CN110244354A - 一种金属矿山地下开采扰动应力场定量动态反演方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种金属矿山地下开采扰动应力场定量动态反演方法，涉及金属矿山地下开采技术领域。该方法首先构建微震监测系统，识别岩体破裂信号，对岩体破裂源位置进行精确定位；基于地球物理学理论，反演计算获得岩体内部视应力分布特征；采用应力解除测试方法获得监测区域内有限测点的真实应力值；基于有限测点实测应力对微震视应力场进行校准，确定微震视应力场定量修正参数，获得监测区域岩体内部真实应力场；获得金属矿山地下开采扰动应力场动态演化特征。本发明具有实时、定量反演大范围地下开采岩体内部动态应力场的优点。
Description
技术领域
本发明涉及金属矿山地下开采技术领域，尤其涉及一种金属矿山地下开采扰动应力场定量动态反演方法。
背景技术
地下金属矿山开采过程中，开采作业活动频繁，由此造成围岩内部应力场处于动态变化过程。动态变化的应力场极易引起岩体局部位置发生应力集中，诱发岩爆、大体积冒落等破坏性的地压活动。另外，随着矿产资源开采深度的增加，在开采设计中对于应力场分布状态越来越重视。但是，由于动态应力场定量准确获得比较困难，目前主要基于一段时期内的静态应力场进行开采设计。
目前普遍采用数值模拟方法反演应力场，具体步骤包括；建立应力场反演数值计算模型，定义模型的边界条件、荷载条件等，对模型进行反演计算，输出模型的应力云图，再结合实际应力测试对应力场进行分析。通过查阅相关文献可知，公告号为CN107037502A的中国发明专利公开了一种基于FLAC3D数值模拟的地应力场反演方法，该方法基于地应力的测试结果定义边界条件，对模型进行运算处理时，需要不断调整边界条件，使计算结果与实测值接近为止。公告号为CN108693572A的中国发明专利公开了一种基于三维建模的地应力场反演方法，该方法通过现场多点取样，测量并计算测点地应力，建立三维数值计算模型，计算研究区域的地应力分布特征，调整边界荷载使应力场反演值与实测值的误差达到10％以内，得到最终的反演结果。由于金属矿山地下开采对于岩体扰动的频繁性，岩体内的应力场会伴随开采活动动态变化。基于数值模拟反演方法在针对开采区域动态变化的模型进行应力场计算过程中，数值计算模型和网格划分需要频繁修正，耗时较长。另外，在针对大范围岩体进行应力场反演时数值计算模型节点数目多、计算时间长，存在较大的时间滞后性，不能提供地压灾害安全防控和开采设计所需的动态应力场。
依据地球物理学理论所计算的视应力是破裂源位置绝对应力水平的一个间接估计，可以采用所监测到的微震信号(岩体破裂时候所产生的应力波)进行实时计算。因此，基于现场应力测试和微震监测可以为金属矿山地下开采提供定量动态应力场。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种金属矿山地下开采扰动应力场定量动态反演方法，能实时、定量反演大范围地下开采岩体内部动态应力场。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
一种金属矿山地下开采扰动应力场定量动态反演方法，包括以下步骤：
步骤1：确定微震监测区域，构建地下金属矿开采过程微震监测系统；
基于目前开采范围、开采进度及开采计划，确定监测区域；传感器数目应满足矿山地压灾害防控和回采顺序优化过程中的岩体破裂源定位精度的需要；传感器布置方式应覆盖监测区域；传感器的安装位置应根据监测区域的环境条件进行布置；传感器的安装方式采用永久式固定安装或可移动安装，依据监测成本和信号捕捉的可靠性而定；信号的传输线缆应尽量远离井下大功率用电设备；数据采集及分析服务器应放置于井下安全硐室，或将数据通过光纤方式传至地表进行采集及分析；
步骤2：岩体破裂信号识别，基于定位算法对岩体破裂源位置进行精确定位；
建立不同种类信号特征参数数据库，采用信号时频分析技术或小波分析技术，生产爆破、机械振动、电流干扰、人员活动干扰信号，有效识别岩体破裂信号；通过岩体波速测试获得监测区域速度场模型，采用适用于该矿山开采技术条件的定位算法，对岩体破裂源位置进行精确定位；检验微震监测系统的定位精度；采用人工爆破产生震源的方法，对微震监测系统定位精度进行检验，对比微震事件定位位置和人工爆破位置的空间关系，分析定位误差的产生因素，优化调整监测区域速度场模型，使得定位精度满足监测目的；
步骤3：基于地球物理学理论，反演计算获得岩体内部视应力分布特征；
通过分析微震信号，计算微震辐波射能量E及地震矩M0：
E＝4πρVcSV (1)
M0＝4πρVc 3Ω0·Rp (2)
其中，ρ为岩体密度；Vc为声波在岩体中的传播速度；SV为速度功率谱积分，通过波形信息计算；Ω0为零频极限值，通过波形信息获取；Rp为微震辐射系数；
如式(3)所示，根据震源区介质剪切模量μ、微震辐波射能量E、地震矩M0，计算视应力σApp：
利用空间插值方法或球面网格化方法对监测区域内一定数量微震事件的视应力进行分析，获得监测区域内不同剖面的视应力云图；
步骤4：获得监测区域岩体内部真实应力场；
在监测区域的岩体中选取有限的应力测点，进行套筒应力解除测试；所述应力测点位置应尽量选择完整的岩体内，避开岩石破碎带、断裂发育带；待应力解除完毕后，进行数据整理及分析，计算各测点处的应力值；
步骤5：微震视应力场校准及修正，获得监测区域岩体内部真实应力场；根据对比分析步骤4所述的有限测点实测应力值及步骤3所述相应位置的视应力值，获得实测应力值和视应力值的定量关系模型，确定微震视应力场定量修正参数，进而得到金属矿山地下开采扰动应力场的分布特征；
步骤6：获得金属矿山地下开采扰动应力场动态演化特征；采用视应力场定量修正模型反演伴随着开采过程的岩体真实应力场分布特征，获得开采活动造成的岩体内部应力场演化规律，为矿山地压灾害防控和回采顺序优化提供应力数据。
为保证岩体动态应力场的准确性，定期采用步骤4所述的岩体内部真实应力测试方式进行步骤5所述的微震视应力场校准及修正。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的金属矿山地下开采扰动应力场定量动态反演方法，可以省去数值建模计算的过程，直接基于微震监测数据计算岩体内部的视应力场。只需采用有限测点的实测应力校正微震视应力场，就可以快速获得动态变化的应力场，更具有实时性，弥补了采用数值模拟反演应力场时具有滞后性的不足。
附图说明
图1为本发明实施例提供的金属矿山地下开采扰动应力场定量动态反演方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的微震传感器和应力测点空间布置图；
图3为本发明实施例提供的人工爆破源空间定位图；
图4为本发明实施例提供的实测应力值和视应力值的定量关系模型；
图5为本发明实施例提供的的岩体动态应力场云图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
一种金属矿山地下开采扰动应力场定量动态反演方法，如图1所示，本实施例的方法如下所述。
步骤1：确定微震监测区域，构建地下金属矿开采过程微震监测系统。
基于目前开采范围、开采进度及开采计划，确定监测区域；传感器数目应满足矿山地压灾害防控和回采顺序优化过程中的岩体破裂源定位精度的需要；传感器布置方式应覆盖监测区域；传感器的安装位置应根据监测区域的环境条件进行布置，一般布置在监测区域周围的巷道中；传感器的安装方式采用永久式固定安装(如注浆方式)或可移动安装(如岩体表面固定方式)，依据监测成本和信号捕捉的可靠性而定；信号的传输线缆应尽量远离井下大功率用电设备；数据采集及分析服务器应放置于井下安全硐室，或将数据通过光纤方式传至地表进行采集及分析。
步骤2：岩体破裂信号识别，基于定位算法对岩体破裂源位置进行精确定位。
建立不同种类信号特征参数数据库(例如频率、周期、信号持续时间等)，采用信号时频分析技术或小波分析技术，生产爆破、机械振动、电流干扰、人员活动干扰信号，有效识别岩体破裂信号；
通过岩体波速测试获得监测区域速度场模型，采用适用于该矿山开采技术条件的定位算法(如最小二乘法、Geiger算法、单纯形算法、相对定位法等)，对岩体破裂源位置进行精确定位。
采用人工爆破产生震源的方法，对微震监测系统定位精度进行检验，对比微震事件定位位置和人工爆破位置的空间关系，分析定位误差的产生因素，优化调整监测区域速度场模型，使得定位精度满足监测目的。
步骤3：基于地球物理学理论，反演计算获得岩体内部视应力分布特征。
通过分析微震信号，计算微震辐波射能量E及地震矩M0：
E＝4πρVcSV (1)
M0＝4πρVc 3Ω0·Rp (2)
其中，ρ为岩体密度；Vc为声波在岩体中的传播速度；SV为速度功率谱积分，通过波形信息计算；Ω0为零频极限值，通过波形信息获取；Rp为微震辐射系数；
如式(3)所示，根据震源区介质剪切模量μ、微震辐波射能量E、地震矩M0，计算视应力σApp：
利用空间插值方法或球面网格化方法对监测区域内一定数量微震事件的视应力进行分析，获得监测区域内不同剖面的视应力云图。
步骤4：获得监测区域岩体内部真实应力场。
在监测区域的岩体中选取有限的应力测点，进行套筒应力解除测试；所述应力测点位置应尽量选择完整的岩体内，避开岩石破碎带、断裂发育带；待应力解除完毕后，进行数据整理及分析，计算各测点处的应力值。
步骤5：微震视应力场校准及修正，获得监测区域岩体内部真实应力场。
根据对比分析步骤4所述的有限测点实测应力值及步骤3所述相应位置的视应力值，获得实测应力值和视应力值的定量关系模型，确定微震视应力场定量修正参数，进而得到金属矿山地下开采扰动应力场的分布特征。
步骤6：获得金属矿山地下开采扰动应力场动态演化特征。采用视应力场定量修正模型反演伴随着开采过程的岩体真实应力场分布特征，获得开采活动造成的岩体内部应力场演化规律，为矿山地压灾害防控和回采顺序优化提供应力数据；为保证岩体动态应力场的准确性，定期采用步骤4所述的岩体内部真实应力测试方式进行步骤5所述的微震视应力场校准及修正。
实施例2
在某铜矿地下深部开采过程中地压活动频繁发生。伴随着开采过程中应力场的迁移、重分布的动态演化特征，为了优化回采顺序，采用基于应力测试和微震监测的应力场反演方法为金属矿山地下开采提供定量动态应力场。
步骤1：依据深部开采现状及未来开采规划，考虑地压活动频繁发生的重点监测区域，结合现场开拓采准工程，确定在50m、150m、250m、350m四个中段进行传感器布置。
传感器具体布置方案如图2，在50m中段布置1个三向传感器和4个单向传感器；在150m中段布置1个三向传感器和3个单向传感器；在200m中段布置1个三向传感器和4个单向传感器；在350m中段布置8个单向传感器。采用注浆方式安装传感器，将数据通过光纤方式传至地表进行采集及分析。
步骤2：建立不同种类信号特征参数数据库(频率、周期、信号持续时间等)，采用信号时频分析技术，滤除生产爆破、设备工作、人员活动等干扰信号，有效识别岩体破裂信号。通过岩体波速测试获得监测区域速度场模型，采用最小二乘法对岩体破裂源位置进行精确定位。
微震监测系统安装调试完毕后，采用人工爆破产生震源的方法，对微震监测系统定位精度进行检验，对比微震事件定位位置和人工爆破位置的空间关系，分析定位误差的产生因素，优化调整监测区域速度场模型。
微震事件定位位置和人工爆破源的空间关系如图3所示，对人工爆破结果进行分析，两点的三维坐标与具体误差分析结果如表1所示。
表1定位位置和人工爆破源的三维坐标与具体误差分析结果
本实施例基于微震监测系统对不同中段进行回采顺序的优化，由此次人工定位爆破试验可知，微震监测系统的定位精度满足此次监测目的的需要。
步骤3：通过分析微震信号，计算微震辐波射能量E及地震矩M0：
E＝4πρVcSV (1)
M0＝4πρVc 3Ω0·Rp (2)
其中，ρ为岩体密度；Vc为声波在岩体中的传播速度；SV为速度功率谱积分，可通过波形信息计算；Ω0为零频极限值；可通过波形信息获取；Rp为微震辐射系数。
如式(3)所示，根据震源区介质剪切模量μ、微震辐波射能量E、地震矩M0，确定视应力σApp：
利用空间插值方法对监测区域内一定数量微震事件的视应力进行分析，获得监测区域内不同剖面的视应力云图。
步骤4：如图2所示，在微震监测区域的巷道选择10个应力测点，应力测点应尽量选择完整的岩体内，避开岩石破碎带、断裂发育带，沿垂直巷道表面方向，布置应力解除钻孔。
采用150mm孔径钻机钻大孔，大孔深度取3倍巷道跨度，每个钻孔最后1m钻取岩芯，加工岩样，测试矿岩物理力学参数。
采用钻头直径为38mm的钻机钻小孔，小孔深约为小孔孔径的10倍(38cm)，孔底部钻凿锥形喇叭孔，以作导孔，并用水冲洗干净，压风风干。
在钻孔中央安装空心包体应力计，应力计外表面与孔壁用环氧树脂粘结一起，经12h待粘结剂凝固，测量记录钻孔倾角、方位角，应力计的偏角。
连接应变计引出的电缆线与应变仪，应变仪预热30～60min稳定后，调节各测点，当初始应力接近于0时进行应力解除。应力解除时钻套孔孔径与大孔孔径一致。
应力解除过程中，每钻进3～5cm测试一次应变，直到应力完全解除，当应变值稳定为一恒定值，停止测试。
应力解除完毕后，进行数据整理及分析，计算各测点处的应力值。
步骤5：根据对比分析步骤4所述的10个应力测点的实测应力值及步骤3所述相应位置的视应力值，获得实测应力值和视应力值的定量关系模型，如图4所示，确定微震视应力场定量修正参数，由图可以看出实测应力与视应力(σApp)呈指数关系，两者的关系表达式为：y＝2.94×10-16x12.58；实测应力与视应力的对数(lg(σApp))呈线性关系，两者的关系表达式为：y＝0.15x-1.44。基于实测应力与适应力的定量关系，进而得到金属矿山地下开采扰动应力场的分布特征。实测应力与视应力的关系如表2所示。
表2实测应力与视应力的关系表
所获得的实测应力和视应力的定量关系模型仅适用于本实施例的场地参数，对于不同的场地条件，实测应力和视应力的关系模型有所差别，应根据具体条件而定。
步骤6：伴随着开采活动的进行，应力场是动态变化的。采用视应力场定量修正模型反演真实应力场分布特征，获得开采活动造成的岩体内部应力场演化规律，为矿山回采顺序优化提供应力数据。根据图5的岩体动态应力场云图可以得出以下结论：基于微震监测和应力测试可以实时反演应力场的动态变化状态，以上方法有助于在地下金属矿山开采过程了解应力场的动态变化规律，为矿山开采设计提供依据。
本实施例在金属矿山地下开采过程中通过微震监测，获得岩体内部视应力场分布状态，基于有限测点实测应力对微震视应力场进行校准，确定微震视应力场定量修正参数，获得金属矿山地下开采扰动应力场动态演化特征，弥补了采用数值模拟反演应力场时具有滞后性的不足，提供了一种扰动应力场定量动态反演的方法，可实时快速反演应力场。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。
Claims (2)
1.一种金属矿山地下开采扰动应力场定量动态反演方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤1：确定微震监测区域，构建地下金属矿开采过程微震监测系统；
基于目前开采范围、开采进度及开采计划，确定监测区域；传感器数目应满足矿山地压灾害防控和回采顺序优化过程中的岩体破裂源定位精度的需要；传感器布置方式应覆盖监测区域；传感器的安装位置应根据监测区域的环境条件进行布置；传感器的安装方式采用永久式固定安装或可移动安装，依据监测成本和信号捕捉的可靠性而定；信号的传输线缆应尽量远离井下大功率用电设备；数据采集及分析服务器应放置于井下安全硐室，或将数据通过光纤方式传至地表进行采集及分析；
步骤2：岩体破裂信号识别，基于定位算法对岩体破裂源位置进行精确定位；
建立不同种类信号特征参数数据库，采用信号时频分析技术或小波分析技术，生产爆破、机械振动、电流干扰、人员活动干扰信号，有效识别岩体破裂信号；通过岩体波速测试获得监测区域速度场模型，采用适用于该矿山开采技术条件的定位算法，对岩体破裂源位置进行精确定位；检验微震监测系统的定位精度；采用人工爆破产生震源的方法，对微震监测系统定位精度进行检验，对比微震事件定位位置和人工爆破位置的空间关系，分析定位误差的产生因素，优化调整监测区域速度场模型，使得定位精度满足监测目的；
步骤3：基于地球物理学理论，反演计算获得岩体内部视应力分布特征；
通过分析微震信号，计算微震辐波射能量E及地震矩M0：
E＝4πρVcSV (1)
其中，ρ为岩体密度；Vc为声波在岩体中的传播速度；SV为速度功率谱积分，通过波形信息计算；Ω0为零频极限值，通过波形信息获取；Rp为微震辐射系数；
如式(3)所示，根据震源区介质剪切模量μ、微震辐波射能量E、地震矩M0，计算视应力σApp：
利用空间插值方法或球面网格化方法对监测区域内一定数量微震事件的视应力进行分析，获得监测区域内不同剖面的视应力云图；
步骤4：获得监测区域岩体内部真实应力场；
在监测区域的岩体中选取有限的应力测点，进行套筒应力解除测试；所述应力测点位置应尽量选择完整的岩体内，避开岩石破碎带、断裂发育带；待应力解除完毕后，进行数据整理及分析，计算各测点处的应力值；
步骤5：微震视应力场校准及修正，获得监测区域岩体内部真实应力场；根据对比分析步骤4所述的有限测点实测应力值及步骤3所述相应位置的视应力值，获得实测应力值和视应力值的定量关系模型，确定微震视应力场定量修正参数，进而得到金属矿山地下开采扰动应力场的分布特征；
步骤6：获得金属矿山地下开采扰动应力场动态演化特征；采用视应力场定量修正模型反演伴随着开采过程的岩体真实应力场分布特征，获得开采活动造成的岩体内部应力场演化规律，为矿山地压灾害防控和回采顺序优化提供应力数据。
2.根据权利要求1所述的金属矿山地下开采扰动应力场定量动态反演方法，其特征在于：定期采用步骤4所述的岩体内部真实应力测试方式进行步骤5所述的微震视应力场校准及修正。
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