深部区域采矿时序的地压调控卸荷效应研究

doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2020.03.026

深部区域采矿时序的地压调控卸荷效应研究

于世波^,¹^,²^,³, 杨小聪^,¹^,²^,³, 原野¹^,³, 王志修¹^,³

1.矿冶科技集团有限公司，北京 102628

2.北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083

3.国家金属矿绿色开采国际联合研究中心，北京 102628

Research on Destress Effect of Ground Pressure Control for the Time-space Mining Sequence at Depths

YU Shibo^,¹^,²^,³, YANG Xiaocong^,¹^,²^,³, YUAN Ye¹^,³, WANG Zhixiu¹^,³

1.BGRIMM Technology Group，Beijing 102628，China

2.School of Civil and Resource Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China

3.National Centre for International Research on Green Metal Mining，Beijing 102628，China

通讯作者: 杨小聪（1965-），男，江西泰和人，研究员，从事深部岩体力学和充填采矿技术等研究工作。 yxcong@bgrimm.com

收稿日期: 2019-12-31 修回日期: 2020-03-10 网络出版日期: 2020-07-01

基金资助:

国家重点研发计划项目“深部金属矿协同开采理论与技术”. 2016YFC0600709
“深部大矿段采动环境监测及地压动态调控技术”. 2017YFC0602904

Received: 2019-12-31 Revised: 2020-03-10 Online: 2020-07-01

作者简介 About authors

于世波（1985-），男，山东诸城人，博士研究生，从事深部采矿岩石力学与工程灾害控制方面的研究工作yushibo@bgrimm.com , E-mail：yushibo@bgrimm.com

摘要

深部区域采矿时序是深部地压管控的重要战略方法之一，其卸荷力学效应与回采时序密切相关。针对构建的深部由中心向四周回采的立体式大区域开采力学模型，基于应力转移过程和岩爆应力风险特征，研究从单个采场到多个采场回采过程中的应力演化规律和岩爆应力风险变化规律。研究结果表明：深部从中心到四周的立体式回采顺序能够实现采矿作业区高应力的逐步转移和应力风险的渐进推移，深部区域采矿时序的地压调控卸荷效应是通过回采时序的合理设置实现期望的卸荷应力环境再造和深部采矿应力风险的渐进转移过程行为。基于数值模拟与微震监测相结合的互馈分析技术，实现大区域数值模拟与微震监测大数据的高度融合、实时动态分析与跟踪评价，是深部区域采矿时序的地压调控卸荷效果评价的有效方法。深部开采区域时序调控卸荷效应的本质是主动创造高应力环境中低值应力卸荷区思想，这一思想已在加拿大Nickel Rim South矿得到了实践应用，取得良好的卸荷效果并实现了地压的合理管控，对于我国深部、超深部开采具有重要的指导意义。

关键词： 深部区域 ; 应力转移 ; 采矿时序 ; 数值模拟 ; 岩爆应力风险 ; 卸荷

Abstract

The regional time-space mining sequence is one of the important strategic methods for underground pressure management at depths and destress mechanical effect is closely related to the time-space mining sequence itself. Aiming at the large-area mining mechanical model of three-dimensional mining sequence from the centre to the periphery at depths， based on the stress transfer process and characteristics of rockburst stress hazard， the stress evolution laws and changes of rockburst stress hazard were studied during the mining process from a single stop to multiple stopes.The research results show that the three-dimensional mining sequence from the center to the periphery at depths can gradually realize the gradual transfer of high stress and the gradual transition of stress hazard around the mining operation area.The destress effect of ground pressure control for the time-space mining sequence at depths is to achieve the desired destress environment reconstruction and the progressive transfer of the stress hazard through the reasonable setting of the three-dimensional mining sequence.The mutual feedback analysis technology based on the combination of numerical simulation and microseismic monitoring could realize high integration of large area numerical simulation and big data of microseismic monitoring， real-time dynamic analysis and tracking evaluation， and it is an effective method to evaluate the destress effect of ground pressure control for the time-space mining sequence at depths.The essence of the destress effect of ground pressure control for the time-space mining sequence at depths is the idea to actively create low stress destress zone in the high-stress environment.This idea had been applied at Nickel Rim South mine in Canada， which had achieved a good destress effect and realized reasonable management for ground control. It is believed that this idea has important guiding significance for deep and ultra-deep mining in China.

Keywords： deep region ; stress migration ; time-space mining sequence ; numerical simulation ; rockburst stress hazard ; destress

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本文引用格式

于世波, 杨小聪, 原野, 王志修. 深部区域采矿时序的地压调控卸荷效应研究[J]. 黄金科学技术, 2020, 28(3): 345-352 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2020.03.026

YU Shibo, YANG Xiaocong, YUAN Ye, WANG Zhixiu. Research on Destress Effect of Ground Pressure Control for the Time-space Mining Sequence at Depths[J]. Gold Science and Technology, 2020, 28(3): 345-352 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2020.03.026

我国浅部矿产资源逐渐枯竭，通过创新深部资源探测技术，深部已探明的资源量逐步增加，资源开发不断走向地球深部，深部资源开采已成为新常态。由于深部高应力的特殊地质力学环境，随着深度的增加，深部金属矿开采过程中灾害频次显著增高、量级不断增大。灾害事故的主要类型之一是深部普遍面临的高应力岩爆^[1,2,3,4]，我国诸多千米深井已经出现了高应力岩爆现象^[5]。由于采矿过程中人员及设备长时间暴露的特殊性，深部高应力采矿区域尤其是深部开采的岩爆隐患区的人员和设备面临较高的岩爆风险，如何降低这种风险水平是一项技术难题。

深部开采的岩爆风险管控首先应从战略上布局，战略方法的特点是具有前瞻性，一般跟采矿设计和规划相关。虽然一些战略方法可能被认为不经济或低效，但是从另一个视角来看又是正确的，因为这些战略方法能够大大降低采矿过程中可能发生的停产风险、降低矿石损失和缩短工作人员在高岩爆风险区域的暴露时间。深部回采时序优化是战略方法之一，深部回采时序管理和地压调控的核心和本质是促使开采作业的区域趋于低值应力区，尽量在非开采作业区形成高值应力区，即通过调整回采时序来实现开采作业区域附近岩体的有效卸荷。

针对深部卸荷方面的研究，我国主要采用λ模糊测度、Choquet积分和数值模拟等手段，根据开采过程中应力、变形和塑性区的发展等来优化特定矿山条件下的回采顺序^[6,7,8,9,10]，针对采矿过程中以高应力岩爆风险管控为主要目标的回采顺序和卸荷效果评价方面的研究相对较少，这与我国深井矿山的数量较少、深度较浅有直接关系。加拿大、澳大利亚等国家先后发展了用于采矿活动卸荷的应力方法、能量方法和刚度方法^{[11,12,13,14,15]}，实现的途径主要是借助有限差分、边界元等数值模拟软件完成与采矿过程的协同分析^[16,17]；近年来，澳大利亚ACG开发的mχrap系统在评估地压风险管控和采矿卸荷效果方面以其独特的现场实用性得到了各大深采矿山的青睐^[18,19]。

本文针对深部区域采矿过程，构建深部由中心向四周回采的大区域开采力学模型。基于应力转移过程和岩爆应力风险特征，研究从单个采场到多个采场回采过程中的应力演化规律和岩爆应力风险演化规律，揭示深部区域回采时序的地压调控机制及其内部空间卸荷效应，结合实例提出了针对深部区域采矿时序的地压调控卸荷效果评价方法，并以工程实例对深部区域采矿时序的地压调控卸荷效应进行了论证说明。

1 区域开采力学模型

本次区域采矿力学模型以我国西南地区地应力水平高和开拓水平深的会泽铅锌矿力学环境为分析力学背景，并将这一力学背景贯穿于整个深部区域采矿时序的地压调控卸荷效应分析过程。

会泽铅锌矿深部岩体为陡山陀组白云岩，单轴抗压强度为178.20 MPa，岩体结构较为完整，岩体质量RMR值为63，属于典型的高硬、高强、高脆性岩体，在深部开采及掘进过程中易发生应变型岩爆。

根据驰宏科技工程股份有限公司与北京矿冶科技集团有限公司分别在矿山厂1 584 m水平（埋深810 m）和1 274 m水平（埋深1 120 m）开展的地应力测量结果，推测894 m（埋深约1 500 m）水平地应力大小为：σ₁=84.7 MPa，σ₂=54.0 MPa，σ₃=44.6 MPa。其中最大主应力方向为与滇东北主控断裂构造和矿区矿山厂、麒麟厂断层近似垂直的NWW方向，最小主应力为近竖直方向。本次分析以894 m水平的地应力大小和方向为基准。

为了研究深部区域采矿时序的地压调控卸荷效应，构建了450 m×600 m×450 m的分析模型，模型共包括149 760个单元、155 844个节点，所模拟的单个采场尺寸为30 m×15 m×20 m。鉴于研究采矿时序的地压调控卸荷效应不需要考虑岩体破坏后峰后力学行为影响，本次采用FLAC^3D中的摩尔—库仑模型，岩体具体参数如表1所示。基于地下开挖后压力拱原理，提出了深部厚大矿体从中心到四周的立体式回采顺序，如图1所示。本次模拟主要设计了12个回采步序，模拟时严格按照图1（b）所示的回采顺序。这种布置可以不断调整采场在时间和空间的序次和位置，逐渐实现应力转移。为了评估开采过程中的地压调控卸荷效应，本次采用回采过程中的应力演化规律和岩爆应力风险演化特征2种评估方法。其中，近年来发展起来的以偏应力强度比追踪为代表的岩爆应力风险评价方法，由于其基于现场大数据岩爆事件、微震事件与采矿生产的综合分析，在加拿大Creighton矿得到了较好的应用^[11]，故将其作为本次分析的主要方法之一。其岩爆应力风险指标表达式为

S H = (σ_{1} - σ_{3}) / σ_{c}

（1）

式中：σ₁为扰动后最大主应力值（MPa）；σ₃为扰动后最小主应力值（MPa）；σ_c为岩石单轴抗压强度（MPa）。

表1 岩体物理力学参数

Table 1 Physical and mechanical parameters of rock mass

岩体名称	弹性模量/（GPa）	泊松比	重度/（kN·m^-3）	内摩擦角/（°）	黏聚力/（MPa）	抗拉强度/（MPa）
矿体	22.7	0.28	27.2	42.0	5.40	2.10
充填体	0.45	0.35	20.0	22.0	0.20	0.20

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图 1

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图 1 深部从中心到四周的立体式回采顺序

Fig.1 Three-dimensional mining sequence from the centre to the periphery at depths

由其确立的岩爆应力风险评判标准如下：

SH<0.4：岩爆应力风险很低；

0.4≤SH<0.5：岩爆应力风险低；

0.5≤SH<0.7：岩爆应力风险中等—高；

SH≥0.7：岩爆应力风险很高。

将以上表达式以fish语言的形式嵌入到FLAC^3D软件中的Zone Extra中，在模拟上实现对应力风险的真实表达。

2 深部区域采矿过程的应力演化及其岩爆应力风险变化

2.1 深部区域采矿过程应力演化规律

图2揭示了深部厚大矿体采用从中心到四周的回采顺序时应力场动态演化进程。由图2（a）可以看出，采场1回采后，采场周边的应力进行了重分布，此时采场虽然处于深部，但由于开采范围较小,采场周边的应力集中程度并不高，因此可以向四周任何一个方向开拓下一步的采场，必须在区域开采的早期利用这一优势，由此第2个采场选择了向上回采，如图2（b）所示。依此类推，第3个采场设置在最大主应力方向上，此时最大主应力值较采场1回采后升高了12 MPa，升高幅度明显，同时采场1附近的最小主应力方向出现一个低应力区，应力值范围为45~50 MPa。为了遏制局部应力增高趋势，在高应力区域暂时不适合布置采场，因而选择开采区域附近应力水平较低的位置布置了采场4。采场4的回采并没有加大开采区域的最大主应力值，反而在采场1和采场4之间主动创造了1个低值应力卸荷区，最大主应力值仍保持在45~50 MPa的范围内，并且这一卸荷区的边界线呈45°，约为1.5倍采场大小，这是深部采矿地压调控期望的一种采矿应力场景。为了使这个卸荷区进一步变大，在采场2的下方和上方分别布置了采场5和采场6，由图2（d）可以看出，采后的低应力卸荷区进一步扩大，这些卸荷将大大降低二步骤回采所面临的高应力岩爆灾害风险。利用不断调整采矿顺序主动创造卸荷区的思想，不断向外延拓展采场，不断创造低值应力卸荷区，如图2（e）~2（h）所示。从图2也可以看出，在持续创造卸荷区的过程中，最大主应力方向的应力值持续增大，在这个方向扩展采场时，要及时采取应力隔断帷幕等战术措施，保证在该方向扩展采场时的作业安全。

图2

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图2 深部从中心到四周的立体式回采顺序中应力场动态演化进程

Fig.2 Dynamic evolution of stress field for three-dimensional mining sequence from the centre to the periphery at depths

从中心到四周的采矿顺序通过合理布置不同采场的开采时间和开采位置，逐步将应力重分布后的高应力向整个区域回采的外围推移，在推移形成的内部空间创造了一个低值应力卸荷区域。相对于浅部“隔一采一”、“整体上向采矿”等回采顺序，深部开采中采用从中心到四周的回采顺序，仅仅是在一步骤开采时的外围推移阶段，应力集中程度高，在二步骤回采时，应力水平大大降低，这也是深部区域采矿顺序与浅部的一个重要区别。

2.2 深部区域采矿过程岩爆应力风险变化特征

图3揭示了深部厚大矿体采用从中心到四周的回采顺序时岩爆应力风险动态演化进程。在应力场不断向外围推移的过程中（图2），随着从中心向四周回采顺序的实施，高岩爆应力风险也逐步向外围推移，低值应力风险区在内部二步骤采场依次形成，岩爆应力风险的推移与最大主应力的推移具有相似规律。

图3

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图3 深部从中心到四周的立体式回采顺序中岩爆应力风险动态演化进程

Fig.3 Dynamic evolution of rockburst stress hazard for three-dimensional mining sequence from the centre to the periphery at depths

总体来看，最大岩爆应力风险指标基本低于0.5，属于低岩爆应力风险级别；通过合理设置一步骤采场开采时序，实现了待采的二步骤采场岩爆应力风险指标值低于0.15，比原岩应力场区域的应力风险指标更低，实现了二步骤待采采场的有效卸荷。

从一步骤开采岩爆应力风险向外围推移的空间分布以及二步骤待采采场的低岩爆应力风险指标可以看出，深部厚大矿体开采中从中心到四周的回采顺序实现了对深部应力的主动掌控，主动创造出了二步骤待采采场的卸荷区，充分说明在深部只要回采时序合理、开采规划把握准确、开采战略和战术运用得当，完全可以实现深部高应力区域的低岩爆风险采矿。

2.3 深部区域采矿时序地压调控卸荷效应的主动创造思想

图2和图3分别从深部区域开采过程的应力演化规律和岩爆应力风险变化特征方面对深部区域采矿时序的地压调控卸荷区的创造进行了总体分析，总结得到了深部区域采矿时序的地压调控卸荷效应主动创造原理如图4所示。深部开采由于受到高应力环境的约束，开采时序由一般浅部开采时的平面拉开发展到了全空间按照一定次序拉开的方式，这种拉开主要是利用了上述深部采矿全空间应力随开采顺序的演化规律，在空间上合理安排一步骤采场和二步骤采场。一步骤采场回采顺序布置能够将全部高应力推移到一步骤采矿轮廓线的外围，主动为后续回采的二步骤采场创造立体化的卸荷空间，从而实现了采矿外围为高应力岩爆隐患区、内部空间为低应力卸荷区，体现了深部区域采矿时序地压调控卸荷效应的主动创造思想。

图4

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图4 深部从中心到四周回采顺序的卸荷区分布及卸荷效应主动创造原理

Fig.4 Distribution of destress zones and creating principle of destress effect for mining sequence from the centre to the periphery at depths

3 区域采矿时序的地压调控卸荷效果评价及应用

3.1 深部区域采矿时序的地压调控卸荷效果评价方法

前文仅仅是从数值模拟的角度，从深部厚大矿体开采由中心到四周回采顺序的应力演化和岩爆应力风险演化方面论述了深部区域采矿时序的地压调控卸荷效应。总体而言，数值模拟揭示深部区域采矿时序的地压调控卸荷效应，即为通过回采时序的合理设置实现期望的作业区卸荷应力环境再造和深部采矿作业区应力风险的渐进转移过程行为，如图5（a）、5（a）所示。因此，可以采用数值模拟方式评价深部区域采矿时序的地压调控卸荷效果。

图5

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图5 基于应力转移—应力风险—地震风险的深部区域采矿时序的地压调控卸荷评价方法

Fig.5 Destress evaluation method of ground control for the time-space mining sequence at depths based on stress transfer， stress hazard and seismic hazard

由于深部地质力学环境复杂多变，单纯从数值模拟方式实现卸荷效果分析并推广到实际应用略显单薄，但是从生产实践中提取评价信息又较为困难。微震系统能够实时获取采矿过程中的高应力屈服破裂事件^[20]，因此，发展基于数值模拟与微震监测相结合的互馈分析技术，将大区域数值模拟研究与微震监测反馈的现场数据进行高度融合、实时动态分析和跟踪评价，将成为深部区域采矿时序的地压调控卸荷效果评价的有效方法，如图5所示。

3.2 工程应用实例

加拿大萨德伯里盆地嘉能可公司的Nickel Rim South矿是典型的深部开采矿山，采矿方法为空场嗣后充填法，矿山在进入1 000 m深度以后，岩爆事件频发，岩爆灾害严重。为了保持3 000 t/d的产能，必须同时有多个采矿水平生产层，回采时序也必须确保最大程度地提高生产效率，同时又能从战略上管理地压灾害风险。因此，矿山采用了由中心向四周的回采顺序，如图6（a）所示。如前所述，这种区域时序回采能够将高应力区整体向外推移，在内部形成低应力卸荷区，从战略对策上实现对深部地压的主动调控。为了从现场应用角度检验卸荷效果，矿山在2017年底安装了40支单分量地震检波器和18个15 Hz的三分量地震检波器，实现了对1 000~2 000 m埋深开采范围的地压监测全覆盖。图6（b）展示了1个一步骤已回采的区域，可以看出，通过区域回采时序的合理设置，在二步骤待采采场内部没有任何微震事件，说明该采场区域为低应力卸荷区；在一步骤采场外围侧壁及上方区域出现了大量的微震事件，这些微震事件代表了大量的高应力屈服破裂事件，说明通过区域回采时序的合理设置后高应力集中区被整体推移到了整个回采区域的外延，而内部空间则成为明显的卸荷区。以上实例充分说明了深部区域采矿的地压调控卸荷效应主动创造思想的合理性和对深部开采和地压灾害防控的适应性。

图6

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图6 加拿大Nickel Rim South矿的区域采矿时序的地压调控卸荷效果^[20]

Fig.6 Destress effect of ground control for the time-space mining sequence at Nickel Rim South mine in Canada^[20]

4 结论

（1）数值模拟揭示，深部区域采矿时序的地压调控卸荷效应是通过回采时序的合理设置来实现期望的卸荷应力环境再造和深部采矿应力风险的渐进转移过程行为。

（2）基于数值模拟与微震监测相结合的互馈分析技术，实现大区域数值模拟与微震监测大数据的高度融合、实时动态分析与跟踪评价，是深部区域采矿时序的地压调控卸荷效果评价的有效方法。

（3）深部区域采矿时序调控卸荷效应的本质是主动创造高应力环境中低值应力卸荷区的思想，实现深部采矿应力环境的主动再造。这一思想已在加拿大Nickel Rim South矿得到了实践应用，取得良好的卸荷效果，对于我国深部、超深部开采具有重要的指导意义和借鉴作用。

http://www.goldsci.ac.cn/article/2020/1005-2518/1005-2518-2020-28-3-345.shtml

参考文献

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文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

Hedley

D G F

Rockburst Handbook for Ontario Hardrock Mines

[R].Ottawa：Minister of Supply and Services Canada，1992.