英语原文共 19 页
两种采用的面垂直预处理技术的比较
F.Sengania、b、T.Zvarivadza b和A.C.Adokoc
a南非托霍延杜文达大学环境科学学院采矿与环境地质学院；b南非约翰内斯堡威特沃特斯兰德大学采矿工程学院;；c哈萨克斯坦阿斯塔纳纳扎尔巴耶夫大学采矿与地球科学学院
摘要
面垂直预处理是深金矿中用于将应力传递到发展端的面前方的机制之一。尽管在金矿中已经实施了面垂直预处理，但岩爆仍然被认为是深金矿所面临的最棘手的问题。本文研究了机械化金矿开发的面垂直预处理的有效性。调查包括对深金矿中四面和五面垂直预处理孔的比较。研究结果表明，五面垂直预处理比四面垂直预处理孔更有效。通过在采矿面上充分压裂，改善套管附近的压裂和快速减少来验证结果在挂壁压裂。探地雷达，钻孔潜望镜，地震监测系统和数值模型被用来验证这些方法的有效性。
关键词：预处理; 深层次金矿开采;岩爆;地震活动; 地面穿透雷达; 钻孔潜望镜; 数值模拟; 地面封闭
介绍
背景
南非是世界上最大的黄金生产国之一，大多数金矿都位于威特沃特斯兰德盆地的地质环境中（Adams等人1993年；Adams and Geyser 1999年）。该盆地拥有狭窄和扁平的金矿脉沉积，过去100年来，利用传统采矿技术在浅层广泛开采（Toper等人1999年；Toper 2003年）。目前，随着机械化和常规采矿技术的应用，采矿技术已向超深层次发展。随着采矿深度的增加，采矿工作面前方的应力水平迅速增加，从而影响巷道和挖掘交叉口的稳定性（Hoek和Brown，1980年；Sengani和Kataka，2017年）。这些极端的高应力增加了表面破裂的可能性。图1显示了南非金矿的位置，图2显示了南非采矿深度的应力变化。
图1 威特沃斯特兰德盆地内南非金矿的产地(Robb and Robb 1998之后).
图2 采矿巷道周围深度与裂缝的关系(Van Wyk 2008, p. 107)
工作面爆破被认为是南非目前深到超深金矿面临的最严重问题之一。这与地面塌陷（FOGs）和更大程度上的地震活动有关，尤其是在采空区和拱座附近，这些地震活动造成了50%以上的矿难（Roux 1957；Cook和Hoek 1966；Cook 1983；Legge 1987；Giltner 1992）。然而，在过去的17年里，采矿布局和支护策略的变化减少了与岩石有关的伤亡和地震事件（Toper 2003）。可以推断，尽管从长壁采矿到连续采矿的变化减少了事件的发生和规模，但工作面爆破仍然是最大的挑战（Giltner 1992；Toper等人1999年；Toper 2003年）。历史数据证明，自1997年以来，约60%的地震相关死亡是由1.5%以下的事件造成的，30%归因于面爆（Toper等人1999年；Toper 2003年）。Hill和Plewman（1957），Cook等人（1966年）、Giltner（1992年）和Toper（2003年）将预处理实践定义为岩爆控制技术，该技术涉及在采场工作面前方进行设计爆破。预处理技术旨在通过重塑岩体中的现有裂缝，将应力进一步转移到采场工作面以外（Giltner 1992；Adams和Geyser 1999；Toper 2003）。
根据Roux等人（1957）和Toper等人（2003年），预处理技术自20世纪50年代以来已在世界各地的不同采矿环境中使用，在许多情况下，已被发现在控制和最小化岩爆效应方面非常有效。Toper（2003）指出，这些技术背后的主要思想是在采煤工作面前方引爆预处理爆破，将应力峰值进一步重新分布到采矿工作面前方的固体区域。采场工作面通过消除预先存在的或采矿引起的压裂的微凸体中的应变能“锁定”。Toper（2003）指出，在量化高应力岩石预处理成功率时，需要考虑的因素包括：了解爆破致裂的成因和顺序以及爆破对现有压裂的影响，这两个因素对有效预处理方法设计至关重要，并用于预处理爆破成功率的评估。引入了四个面垂直预处理孔，并用五个面垂直预处理孔代替。本研究旨在强调南非机械化金矿从四个孔改为五个面垂直预处理孔的效果。
地质背景及开采方法
大多数南非金矿位于威特沃特斯兰德盆地。在采矿授权区内，比勒陀利亚群向南增厚至最大约400 m，下伏的白云岩最多约1200 m厚。白云岩的底部是金矿脉。文特斯多普超群熔岩位于其下方，向南厚达800米。所有含金的矿脉都位于熔岩下面。在矿山的大部分地区，不透水的熔岩在下面的采矿和上面含水的白云母之间形成了一个有用的屏障(Adams 和 Geyser 1999)。
只有文特斯多普接触金矿脉（VCR）和上埃尔斯堡组在金矿中具有经济意义。VCR形成了文特斯多普超群的基础，并沉积在一个主要的不整合面上。VCR下盘岩石类型随中央兰德集团的各种地层的不同而显著不同。当埃尔斯堡上部的金矿脉与VCR不整合面底部形成次比例时，当地称之为“支柱线”（De Kock 1964）。下盘地层包括上埃尔斯堡组、埃尔斯堡组和金伯利组。上埃尔斯堡组和埃尔斯堡组主要由交替的泥质和硅质石英岩单元组成，有一些砾岩带。金伯利组包括泥质石英岩单元和砾岩带，以及靠近布森斯页岩组的页岩单元。一些下盘单元内部有尖锐接触和泥质夹层（Wilson等人1964）。在金矿脉包内，开挖稳定性主要受软弱泥质夹层的影响。它们可以在挂壁上形成薄的、潜在不稳定的梁，在挂壁上它们的间距很近或位置不方便。它们还削弱了岩体，使得在深部挖掘周围产生更强烈的破裂。一般而言，泥质石英岩比硅质石英岩和砾岩弱。金伯利组内的页岩单元，尤其是第8组单元，非常脆弱，粘性较小，且具有更多的不连续性，需要密集的支护（De Kock 1964）。图3说明了威特沃特斯兰德盆地金矿的岩性，显示了它们与金矿脉的关系。
图3 威特沃斯特兰德盆地金矿岩性(Joughin等 2005)
目前，在地表以下约2600-4000 m的深度进行采矿，K比（K比定义为水平应力与垂直应力之比，也可根据泊松比定义）约为0.5（最小值）至0.7（最大值）。对于大规模开采技术而言，原始应力较高，采用一系列水平卸压切削来卸压该区域。通过地层开采，小跨度约为100 m，由金矿脉倾斜和连续切割之间的40 m重叠决定。本质上，去应力减小了垂直应力，使主要主应力处于水平方向。卸压方向槽如图4所示，深部矿井的应力分布如图5所示。
图4 相对位置的应力卸压方向槽
图5 深部金矿的应力分布(Joughin 等 2005).
卸压槽采用机械化采矿法，采场高度为5.5 m。挖掘区宽约5 m，长15 m，由2.5 m长的加福混合螺栓和钢丝网支撑。随后，对15 m中的10 m进行回填，形成5 m宽的走向通道（SAD），然后沿同一方向开采相邻的挖掘。开采配置具有箭头形状，以考虑高应力条件下的适当超前和滞后（见图6）。
图6 （A）减压槽设计
注：MAD-主进入驱动器，SAD-罢工访问驱动器和SD-罢工驱动器。
（b）四面垂直预处理孔第一次爆破（左）四面垂直预处理孔第二次爆破（右）
卸压采场的支撑系统设计用于在地震事件期间吸收足够的能量，以保护工人并保持高应力的挖掘完整性。Hoek和Brown（1980）指出，加固岩体的目的是加强岩体，防止强度损失，从而使岩体能够自我支撑。卸压切口内的支撑系统还保留了出于安全原因可能需要的破碎岩石，它也成为防止在高应力条件下导致岩体破裂的渐进性破坏的策略。
研究方法
该研究首先对与研究有效性相关的预处理实践、岩爆、仪器和监测系统进行了广泛的文献综述。为了了解研究问题，对正在进行去应力开采的6个矿段进行了工作面预处理效果的研究。在这些区域内进行了地下观测（目测）、记录和数据收集。采用微地震监测、探地雷达（GPR）和钻孔相机对工作面垂直预处理方法的有效性进行了监测。此外，还利用伸长计测定了采场闭合度和采场应力切向。利用VANTAGE软件进行数值模拟，分析了两种方法中（四孔法和五孔法）的sigma 1和安全系数。最后，利用ABAQUS数值软件对该工程进行了地面封闭模拟。
钻孔测井方法
购买了7种不同类型的钻孔照相机，目的是观察预处理孔的动态形态，并确定采矿引起的采前裂隙的空间分布。在爆炸前将钻孔摄像机插入预先钻孔中，使用钻孔摄像机的视频和图像，使用作者设计的裂缝频率标准评估采矿工作面前的压裂程度。
每天对所有减压断面进行钻孔摄像测量，每天进行一次轮班后的分析。尽管在一些轮班期间，由于时间管理和支撑采矿面板所需的时间，没有钻孔，但平均约98%的轮班专用于预处理孔的钻孔。
探地雷达方法
利用探地雷达对不同采场的裂隙频率进行了研究，分析了两个工作面垂直预处理方法的有效性。每次爆炸后进行分析。从探地雷达图像来看，有可能研究裂缝深度和面前压裂强度，以确定单个预处理孔的影响区域。将四面垂直预处理爆破的断裂模式与五面垂直预处理爆破的断裂模式进行比较（见图7）。
图7（a）探地雷达装置和探地雷达扫描仪的操作程序（ReutechMining，2017年）（b）四面垂直预处理孔的剖面图和平面图。
地面收敛方法
沿着减压切口安装了引伸计监测系统。大部分引伸计安装在距采矿工作面30米处。安装地面封闭监测设备的目的是识别在两次实践中以及在长孔回采过程中产生的地面封闭及其对采场支柱的影响。最后的结果是基于地面封闭长孔采场开采前后的测量，以及采场开采期间的地面封闭。数值模拟还用于模拟这些过程中的地面封闭和减压。
图8 五面垂直预处理实践
注意，孔的颜色显示了每次爆炸后，如何在每个爆炸预处理孔中交换预处理。
地震资料的记录和处理
地震系统被设计成在地震发生时连续运行并记录地震事件。在每个地下地震现场记录由地震事件引起的地面振动，然后自动发送到桌面运行时间系统（DRTS）。如果地震事件发生时DRT关闭，数据记录在地震仪中，并且在大多数情况下，当DRT恢复在线时，数据被恢复。通常，DRT请求地震触发器，将它们分组为地震事件，并将信息记录在硬盘上。
然后，对地震事件进行自动处理，包括地震图上P波和S波的自动拾取，以及位置和震源参数的计算。然后将自动处理的地震图保存到数据库中。然而，自动处理并没有发展到一个可靠的水平，并且MLge;0.5地震事件的所有地震图均由地震数据处理器手动处理。
面垂直预处理方法
设计了两种方法（四面和五面垂直预处理）。方法包括使用四个/五个钻孔预处理孔，用直径51 mm的钻头钻孔，孔比生产孔长1.5 m。四个/五个孔中的最后一个1.0 m注入乳液，形成30 cm的放气间隙；其余的孔通过适当的方法和设备进行夯实。生产和四个/五个预处理孔按时间顺序排列，延迟1毫秒，如下所示；在品位线以下引爆预处理孔，在品位线以上引爆预处理孔，先引爆切割孔，然后引爆其余的生产孔，最后在每次爆破后交替预处理孔的位置（见图6-9）。
图9 五个垂直预处理实践的剖面图和平面图
研究结果
预处理掏槽和岩体破裂
对预处理炮孔（炮孔）的研究表明，四面垂直预调节方法在预处理孔附近产生在预处理孔附近产生较少破裂的爆破掏槽，而五孔法在预处理孔附近产生大量压裂（见图10（a，b））。因此，我们发现五孔法产生的破裂产生了从一个孔连接到另一个孔的裂缝，形成了蜘蛛网结构。另一方面，四孔法不能产生从一个孔连接到另一个孔的裂缝。对工作面压裂的进一步分析表明，五个工作面垂直预处理孔随着工作面推进和规模的迅速增大，产生了广泛破碎的工作面。四面垂直预处理可减少面层压裂，每次爆破后面裂缝均有轻微或逐渐增大的趋势。
图10 （a）无效面垂直预处理孔（4个孔）（b）有效面垂直预处理孔（5个孔）
顶壁剖面图
Toper（2003）指出，预处理的有益副作用之一是改善了悬挂壁的地面条件。在实施双面垂直预处理方法的过程中，对挂壁条件进行了评估，以比较两种方法的有效性。从悬挂壁测量中获得的数据表明，五孔方法的悬挂壁更平滑，四孔方法中观察到悬挂墙上有中等到轻微压裂（见图11（a，b）。随着表面预处理孔数量的增加，挂壁剖面也有所改善。然而，发现更光滑的顶壁是额外预处理孔的结果。
图11 （a）在四个垂直面上，上盘断裂（b）实施五面垂直时的实心挂墙
钻孔日志
每天对所有减压剖面进行钻孔潜望镜测量，研究分析基于Sengani和Zvarivadza 2017提出的断裂频率标准（见表1）。
表1断裂频率分析标准（Sengani和Zvarivadza 2017之后）。
断裂频率/米 风险轮廓 颜色编码
lt;5 高应变暴击风险，岩体未破裂/屈服
5–10 中等应变暴击风险，岩体开始破裂/屈服
10–20 低应变暴击风险，岩体已破裂/屈服
gt;20 极低的应变暴击风险，岩体高度断裂/屈服
研究结果表明，在四个垂直面预处理过程中，发现预处理孔在超出表面的前1 m处断裂，地面一直到孔的末端（4 m）都是坚实的。以往的研究表明，压裂深度较短的工作面容易发生工作面爆破。在这项研究中，虽然有些工作面没有经历过工作面爆裂，但大多数工作面都有工作面爆裂的倾向。在修订了五面垂直预处理标准后，发现大多数孔在0至3 m之间发生了广泛的破裂，并且破裂在预处理爆破孔
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