三山岛金矿深部采场动力灾害监测与分析

杜树浩，张永亮，杨正松

(1.山东黄金集团有限公司，济南 250101；2.青岛理工大学 安全科学与工程学院，山东 青岛 266520；3.矿冶科技集团有限公司，北京 100160)

我国是矿业大国，金属矿产储量是我国重要资源，保障金属矿产资源开采安全显得尤为重要。随着矿山开采深度的不断增加，地压变化引起的安全事故愈发严重，造成人员伤亡和经济损失[1-2]，精准监测矿山地压已经成为矿山行业安全技术领域亟待解决的技术问题[3]。目前微震监测技术是金属矿山深井开采地压监测分析的重要技术手段[4-6]。近年来，众多学者在微震监测参数特征[7]、微震监测信号获取[8]、岩爆预警依据[9]、矿山地压演化规律分析[10]等方面进行了深入研究，取得了一系列重要成果。针对三山岛金矿深部的地压现状及现有监测手段的不足，迫切需要对深部地压活动情况采用合适的手段进行监测监控，从而防范深部采场开采过程中地压活动造成人员伤害、设备损失、资源浪费和生产中断等事件的发生。

1 试验采场地质条件

三山岛金矿西山矿区深部矿体主要赋存于主断层F1下盘的黄铁绢英岩中，主断层F1走向10°～30°，倾向SE，倾角38°左右，主裂面有一层2～10 cm的黑色泥质物，隔水性较好。矿体走向20°左右，倾向SE，倾角40°左右，厚度3～40 m，形态较复杂，分支复合，粒状、网脉状矿化为主。其中-780 m中段地压活动明显，选择在该生产中段1560～1720勘探线之间布置试验采场，采场标高为-780.4～-764.3 m，采用中深孔空场嗣后充填采矿法，试验采场剖面如图1所示。

图1 试验采场剖面图Fig.1 Section drawing of the test stope

2 爆破模拟

为了确保取得好的爆破效果，采用通过试验取得的合理岩体参数进行数值计算，模拟其爆破效果，并结合实际生产效果对爆破参数进行优化调整。

有限元方法的迅速发展，已成为解决流体弹塑性计算和爆炸模拟问题的一个重要手段。有限元方法已很好地解决了小变形弹性问题，但在计算爆炸这类问题时却遇到了不少困难，主要问题在于爆炸冲击问题往往会产生大变形，而表现出三重非线性：

1)几何非线性(大变形)；

2)材料非线性(材料本构方程的复杂性)；

3)边界非线性(炸药与孔壁形成滑移面)。

本试验采用ANSYS进行爆破数值模拟，其求解器是LS-DYNA，是世界最知名的有限元显式求解程序之一。ANSYS/LS-DYNA3D是一个显式非线性动力分析通用有限元程序，可以求解各种二维和三维非弹性结构的高速碰撞、爆炸和模压等大变形动力响应。程序采用动力松弛技术，可以进行动力分析前的预应力计算或者进行静力分析。

2.1 爆破模型的构建

2.1.1 爆破数值模型

采用ANSYS AUTODYN自带建模工具，采用对称方式布置炮孔，因此计算模型亦可以采用一层炮孔模型模拟整个区域的变化。采用ANSYS Meshing划分网格，爆破方案几何模型和有限元模型如图2所示。

图2 爆破方案几何模型和有限元模型Fig.2 Geometric model and finite element model of blasting scheme

2.1.2 边界条件及求解设置

按实际情况对模型进行边界条件以及求解控制设置如下：

1)自由面不施加任何边界条件，非自由面施加投射边界。

2)炮孔壁施加爆炸压力载荷(三角波)。

3)整个物理过程求解时间为75 ms，在此时间段内，爆轰波已完成对岩石的破碎。

2.2 计算结果及评估

1)爆破过程的压力变化

根据爆破模拟结果，每15 ms截取一次爆破模型压力变化图，冲击波压力呈扇形扩散到整个岩块，如图3所示。

图3 爆破压力云图Fig.3 Burst pressure cloud atlas

2)爆破过程的岩石裂纹扩展

根据爆破模拟结果，每15 ms截取一次爆破过程的岩石裂纹扩展图，裂纹随着压力的扩散规律，也呈扇形分布，如图4所示。

图4 岩石裂纹扩展图Fig.4 Rock crack propagation diagram

3)爆破块度分布规律

根据数值计算结果，获得爆破块度分布表，如表1所示。

表1 爆破块度模拟块体体积累积值百分比

其中，-150 mm表示爆破后矿石块度在150 mm以下的体积累积值，-30 mm表示爆破后矿石块度在30 mm以下的体积累积值，以此类推。如图5所示，模拟结果表明，块度-150 mm以下约占69%，-250 mm以下占87.82%，块度效果很好，说明爆破方案合理。在实际生产过程中，为了节约爆破成本，可以适当降低炸药单耗。

图5 爆破块度模拟块体体积累积曲线Fig.5 Volume accumulation curve of simulated blasting block

3 采场监测系统

三山岛金矿深部开采过程中，采场地压活动显现增多，易出现顶板冒顶、片帮等动力灾害，为此选择深部-780 m水平采场，采用局域式微震监测技术针对采场动力灾害监测。

3.1 采场监测系统布置

试验采场沿走向布置，采场宽度7 m，采场长度均为矿体走向长度，采场高度为15 m。该试验采场周边巷道掘进过程中，发现该区域围岩比较破碎，为减少采场暴露面积，同时实现高效采矿，计划采用中深孔爆破方法，对试验采场划分3个区域，顺次爆破回采。

针对小尺度的采场级别监测系统，本研究采用供电、采集及存储一体化模式，与大尺度区域监测系统的区别主要是在通信方式、监测范围及系统架构等方面。该微震监测系统具有安装方便、调整灵活、受环境影响因素小等优点，尤其不用担心开采过程中线缆中断等影响；同时针对采场附近供电、通风条件不具备的情况下，实现采场动力灾害监测。

为充分获取试验采场回采时地压活动情况，结合试验采场爆破计划，试验采场监测总体规划为2次。试验采场及周边显示的圆圈为传感器分别布置的情况，如图6所示。现场传感器布设位置主要考虑工作面的波速及有效波形主频，根据现场巷道及距爆破位置的远近而确定。

图6 井下-780 m水平微震测点布置图Fig.6 Microseism measuring point layout of level -780 m

3.2 采场区域监测

试验采场的第一次微震监测时间为2015年4月5日，现场设备安装如图7所示，监测点布设位置1-1、1-2；第二次微震监测时间为2015年7月12日，监测点布设位置为2-1、2-2。传感器固定在采场及周边区域巷道的两帮或顶板。现场安装时，需结合试验采场及周边区域顶板及围岩的稳定情况，以及爆破飞石的影响，尽量使传感器靠近试验采场，但同时保证传感器的安全运行，能够正常采集、存储地压监测数据(图8、9)。

图7 局域式微震监测设备安装Fig.7 Installation of local microseism monitoring device

图8 第一次监测周期内波形图Fig.8 Waveform diagram during the first monitoring period

图9 第一次监测周期内监测事件累积图Fig.9 Cumulative map of monitoring events during the first monitoring period

3.3 采场动力灾害分析

试验采场局域式微震监测结果分析显示，采场内部的采掘活动及井下机车和风机开停等活动都能够被便携式微震监测系统识别到。在监测周期内，随着监测时间的增加，监测事件累积越来越大。第二次监测周期内，恰逢爆破落矿活动的增加，使得监测事件及最大PPV(最大速度峰值)随之增加。两次监测事件数量分别为305个、712个，两次监测到的最大PPV(最大速度峰值)为0.39 mm/s。

监测结果和数据分析显示：随着开采范围的增大、开采活动的增加，监测到的事件数也逐渐增大。说明在开采过程中，围岩受开采影响而破裂的范围逐渐增加；监测到的PPV(最大峰值速度)为0.39 mm/s，主要是在试验采场的采掘过程中产生的，为降低爆破振动对井下采场及附近井巷设施的影响，建议优化爆破作业及方法。同时对本次监测获取的数据结合定量地震学多种参数融合进行了如下分析：

(1)

N(≥E)=αE-β

(2)

式(1)中，能量指数越大，表示事件发生时震源的驱动应力越大。因此，可通过视体积与能量指数的曲线关系获取岩体灾害发生的前兆特征。式(2)中β值增大，意味释放较大能量的事件数量增大，也意味着岩体趋向于非均匀性，刚度下降，潜在的安全风险增加。根据两次监测的数据结果，监测的采场区域内能量和频率的分布情况如图10、图11所示。

图10 第一次监测区域内微震事件能量-频率分布图Fig.10 The first energy-frequency distribution of microseismic events in the monitoring area

图11 第二次监测区域内微震事件能量-频率分布图Fig.11 The second energy-frequency distribution of microseismic events in the monitoring area

通过图10、图11中事件能量与频率分布的关系可以看出，前半部分线性特性并不是很强，而后半部分则近乎为一条直线，其斜率的负数即为幂指数。基本上小事件比大事件数量多，但小事件和大事件的发生都起因于同一种机制。图中微震能量与事件频次的关系表明微震能量与其相应的发生频率之间存在幂律关系，具有自组织临界状态的特点。

4 总结

1)采用ANSYS/LS-DYNA软件，构建一层炮孔模型模拟中深孔崩落爆破效果，冲击波压力呈扇形扩散，岩石动态裂纹随冲击波压力耦合扩散，爆破后矿石块度效果较好，表明中深孔爆破参数和技术方案合理。

2)监测周期内监测区域产生的事件呈现相对聚集的现象，但对应事件的微震能量相对较小且发生频率忽高忽低，表明整个监测区域内岩体的稳定性比较好，不具有发生大范围、频繁的地压显现活动特性。

3)经能量-频率发生时间特征分析，发现监测区域产生的事件主要是受开采后局部应力突变增加导致的。结合微震事件数量与活动性及各事件PPV的分析，整个监测区域存在开采诱发应力急剧增加并释放的可能较低，但在采场内部短时间内爆破落矿较多的区域存在的安全风险较高。

4)根据监测数据分析采场区域应力呈现相对集中现象，该应力集中现象可能与采场的开采方法及开采顺序有关，针对这些区域需注意加强岩爆监测和现场巡查，对危险区域采取安全措施。