深部磷礦山安全開采地壓監(jiān)測與時(shí)空演化特征分析

李邵軍，豐光亮，瞿定軍，鄭民總，陳 翔，朱宗俊

(1.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢430071；2.湖北宜化集團(tuán)礦業(yè)有限責(zé)任公司，湖北 宜昌 443000；3.湖北杉樹埡礦業(yè)有限公司，湖北 宜昌 443100)

我國既是磷礦生產(chǎn)大國，又是磷礦消費(fèi)大國[1]。近年來，隨著我國磷肥產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，磷礦資源被大量消耗，合理利用和保護(hù)磷礦資源刻不容緩[2]。為了提高磷礦山資源開采效率，地下磷礦的開采規(guī)模和開采深度逐漸增加，深部礦產(chǎn)資源開發(fā)所面臨的由巖體開挖誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害問題愈發(fā)突出[3]。礦山大范圍采空區(qū)以及地應(yīng)力增加引起的頂板冒落、礦柱變形、沖擊地壓等災(zāi)害問題日益顯著，給磷礦山安全和綠色開采帶來了嚴(yán)重的安全隱患。

在礦山開采過程中，關(guān)鍵問題之一就是合理控制圍巖地壓，監(jiān)測不同尺度的地壓活動(dòng)，以防止大規(guī)模的地壓災(zāi)害，達(dá)到順利開采的目標(biāo)[4-5]。為了研究礦山開采過程中地壓的活動(dòng)規(guī)律，研究人員采用了包括室內(nèi)試驗(yàn)、模型試驗(yàn)[6-7]、數(shù)值模擬[8-9]、現(xiàn)場監(jiān)測[10-11]等在內(nèi)的多種手段，研究了不同地質(zhì)構(gòu)造、不同開采方式下地壓的顯現(xiàn)特性。原位監(jiān)測能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測礦床開采引起的圍巖地壓變化，可以為礦山地壓研究提供有效的第一手?jǐn)?shù)據(jù)資料。由于礦山開采面臨復(fù)雜的力學(xué)環(huán)境，地壓顯現(xiàn)也變得復(fù)雜，單一的地壓監(jiān)測手段已經(jīng)很難滿足深部礦山開采中地壓監(jiān)測的要求，因此在礦山開采中常采用多種技術(shù)對(duì)地壓進(jìn)行聯(lián)合監(jiān)測。常用的礦山地壓監(jiān)測手段可以分為大尺度區(qū)域監(jiān)測和小尺度局部監(jiān)測。其中，局部監(jiān)測主要包括應(yīng)力、應(yīng)變和位移監(jiān)測等[12-15]；區(qū)域監(jiān)測主要為微震監(jiān)測[16-17]。

經(jīng)過多年來的系統(tǒng)研究，在礦山地壓監(jiān)測技術(shù)與控制理論方面已經(jīng)形成了許多重要成果，也積累了豐富的工程經(jīng)驗(yàn)，但未見針對(duì)地下磷礦山深部開采地壓監(jiān)測與分析的系統(tǒng)性研究報(bào)道，缺乏解決地下磷礦山深部開采所面臨的地壓安全問題的理論與方法。鑒于此，本文以湖北杉樹埡地下磷礦山深部開采地壓為研究對(duì)象，通過建立磷礦山地壓應(yīng)力-微震原位綜合監(jiān)測系統(tǒng)，開展了磷礦山地壓監(jiān)測及分析技術(shù)研究，并結(jié)合數(shù)值模擬計(jì)算，研究了深部磷礦山開采過程中地壓的顯現(xiàn)規(guī)律及空間演化特征，以為杉樹埡磷礦持續(xù)高效安全開采以及我國深部資源的安全開發(fā)提供參考。

1 工程概況

杉樹埡磷礦區(qū)西部礦段位于我國湖北省宜昌市西北部，屬夷陵區(qū)樟村坪鎮(zhèn)管轄。礦區(qū)的地理坐標(biāo)為東經(jīng)111°08′37″～111°10′59″、北緯31°20′36″～31°22′43″。礦區(qū)內(nèi)山脈水系呈北東向展布，中部凸起，北西與南東邊緣為谷地，山高谷深，地形陡峻，最高海拔標(biāo)高為1 539.0 m，最低海拔標(biāo)高為805.4 m，相對(duì)高差一般為400～500 m，屬中山地貌類型。

礦區(qū)具有工業(yè)開采價(jià)值的兩個(gè)磷礦層礦體埋深最大可達(dá)750 m，磷礦區(qū)礦層及圍巖以堅(jiān)硬-半堅(jiān)硬巖類為主，地層傾角平緩，一般在4°～12°左右，總體為一傾向北東的單斜構(gòu)造,局部受斷層的影響，地層產(chǎn)狀起伏。區(qū)內(nèi)以斷裂構(gòu)造為主，查明斷層共有15條，褶皺不發(fā)育，斷層按照其展布方向可劃分為北東向、北西向、近東西向，其中北西向斷裂相對(duì)較發(fā)育，主要分布在礦段中部及北部，嚴(yán)重影響礦體連續(xù)性，北東向和近東西向兩組斷層發(fā)育規(guī)模較小，主要分布在礦段北西邊緣及南緣，對(duì)礦體連續(xù)性的破壞較小。該磷礦山采用普通盤區(qū)房柱法以及單一通道混合運(yùn)輸分層開采法進(jìn)行開采，采用自然崩落充填采空區(qū)的方法管理頂板。

隨著礦層埋藏越來越深、斷面尺寸越來越大以及礦山采空區(qū)面積不斷增大，出現(xiàn)了頂板冒落、礦柱變形等一系列破壞現(xiàn)象(見圖1)，嚴(yán)重危害了作業(yè)人員及設(shè)備的安全。隨著杉樹埡磷礦逐漸轉(zhuǎn)入深部開采，地壓災(zāi)害顯現(xiàn)，成為新的安全管理難點(diǎn)，亟需對(duì)杉樹埡磷礦山地壓災(zāi)害開展深入研究。為此，2021年初中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所研究人員前往該礦區(qū)開展了地下磷礦山深部開采地壓監(jiān)測與分析，包括地壓應(yīng)力-微震原位綜合監(jiān)測、數(shù)值計(jì)算分析等，通過優(yōu)化開采設(shè)計(jì)以規(guī)避地壓風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，從而保障作業(yè)人員及設(shè)備的安全。

圖1 杉樹埡磷礦山地壓災(zāi)害Fig.1 Ground pressure disaster of the underground phosphate mine of Shanshuya

2 地壓應(yīng)力-微震原位綜合監(jiān)測

2. 1 地壓應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)及其布置

地壓應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)主要由光纖光柵空心包體應(yīng)力傳感器和波長解調(diào)儀組成。測試時(shí)，將光纖光柵空心包體應(yīng)力傳感器安裝進(jìn)鉆孔中，注入耦合劑將傳感器與圍巖耦合。單孔多點(diǎn)分布式測量時(shí)，傳感器之間采用剛性連接桿連接，單管快速接續(xù)，長度可調(diào)，確保所有傳感器初始角度一致，傳感器一端光纖接波長解調(diào)儀。光纖光柵空心包體應(yīng)力傳感器是地壓應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)中最重要的部分，由9個(gè)光纖光柵空心包體應(yīng)力傳感器和1個(gè)溫度傳感器串接組成，通過在空心環(huán)氧樹脂圓筒中部表面布置測環(huán)來測量不同方位的應(yīng)變，每個(gè)測環(huán)上均布有3個(gè)測點(diǎn)，每個(gè)測點(diǎn)上有3個(gè)應(yīng)力傳感器，3個(gè)應(yīng)力傳感器的方向與圓筒軸線分別呈0°、45°和90°。將每個(gè)光纖粘貼在預(yù)制凹槽的環(huán)氧樹脂薄筒上后，再澆筑一層薄的環(huán)氧樹脂層，最終制成一個(gè)應(yīng)力傳感器，如圖2所示。該應(yīng)力傳感器具備防水抗壓能力，感應(yīng)面采用專用涂料涂覆，其他部位采用膠水填充。單支應(yīng)力傳感器的光纜出纖采用TPU材質(zhì)外徑3.0 mm鎧裝光纜，尾部有FC/APC接頭，中間無接續(xù)點(diǎn)，無需現(xiàn)場熔接。

圖2 光纖光柵空心包體應(yīng)力傳感器示意圖Fig.2 Diagram of FBG hollow inclusion stress sensor

杉樹埡磷礦山變形破壞主要有頂板冒落、板狀冒落和礦柱變形等，因此為了監(jiān)測頂板及礦柱圍巖的地壓應(yīng)力活動(dòng)規(guī)律，在杉樹埡磷礦303Q1采區(qū)共布置4個(gè)監(jiān)測鉆孔，包括2個(gè)水平鉆孔和2個(gè)豎直鉆孔，并在監(jiān)測鉆孔內(nèi)安裝了6個(gè)光纖光柵空心包體應(yīng)力傳感器作為6個(gè)地壓應(yīng)力測點(diǎn)，用于監(jiān)測303Q1采區(qū)開采過程中礦山頂板及礦柱圍巖內(nèi)部三維擾動(dòng)應(yīng)力的變化情況。監(jiān)測鉆孔位置和監(jiān)測鉆孔內(nèi)地壓應(yīng)力測點(diǎn)信息見圖3和表1，圍巖擾動(dòng)應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場光纖實(shí)時(shí)傳送至礦下監(jiān)控中心，并通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

圖3 杉樹埡磷礦303Q1采區(qū)圍巖擾動(dòng)應(yīng)力監(jiān)測鉆孔 位置平面圖Fig.3 Plan of disturbance stress monitoring drill holes in 303Q1 mining area of Shashuya phosphate mine

表1 監(jiān)測鉆孔內(nèi)地壓應(yīng)力測點(diǎn)信息

2. 2 地壓微震監(jiān)測系統(tǒng)及其布置

地壓顯現(xiàn)之前在地壓區(qū)域會(huì)出現(xiàn)一系列巖體破裂信息，地壓微震監(jiān)測技術(shù)利用在空間上不同方位布設(shè)的地壓微震傳感器，可實(shí)時(shí)感知這些巖體破裂信息，并通過對(duì)這些巖體破裂信息的分析，可提前預(yù)警地壓風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)杉樹埡磷礦303Q1采區(qū)，于2021年引入地壓微震監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)的硬件部分主要由微震傳感器、網(wǎng)絡(luò)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、網(wǎng)絡(luò)地震處理器、網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)、微震監(jiān)測服務(wù)器和智能不間斷電源等組成；該系統(tǒng)的軟件部分主要由系統(tǒng)運(yùn)行控制軟件Synapse、數(shù)據(jù)處理分析軟件Trace、數(shù)據(jù)三維可視化及解譯軟件Vantage和微震事件三維實(shí)時(shí)顯示軟件Ticker 3D組成。

本套地壓微震監(jiān)測系統(tǒng)主體上由地面監(jiān)控中心、礦下監(jiān)控中心、數(shù)據(jù)處理分析決策中心3部分組成，并通過互聯(lián)網(wǎng)與決策部門形成信息互動(dòng)。該礦區(qū)地壓微震傳感器的空間布置見圖4，針對(duì)杉樹埡磷礦區(qū)現(xiàn)場實(shí)際情況，遵從地壓微震傳感器布置的基本原則，從南向北依次布置7個(gè)地壓微震傳感器，形成空間梯度，地壓微震傳感器空間陣列包圍近期開采區(qū)域。本次監(jiān)測所用的地區(qū)微震傳感器為自主研發(fā)的高精度、高靈敏度、速度型的微震傳感器，頻寬為10～2 000 Hz，靈敏度達(dá)到100 V/(m·s)。

圖4 杉樹埡磷礦區(qū)地壓微震傳感器空間布置圖Fig.4 Spatial arrangement diagram of ground pressure microseismic sensors in Shanshuya phosphate mine

礦下地壓微震監(jiān)控站布置在303Q1采區(qū)，地壓微震監(jiān)測數(shù)據(jù)及圍巖擾動(dòng)應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場光纖實(shí)時(shí)傳送至工區(qū)的地面監(jiān)控中心。將現(xiàn)場地壓微震監(jiān)測結(jié)果與技術(shù)人員實(shí)時(shí)分析結(jié)果傳輸?shù)较嚓P(guān)專家辦公室，以便相關(guān)人員及時(shí)了解現(xiàn)場地壓微震活動(dòng)情況，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果及時(shí)對(duì)現(xiàn)場情況進(jìn)行決策、指揮與管理。地面監(jiān)控中心包含兩個(gè)分析中心，一個(gè)設(shè)立在工程現(xiàn)場，負(fù)責(zé)應(yīng)力-微震數(shù)據(jù)的系統(tǒng)分析、現(xiàn)場地質(zhì)勘察與地壓災(zāi)害分析；另一個(gè)設(shè)立在中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，負(fù)責(zé)理論研究、數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析以及數(shù)值模擬和地壓預(yù)警綜合決策。兩個(gè)分析中心統(tǒng)籌協(xié)作，充分利用各自的專業(yè)經(jīng)驗(yàn)和特色，共同完成杉樹埡磷礦區(qū)地壓監(jiān)測與分析工作。

2. 3 監(jiān)測數(shù)據(jù)處理

井下每日施工會(huì)產(chǎn)生各種各樣的典型地壓微震監(jiān)測波形，大量的地壓微震監(jiān)測波形處理不僅工作量大、耗時(shí)長，更重要的是影響對(duì)圍巖穩(wěn)定性的分析與判斷，因此對(duì)各種波形進(jìn)行識(shí)別判斷，準(zhǔn)確識(shí)別巖石破裂的真實(shí)波形十分必要。井下工作環(huán)境復(fù)雜，施工產(chǎn)生的各種地壓微震監(jiān)測波形種類繁多(見圖5)，大致可分為：①爆破波形，井下爆破多為微差爆破，爆破波形信號(hào)明顯特征為多峰值疊加，這些噪音信號(hào)與圍巖破裂產(chǎn)生的微震信號(hào)相比具有較為明顯的差異特征；②機(jī)械鑿巖波形，錨桿鉆機(jī)鑿巖信號(hào)為斷續(xù)型信號(hào)，整體持續(xù)時(shí)間較長，但單個(gè)信號(hào)持續(xù)時(shí)間較短，主要為錨桿鉆機(jī)沖擊鑿巖產(chǎn)生；③電信號(hào)干擾波形，其波動(dòng)規(guī)律不明顯，部分振幅較低；④巖石破裂波形，其波形成分單一，振幅在幾十到幾百毫伏，衰減過程中尾波較發(fā)育。采用小波-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)多指標(biāo)噪聲綜合濾除方法對(duì)監(jiān)測到的信號(hào)進(jìn)行濾波處理，剔除噪音信號(hào)，獲取巖體破裂信號(hào)。提取巖體破裂信號(hào)波形時(shí)，利用粒子群全局搜索技術(shù)獲取其震源位置及發(fā)震時(shí)間[18]。

圖5 典型的地壓微震監(jiān)測波形Fig.5 Typical microseismic monitoring waveform of ground pressure

本文所用到的主要應(yīng)力和地壓微震監(jiān)測相關(guān)參數(shù)介紹如下：

(1) 圍巖應(yīng)力擾動(dòng)度。巖體工程中通常采用主應(yīng)力大小和方向表征應(yīng)力，在隧洞開挖過程中，圍巖主應(yīng)力大小和方向都會(huì)發(fā)生變化，引入張量間距離的概念建立圍巖應(yīng)力擾動(dòng)度指標(biāo)，用來定量描述圍巖應(yīng)力擾動(dòng)程度。歐幾里得距離也稱歐氏距離，在n維空間內(nèi)，兩點(diǎn)間最短的線段的長度即為其歐氏距離。對(duì)于兩個(gè)標(biāo)量x1和x2，它們之間的歐幾里得距離即為差值的絕對(duì)值：

d(x1,x2)=|x1-x2|

(1)

張量間的歐幾里得距離的計(jì)算公式為

(2)

其中，‖·‖F(xiàn)代表F范數(shù)，其計(jì)算式為

(3)

式中:tr(·)為矩陣的跡。

圍巖應(yīng)力發(fā)生改變，應(yīng)力張量由Sa變?yōu)镾b。在同一個(gè)坐標(biāo)系下，圍巖擾動(dòng)應(yīng)力變化ΔS為

(4)

根據(jù)式(2)與(3)，定義圍巖應(yīng)力分量空間內(nèi)Sa到Sb的張量距離為圍巖應(yīng)力擾動(dòng)度(Stress Disturbed Index，SDI)：

(5)

(2) 微震釋放能。巖體發(fā)生破裂時(shí)儲(chǔ)存在巖體中的一部分應(yīng)變能以應(yīng)力波的形式釋放，應(yīng)力波攜帶的這部分能量稱為微震釋放能。在時(shí)間域上，微震釋放能與經(jīng)過遠(yuǎn)場速度脈沖時(shí)間函數(shù)的平方值矯正后的微震波形在時(shí)間段[0,ts]上的積分成正比，即：

(6)

(3) 震級(jí)。微震事件的量級(jí)常引用描述地震量級(jí)的震級(jí)來表征，由于不同國家有不同的地震研究歷史和震級(jí)計(jì)算公式，目前有多種不同的震級(jí)標(biāo)度。本文采用的是局部震級(jí)，其同時(shí)考慮了微震釋放能和地震矩，局部震級(jí)的計(jì)算公式如下：

mL=0.344lgE+0.516lgM0-6.572

(7)

式中：mL為局部震級(jí);E為微震釋放能(J);M0為地震矩。

3 地壓分析與預(yù)警

3. 1 圍巖擾動(dòng)應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果與分析

杉樹埡磷礦山監(jiān)測區(qū)域開采過程中圍巖主應(yīng)力測試結(jié)果及圍巖應(yīng)力擾動(dòng)度，見圖6。

圖6 杉樹埡磷礦山監(jiān)測區(qū)域開采過程中圍巖主應(yīng)力 測試結(jié)果及圍巖應(yīng)力擾動(dòng)度Fig.6 Testing results of principal stress and SDI of surrounding rock during exploitation process in monitoring area of the phosphate mine of Shashuya

由圖6(a)、(b)、(c)可見：礦區(qū)監(jiān)測區(qū)域開采過程中各測點(diǎn)位置處圍巖的最小主應(yīng)力增加約2～4 MPa(壓應(yīng)力以負(fù)值表示)，中間主應(yīng)力增加約4～8 MPa，最大主應(yīng)力增加約4～10 MPa；各測點(diǎn)位置處圍巖最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力的差值增大，圍巖產(chǎn)生破壞的傾向隨時(shí)間增大；測試開始階段，各測點(diǎn)位置處圍巖主應(yīng)力變化的差異不大，在長期監(jiān)測的3個(gè)測點(diǎn)中，水平4#鉆孔的兩個(gè)測點(diǎn)(3#、4#測點(diǎn))位置處圍巖最大主應(yīng)力的變化基本一致，其變化幅度大于豎直2#鉆孔內(nèi)5#測點(diǎn)的最大主應(yīng)力變化；其余3個(gè)測點(diǎn)中，水平鉆孔內(nèi)測點(diǎn)位置處圍巖最大主應(yīng)力的變化幅度也大于同時(shí)期豎直鉆孔內(nèi)測點(diǎn)；由各個(gè)測點(diǎn)位置處圍巖正應(yīng)力與主應(yīng)力的對(duì)比結(jié)果發(fā)現(xiàn)，各測點(diǎn)處圍巖主應(yīng)力變化最大的方向?yàn)镹S或豎直方向，變化較小的方向?yàn)镋W向，由此推測原巖最大主應(yīng)力方向?yàn)榻麼S向，最小主應(yīng)力方向?yàn)榻麰W向，最大主應(yīng)力以豎直自重應(yīng)力為主，這可為礦區(qū)初始地應(yīng)力方向判斷提供參考。

由圖6(d)可見：水平4#鉆孔內(nèi)的兩個(gè)測點(diǎn)(3#、4#測點(diǎn))位置處圍巖應(yīng)力擾動(dòng)程度基本一致，變化幅度最大；水平1#鉆孔內(nèi)的2#測點(diǎn)位置處圍巖受開采擾動(dòng)的影響大于1#測點(diǎn)，表明圍巖深部承載力更大；受開采擾動(dòng)的影響，豎直2#鉆孔內(nèi)5#測點(diǎn)位置處圍巖應(yīng)力擾動(dòng)出現(xiàn)兩次下降，表明圍巖應(yīng)力卸荷，豎直4#鉆孔內(nèi)6#測點(diǎn)位置處距離開采面較遠(yuǎn)，因此圍巖應(yīng)力變化較小?？傮w來看，鉆孔內(nèi)各測點(diǎn)圍巖SDI值前期呈線性增加，隨著時(shí)間的增加，其變化幅度降低，代表圍巖應(yīng)力調(diào)整變慢；在圍巖應(yīng)力調(diào)整過程中，除了豎直2#鉆孔內(nèi)5#測點(diǎn)外，其余測點(diǎn)未發(fā)現(xiàn)顯著的圍巖應(yīng)力突增或突降，代表圍巖內(nèi)部應(yīng)力變化并不劇烈，但圍巖應(yīng)力仍持續(xù)增加，尚未完全進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

3. 2 地壓微震監(jiān)測結(jié)果與分析

杉樹埡磷礦區(qū)微震活動(dòng)略顯活躍，其中2021年5月1日—7月9日期間微震活動(dòng)空間分布見圖7。不同顏色代表不同震級(jí)大小的微震事件；球體大小代表微震釋放的能量大小，球體越大微震釋放的能量越大；累計(jì)出現(xiàn)微震事件數(shù)為2 300余個(gè)。

圖7 杉樹埡磷礦區(qū)微震活動(dòng)空間分布圖(2021年 5月1日—7月9日)Fig.7 Spatial distribution of microseismicity in the phosphate mine of Shashuya(May 1-July 9, 2021)

由圖7可知：該礦區(qū)上層巖體微震活動(dòng)性高于開采層及下層，故地壓控制應(yīng)以上層巖體為重點(diǎn)?，F(xiàn)場巖體地壓破壞統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，礦區(qū)巖體破壞集中分布于上層及開采層，下層巖體未見高應(yīng)力破壞現(xiàn)象。

2021年5月1日—7月9日期間杉樹埡磷礦區(qū)微震事件數(shù)和微震釋放能隨時(shí)間的演化特征，見圖8。

圖8 杉樹埡磷礦區(qū)微震事件數(shù)和微震釋放能隨時(shí)間 的演化特征(2021年5月1日—7月9日)Fig.8 Evolution law of microseismic event numbers and their energy with time in the phosphate mine of Shashuya (May 1-July 9,2021)

由圖8可見：該礦區(qū)微震事件數(shù)和微震釋放能隨時(shí)間呈現(xiàn)波動(dòng)演化，說明地壓風(fēng)險(xiǎn)程度呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化特征；礦區(qū)微震事件數(shù)平均每天30個(gè)，局部日期微震事件數(shù)每天接近100個(gè)，整體較為活躍。

2021年5月1日—7月9日期間杉樹埡礦區(qū)微震事件釋放能量的頻次分布，見圖9。

圖9 杉樹埡磷礦區(qū)微震事件釋放能量的頻次分布圖 (2021年5月1日—7月9日)Fig.9 Frequency distribution chart of microseismic energy in the phosphate mine of Shashuya(May 1,2021- July 9,2021)

由圖9可見：該礦區(qū)微震事件釋放的能量整體水平較低，其釋放能量的對(duì)數(shù)集中在[-3,0]區(qū)間內(nèi)，微震釋放能的對(duì)數(shù)lgE<0的比例為90.7%，以小事件為主；存在極少量釋放能量大于103J的微震事件，所占比例不到1%。由上述監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，目前該礦區(qū)整體上高強(qiáng)度地壓的風(fēng)險(xiǎn)較低。

2021年6月1日—6月15日杉樹埡磷礦區(qū)微震事件地壓響應(yīng)空間分布，見圖10。

圖10 杉樹埡磷礦區(qū)微震事件地壓響應(yīng)空間分布圖(2021年6月1日—6月15日)Fig.10 Spatial distribution of ground pressure response of mircoseismic events in the phosphate mine of Shashuya(June 1 -June 15,2021)

由監(jiān)測信息可知：冒頂破壞發(fā)生前，該礦區(qū)在發(fā)生冒頂破壞的區(qū)域密集出現(xiàn)了一系列微震事件，兩者具有較好的空間一致性，而微震事件密集發(fā)生，預(yù)示潛在的地壓風(fēng)險(xiǎn)；但在發(fā)生冒頂破壞區(qū)域的微震事件釋放的能量均較小，未出現(xiàn)大能量微震事件，且微震事件的局部震級(jí)基本在-3左右，說明冒頂破壞區(qū)域巖體內(nèi)部破裂強(qiáng)度較低，未發(fā)生高強(qiáng)度巖體破裂，預(yù)示現(xiàn)場破壞程度較低?，F(xiàn)場巖體破壞記錄表明，巖體破壞呈逐步剝落發(fā)生，破壞面積約為10 m2，巖體破壞深度約為20～30 cm，鋼筋網(wǎng)隨巖體破壞過程發(fā)生脫落，鋼筋網(wǎng)破壞后采用了錨網(wǎng)支護(hù)。實(shí)踐表明，地下磷礦山深部開采地壓微震監(jiān)測是可行的。

3. 3 地壓數(shù)值模擬結(jié)果與分析

為了研究杉樹埡磷礦區(qū)開采過程中地壓的響應(yīng)特征，構(gòu)建了303Q1采區(qū)周圍區(qū)域考慮山體地形的三維數(shù)值計(jì)算模型，見圖11。將計(jì)算模型劃分為200萬個(gè)單元、120萬個(gè)節(jié)點(diǎn)；3個(gè)坐標(biāo)軸的方位分別為x軸為大地坐標(biāo)東方向，y軸為大地坐標(biāo)北方向，z軸為豎直方向；沿x軸和y軸的計(jì)算范圍為350 m，豎直方向從海拔600 m到山頂，礦區(qū)底板高程為850 m，高3.5 m。

圖11 杉樹埡磷礦區(qū)山體三維數(shù)值計(jì)算模型Fig.11 Three-dimensional numerical calculation model of mountain and mining area in the phosphate mine of Shashuya

地下工程巖體在由開挖前的三向應(yīng)力狀態(tài)向開挖后的二向應(yīng)力狀態(tài)調(diào)整過程中，應(yīng)力集中或卸荷使得圍巖力學(xué)狀態(tài)劣化并導(dǎo)致其屈服破壞。實(shí)際上，在圍巖二次應(yīng)力調(diào)整與損傷破壞的過程中，巖體的基本力學(xué)性質(zhì)發(fā)生了明顯的變化。從細(xì)觀層面來看，表層圍巖物性參數(shù)發(fā)生明顯劣化的原因一方面是卸荷作用導(dǎo)致原處于密閉狀態(tài)下的巖體細(xì)微裂隙趨于張開，另一方面洞壁環(huán)向應(yīng)力的劈裂作用和施工擾動(dòng)進(jìn)一步加劇了巖體原有裂隙的擴(kuò)展和新的裂隙的產(chǎn)生；從宏觀層面來看，可認(rèn)為是巖體變形模量(E)、黏聚力(c)、內(nèi)摩擦角(φ)等發(fā)生改變的過程。因此，采用劣化本構(gòu)模型，根據(jù)室內(nèi)單軸及三軸試驗(yàn)估算該礦區(qū)圍巖的變形參數(shù)與強(qiáng)度參數(shù)，得到礦山圍巖力學(xué)參數(shù)的具體取值見表2。

表2 杉樹埡磷礦區(qū)圍巖力學(xué)參數(shù)取值

通過三維數(shù)值模擬得到2021年4月至2022年4月杉樹埡磷礦區(qū)303Q1采區(qū)開采前后的地壓應(yīng)力響應(yīng)云圖，見圖12。

圖12 杉樹埡磷礦區(qū)303Q1采區(qū)開采前后的地壓應(yīng)力響應(yīng)云圖(2021年4月至2022年4月)Fig.12 Cloud diagram of stress response before and after mining of 303Q1 mining area in the phosphate mine of Shashuya(April,2021-April,2022)

由圖12可以看出：在礦區(qū)新形成巷道周圍圍巖的地壓應(yīng)力由原巖應(yīng)力變?yōu)閿_動(dòng)應(yīng)力狀態(tài)，最大主應(yīng)力由12～13 MPa增加為20～34 MPa，最小主應(yīng)力由7 MPa減小為-0.5～4 MPa，由此導(dǎo)致巷道周圍圍巖的最大剪應(yīng)力達(dá)到10～15 MPa，局部拉應(yīng)力達(dá)到0.5～1 MPa。因此，該礦區(qū)巷道周圍圍巖可能出現(xiàn)了剪切破壞、拉破壞和拉伸剪切破壞。

杉樹埡磷礦303Q1采區(qū)開采前后的圍巖應(yīng)力擾動(dòng)度(SDI)云圖，見圖13。

圖13 杉樹埡磷礦區(qū)303Q1采區(qū)開采前后的圍巖應(yīng)力 擾動(dòng)度(SDI)云圖Fig.13 Cloud diagram of SDI before and after mining of 303Q1 mining area in the phosphate mine of Shashuya

由圖13可以看出：從2021年4月至2022年4月，該礦區(qū)圍巖應(yīng)力擾動(dòng)度SDI值為1～25 MPa，其變化范圍為礦房新開采位置，而在舊的采空區(qū)，圍巖應(yīng)力變化不大，圍巖應(yīng)力擾動(dòng)深度約為1～1.5 m，應(yīng)力擾動(dòng)往往沿著不利于圍巖穩(wěn)定的路徑，SDI值大的位置圍巖也容易產(chǎn)生損傷破裂，因此礦房支護(hù)深度最少應(yīng)達(dá)到2 m左右。對(duì)比三維圍巖擾動(dòng)應(yīng)力測試結(jié)果，圍巖最大主應(yīng)力測量結(jié)果增加約4～10 MPa，最小主應(yīng)力增加約2～4 MPa，最大剪應(yīng)力增加約2～6 MPa，小于數(shù)值模擬的結(jié)果；而圍巖應(yīng)力擾動(dòng)度的變化范圍在8～14 MPa之間，也小于數(shù)值模擬結(jié)果。

因此，根據(jù)綜合測試結(jié)果，目前該礦區(qū)地壓擾動(dòng)尚處于安全范圍內(nèi)。

4 結(jié) 論

(1) 開展了地下磷礦山深部開采地壓應(yīng)力-微震綜合監(jiān)測，針對(duì)湖北杉樹埡地下磷礦山深部開采，在2個(gè)水平鉆孔和2個(gè)豎直鉆孔中安裝了6個(gè)光纖光柵空心包體應(yīng)力傳感器，在頂板中安裝了7個(gè)地壓微震傳感器。傳感器從南至北形成空間梯度，地壓微震傳感器空間陣列包圍近期開采區(qū)域，成功地捕獲并識(shí)別了地下磷礦山深部開采擾動(dòng)應(yīng)力與巖體微破裂信息。

(2) 礦區(qū)監(jiān)測區(qū)域開采過程中，圍巖的最大主應(yīng)力增加約4～10 MPa，主應(yīng)力變化最大的方向?yàn)槟媳?N/S)或豎直方向，水平鉆孔地壓應(yīng)力受擾動(dòng)程度大于豎直鉆孔，圍巖深部承載力更大；隨著開采時(shí)間的推移，圍巖擾動(dòng)應(yīng)力調(diào)整幅度降低但仍持續(xù)增加，需持續(xù)觀測。

(3) 礦區(qū)監(jiān)測區(qū)域微震活動(dòng)略顯活躍且隨時(shí)間呈現(xiàn)波動(dòng)變化，上層巖體微震活動(dòng)性高于開采層及下層，微震釋放的能量以小事件為主，微震釋放能量的對(duì)數(shù)集中在[-3,0]區(qū)間內(nèi)。頂板破壞發(fā)生前，在破壞區(qū)域密集出現(xiàn)了一系列微震事件，頂板破壞與微震活動(dòng)兩者具有較好的空間一致性，表明地下磷礦山深部開采地壓微震監(jiān)測可行。

(4) 開采全過程數(shù)值模擬結(jié)果表明，在礦區(qū)新形成的巷道周圍圍巖的地壓應(yīng)力由原巖應(yīng)力變?yōu)閿_動(dòng)應(yīng)力狀態(tài)，圍巖的最大主應(yīng)力由12～13 MPa增加為20～34 MPa；圍巖應(yīng)力擾動(dòng)度SDI值的變化范圍為1～25 MPa，圍巖應(yīng)力擾動(dòng)深度約為1～1.5 m，故3030Q1采區(qū)支護(hù)深度最少應(yīng)達(dá)到2 m。三維圍巖擾動(dòng)應(yīng)力原位測試結(jié)果及圍巖應(yīng)力擾動(dòng)度均小于數(shù)值模擬結(jié)果。