石人沟铁矿岩体稳定性分析

石人沟铁矿岩体稳定性分析

围岩的稳定对于确保矿山的安全生产非常重要。目前,国内外矿山对围岩稳定性的监测主要以位移监测为主,但此类监测不能实质性地反映微破裂萌生、发展及贯通过程等岩体破坏前兆信息,在位移监测得到围岩破坏结果之前,岩体内部早已发生破坏,难以进行巷道失稳过程的追踪和预测。矿山微震监测技术能够捕捉到岩体受力变形和破坏后本身发射出的弹性波。每一个微震信号都包含着岩体内部状态变化的丰富信息,对接收到的微震信号进行处理、分析,可作为评价岩体稳定性的依据。近年来,微震监测技术被越来越广泛地应用到我国采矿工程的稳定性监测领域。赵兴东等利用加拿大ESG公司微震监测系统研究了红透山铜矿深部开采岩爆潜在区的微震活动性,指出可以对连续监测的微震活动事件进行时间非线性分析,通过设定在单位时间内微震事件活动数目来判定岩爆发生的可能性;唐礼忠等利用南非ISSI的设备建立了微震监测系统研究了冬瓜山铜矿的深部开采地压问题及发生规律,并采用地震学参数平面震源上的平均位移和视应力为依据对冬瓜山铜矿围岩稳定性做出了初步评价;姜福兴等研究了岩体在三维空间的微破裂成像,认为应该结合采场应力场的变化来解释和研究采场覆岩空间破裂的规律;唐春安等通过应力场与微震监测数据相结合的分析方法,实现了张马屯铁矿注浆帷幕突水危险性的评价和锦屏一级水电站左岸岩石边坡潜在失稳区域的识别。以上学者通过建立监测地压灾害的微震监测系统,分析了采场破坏的发生规律和深部地压问题。但是矿山岩体工程是一个动态稳定性问题,随着采矿活动的进行,采场空间和地压分布都在不断变化,将微震监测数据和采矿时空关系有机的联系起来,在应力场不断演化的过程中进行微震活动规律和围岩稳定性的动态分析才符合矿山工程的实际特点。针对这一问题,本文结合石人沟铁矿微震监测结果,首先对15号勘探线附近区域地下空区形成及露天坑内排过程中系统监测到的微震活动信息进行了详细的解读。然后通过数值模拟采矿过程中动态变化的应力场来解释和分析围岩内部发生微破裂的原因和规律并结合应力场与微震数据对围岩稳定性做出初步的评价。最后基于对围岩内部微震活动规律的认识,结合下阶段矿山应力场预测可能会发生微震事件聚集和岩体失稳的危险区域。1露天开采至最终采空区石人沟铁矿位于河北省遵化市西北10km,东南距唐山市90km。地质构造位置为燕山沉降带马兰峪背斜轴部。矿区内出露地层主要为下太古界迁西群马兰峪组片麻岩系,单斜构造。片麻理走向一般近南北向,向西倾,倾角50°~70°。矿体产状与片麻理一致。初始阶段矿山采用露天开采方式,露天开采境界南北长2.8km,经过多年的生产,露天开采已经结束。现已转入地下开采,目前-60m水平(地下首层)中段已形成129个正规采空区,由于-60m中段以上存在大量盗采空区,所以地下空区间的空间关系较为复杂。矿山整体及空区间位置关系如图1所示。图2为15号勘探线附近的地下采空区分布示意图,如图所示该区域主要存在5个采空区,8,9和16号为计划内采空区,FCK15、FCK16为非计划内采空区,图2中8,9号空区是利用三维激光扫描仪探测得到的空区真实形态。其他空区是利用投影图生成的大致形态。空区明细见表1。其中9号及FCK16采空区距露天坑较近,最小距离分别为5和9m。同时,该区段作为露天坑内排土场存在,随着尾矿的不断排入应力场是动态变化的。在露天坑内排过程中如果发生地下空区围岩的失稳,就可能导致露天坑底的塌陷和边坡滑坡,所以地下空区围岩的稳定是保证内排工作安全进行的关键。2系统整体设计为了监测露天转地下生产过程中岩体稳定性的变化,石人沟铁矿使用加拿大ESG公司生产的矿山微震监测系统,对部分矿区的微震活动实施全天候连续监测。石人沟铁矿微震监测系统总体上由地面微震数据处理系统、微震数据采集系统、传感器三部分组成,如图3所示。30个传感器采集的微震信号,由内置于传感器中的信号放大器放大输出,经由信号电缆传至露天边坡、井下-60m和0三个水平的5个Paladin微震采集仪,并进行信号的A/D转换后输出。由于数字信号传输距离有限,因此再由调制解调器将数字信号转换成模拟信号,再通过电话双绞线将模拟信号传输至0水平的井下微震采集工作站,然后再经过A/D转换成数字信号经过光缆传输至地面微震数据处理系统。该套系统可以获取微震事件的时空分布、误差、震级以及能量等多项震源参数,并对采集的数据进行滤波处理,提供用户震源信息的完整波形与波谱分析图,自动识别微震事件类型,通过滤波处理、设定阈值、带宽检波排除噪声事件。3号空区微震事件自ESG微震监测系统在石人沟铁矿建立以来,在15号勘探线附近获取了大量的微震活动数据信息。从图4可以看出,4个采空区(FCK16、9号、16号、FCK15)和露天坑之间的围岩是微震事件较为集中的区域。为了研究该区域围岩内部在空区形成及上覆荷载等外部因素影响下微破裂的产生、发展过程,在微震事件密集区截选取一个剖面(剖面位置如图4所示)并将附近的微震事件按照不同的工况顺序投影到该剖面上,如图5所示。16号矿房是研究区域内最后完成回采工作的,在该空区形成过程中,微震事件在其周围大量产生(图5(a))。随着该区域采矿活动的停止微震事件渐渐消失并最终趋于平静,如图5(b)所示,16号空区周围已基本没有微震事件发生。该现象与室内试验多级加载过程中每级荷载稳压时AE事件率明显降低的现象十分吻合。说明该处围岩体在采动影响之下经过一段时间大量微破裂的发生之后逐渐达到了一个新的平衡状态。随着第一阶段露天坑内排工作的开始,微震事件在9号空区顶板和露天坑底之间的区域出现并不断增加,最终形成了一个以能量释放率高、微震事件密度大为特征的微破裂发生区(图5(b))。微震事件密度代表新生裂纹的相互接近程度,微震事件所释放的能量则与裂纹扩展新生成的表面积有正比关系。高能量微震事件的事件密度不断增加说明该处岩体内部尺度较大的裂纹有相互贯通的趋势。裂纹数量及面积的增加必然会提高岩石的渗透系数从而影响地表水渗入量,9号空区顶板渗水量的增加验证了以上微震监测结果及推断的正确性。如图5(c)所示,随着露天坑内排工作的结束,微震事件发生率又回到了比较低的状态。从上微震分布信息可以看出,微震事件总的分布规律是由空区周围向露天坑底迁移并最终趋于恒定,微震事件的时空变化规律与空区的形成及露天坑内排过程十分吻合。说明岩体内部微破裂的发生、聚集及演化与矿山的采矿活动有密切的关系。为了揭示二者之间的本质联系,本文将通过数值模拟不同采矿活动中动态变化的应力场来解释和分析围岩内部微震活动规律。4力学模型的构建和适应性场的分析运用有限元软件ANSYS建立研究区域力学模型,并进行应力场计算,得到矿山不同生产阶段中围岩的应力场分布。4.1计算模型及边界条件根据图5所示剖面图建立平面有限元弹塑性本构模型,采用Druck-Prager屈服准则进行计算,模型宽200m,高向自-130m到地表标高,用以计算-60m水平矿房开采、露天坑尾矿内排及-120m水平矿房开采等不同采矿活动引起的应力场分布。模型考虑岩体自重,在重力作用下其边界条件为:模型顶面为地表面,视为自由表面;两侧及底面的法相位移设为0。岩体物理力学参数见表2。4.2采场顶板剪应力量对边坡稳定性的影响图6(a)为9号空区形成后的剪应力云图,可以看出9号空区的存在使原岩应力场发生了重分布,边角和拐弯处出现应力集中,最大剪应力出现在采场底板附近,其值为2.39MPa。由于采场顶板的剪应力区延伸至地表,所以9号空区的形成对露天边坡的稳定性也会产生一定的影响。如图6(b)所示,16号空区的形成使该空区围岩的应力状态发生了较大的改变,在空区底板及侧壁的周围产生了应力集中。同时降低了9号空区顶板与露天坡脚之间岩体的应力集中程度。图6(c)第1阶段内排后的剪应力云图表明在内排荷载的作用下,9号空区顶板与露天坡脚之间的围岩应力明显增加。由现场资料可知,第1阶段内排量较小,上覆荷载少量增加导致岩体内部应力明显增大现象主要是由于该处空区顶部围岩较薄造成的。5高能量微震活动应力场及微震行为与围岩稳定性关系分析比较应力云图6(a),(b)可以发现,16号空区形成前后,应力变化最剧烈的是16号空区周围的区域,尤其是该空区的顶板和侧壁。对比微震事件分布图5(a),可以看出16号空区形成过程中,微震事件大多分布在16号空区的顶板和侧壁附近,即应力场变化较为剧烈的区域。而应力场变化不太明显的区域则存在较少的微震事件。-60m水平空完全形成之后,围岩所受剪应力最大值为2.56MPa处于较低的水平,微震事件释放的能量也比较小,说明因空区形成引起的围岩内部破坏程度较小。且随着回采工作的停止微震活动逐渐趋于平静,空区围岩又恢复到了比较稳定的状态。比较应力云图6(b),(c),第1阶段内排荷载导致9号空区顶板与露天坡脚之间岩体所受应力明显增大。如图5(b)所示,该时间段内的微震事件主要集中在应力变化较大的空区顶板及坡脚附近。9号空区顶板渗水量的增加证明了该处岩体处于裂隙不断发育,破坏程度越发严重的阶段,与该处高能量微震事件大量聚集的监测结果十分吻合。说明通过对微震事件所释放的能量及事件密度的分析能够推断出岩体内部的破坏程度和破坏发展趋势,可以将微震释放能量及事件密度作为评价岩体稳定性的指标。综合以上对不同采矿活动中应力场、微震活动规律与围岩稳定性的分析可以发现:应力状态的改变会诱发岩体内部微破裂(微震活动性)的产生,应力集中会引起微震事件的区域性聚集。高能量微震事件大量聚集不仅表明应力场发生了剧烈的变化,也说明岩体内部破坏严重,稳定性较低。基于以上对应力场、微震活动性及围岩稳定性之间关系的认识,可以根据数值模拟计算下一阶段采矿活动应力场分布预测未来可能发生微破裂聚集和岩体失稳的潜在危险区域。如图7(a)所示,如果露天坑继续内排会降低边坡及坡脚处的剪应力,对提高边坡及坡脚稳定性有积极作用。但随着-120m水平空区的开采,如图7(b)所示,9号空区与坡脚之间的岩体所受应力剧烈增大。由于第一阶段内排期间出现大量微破裂导致该处岩体质量下降,应力的剧烈变化会引起岩体内部原有裂缝的扩展甚至贯通,增加岩体发生失稳破坏的危险性。为了保证9号空区顶板及坡脚岩体的稳定性,建议在开采-120m水平空区之前填充9号采空区。6数值结果与分析(1)微震事件的定位结果能实时反映应力场分布及岩体内部状态的变化,建立以应力场为背景的微震活动规律分析方法,可以为岩体稳定性评价和预测预报因岩体失稳破坏导致的地质灾害研究提供一种新的手段。(2)基于采矿活动中不断变化的应力场进行微震活动规律和围岩稳定性的动态分析,不仅使