分矩陣，如式（5）：

A.Kijko和M.Sciocatti認(rèn)為傳感器位置的優(yōu)化取決于協(xié)方差矩陣Cθ（X），如式（6）：

其中，對(duì)角矩陣W 中的對(duì)角元素可表示為式（8）：

Kijko定義震中位置標(biāo)準(zhǔn)差為平面圓的半徑，該圓的面積等于在（x0，y0）處標(biāo)準(zhǔn)誤差橢圓的面積，由此，確定震中誤差σxy，如式（9）：

式中：Cθ（X）ij為協(xié)方差矩陣的特征值Cθ（X）的元素。

根據(jù)傳感器的空間布置方案，對(duì)其定位效果進(jìn)行必要的理論分析，即通過傳感器空間布陣列相對(duì)關(guān)系及定位原理進(jìn)行仿真計(jì)算，反演出在該布陣設(shè)計(jì)方案條件下監(jiān)測(cè)精度范圍云圖，據(jù)此來評(píng)估該設(shè)計(jì)布置傳感器方案的合理性，用來優(yōu)化傳感器的布置。傳感器布置方案定位精度云圖如圖4所示，由圖4可以看出，這種傳感器布置方式具有較好的定位效果，采區(qū)微震事件定位精度在20m以內(nèi)，可以滿足實(shí)際工程監(jiān)測(cè)需要。

圖4 定位精度反演圖

4 結(jié)語

1.眼前山鐵礦在露天轉(zhuǎn)地下開采過程中面臨大范圍巖層移動(dòng)變形和采區(qū)局部巖層穩(wěn)定性等地壓?jiǎn)栴}，結(jié)合多通道微震監(jiān)測(cè)技術(shù)特點(diǎn)，制定了微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案。

2.采用D值最優(yōu)設(shè)計(jì)理論，對(duì)傳感器進(jìn)行了優(yōu)化布置，優(yōu)化后監(jiān)測(cè)區(qū)域范圍定位誤差在10～15m以內(nèi)，可保證采區(qū)實(shí)時(shí)在線和高精度監(jiān)測(cè)。

3.系統(tǒng)建設(shè)運(yùn)行后，如何結(jié)合礦山的實(shí)際特點(diǎn)開展上覆巖層變形特征分析、采區(qū)穩(wěn)定性分析和動(dòng)力災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)警，還需要做大量的工作。