某铁矿采空区地压监控及稳定性分析*

2013-04-03李占金李示波张艳博

金属矿山 2013年3期

张洋李占金李示波张艳博

(河北联合大学矿业工程学院)

某铁矿属于河北省地方矿山，采用空场法进行地下开采已有十几年的历史。矿床回采后，由于技术落后和单纯追求经济利益，一直没有对采空区进行处理，已形成49个大小不等的采空区，空区总体积达58.4万m3，其中最大单个采空区顶板暴露面积达1 100 m2，体积为4.68万m3。随着采矿活动向深部发展和空区体积的增加，综合治理和管理采空区成为了该矿山企业必须解决的重大安全生产问题。因此，必须采用一种先进的地压监测技术，对采空区地压进行监测，并对采空区稳定性进行分析预测，为矿山的安全生产提供保障。

声发射监测技术是利用岩体在发生破裂、滑动过程中会产生一定频率的声发射信号的原理来进行工程岩体稳定性分析的技术方法，可以确定岩体的荷载水平、评定危险等级，发现潜在的不稳定区，对岩体破坏进行预报，从而可以以监测数据为依据提出必要的预防和处理措施。相比之前的光测法和电测法，声发射技术更为先进和方便。20世纪70年代初该技术被引入我国，并将其应用到矿山矿柱岩体稳定性和岩爆监测中，解决了许多矿山技术难题。目前，逐渐把此技术作为一种地压监测手段，确保地下工程及矿井生产安全［1-3］。

1 声发射地压监测系统

该矿山引进长沙矿山研究院开发的STL－12多通道声发射监测定位系统(如图1)，该系统是利用声发射技术监测采场或者空区围岩地压的先进设备，通过软件、硬件的有机结合，极大地提高了现场噪音抑制能力，较好地解决了被测体各向异性对定位精度的影响，从而大幅度提高了分析结果的准确性。该系统可用于对大范围岩体工程进行岩体分类、岩体稳定性分析、冒顶片帮预测预报、矿山大面积地压综合分析，以及各种振动频率与声波测试、地质结构和空区探测等方面。通过电话拨号，可以实现远程启动、关闭数据采集机、远程采集数据、远程设置参数;具有操作简单、经济实用、实时监测和提前预报的特点。利用这套系统可以对采空区地压进行有效的监测，便于技术人员对空区稳定性进行分析，及时处理安全隐患，避免灾害事故的发生［4-8］。

图1 监测系统

2 地压监控方法

通过对矿山采空区赋存现状的调查和数值模拟分析，确定在－85 m水平和－130 m水平各布置6个测点(如图2～图3)，充分利用声发射监测系统，对采空区地压进行全天候24 h监测。

在监测过程中，监测人员每天需要整理1次监测数据，发现监测数据异常时，注意观测数据变化，结合波型数据库分析变化原因，对空区地压引起的数据变化及时汇报。每月对地压活动区的监测情况进行2～4次分析总结，结合采空区安全等级划分标准，判断当前采空区稳定性状况。

由于受地质条件、岩石性质、开采年限等多种因素影响，空区塌陷地压灾害有很多的不确定性，而且塌陷过程往往是突发的，其造成的严重后果很难预料。必须加强空区地压的日常监测工作，及时对监测数据进行分析，当监测数据出现异常，岩石破坏的声发射事件增多，平均事件率达到3次/min，局部时段达到5次/min以上，连续几天全天平均事件率有明显的上升趋势，测点周边无爆破作业，多测点监测到大量高能量事件，各测点同时监测到的声发射事件很多且持续时间较长，或周期性出现时，应及时分析产生原因，并进行现场勘查，若发现有“岩音”现象(即岩层发响，大响如炸雷是岩层深部离层和断裂，小响如鞭炮声表明岩层浅部受压破坏)，频率由低向高增大，巷道及采场出现裂缝、掉块，是空区塌陷前兆，应及时汇报并通知井下人员撤出。

3 监测数据和空区稳定性分析

利用STL－12多通道声发射监测定位系统对空区地压进行全天候24 h监测。系统经过1 a左右的正常运行，实时地监测存储了地压声发射数据，通过整理分析数据，得到了如下结果。

3.1 岩石破坏声发射数据特征

岩石在受力变形过程中以弹性波形式释放应变能产生声发射信号，其携带了有关岩体特性的信息，根据这些信息可以判断岩体的破坏程度，评价采空区稳定性，对地压灾害进行提前预报。通过对1 a监测数据的分析，得出该矿岩石破坏声发射波形和参数特征如表1所示。

表1 岩石破坏声发射特征

3.2 典型波形事件的判断与采空区稳定性分析

通过整理分析监测数据发现，一些波形有规律地在某段时间内或只在某些通道出现，因此，需要确定这些波形的产生原因，判断是否与岩石声发射存在关系，为分析采空区稳定性提供依据。各种典型波形和分析结果如图4～图9所示。

图4中1～8号通道没有波形，9～12号通道出现低频小能量波形，数目极少，说明此时12个测点附近没有岩石声发射事件，空区周围的岩石处于稳定状态，地压活动不明显，未发生开裂、断裂现象。

图9 2012年6月9日257号波形

图5中12个通道同时监测到声发射事件，这些事件呈现衰减快、频率小、能量大的特点，持续时间不长，事件率达到0.6次/min(3次/5 min)，频率100 Hz以下，能量分布在60～128，该波形属于低频波形，不符合岩石变形破坏发生的声发射波形特征，且发生时间为凌晨4点左右，处于井下爆破采矿时间段，因此可以确定此波形为井下爆破波形，对采空区的稳定性影响不大。

图6中显示只有6号通道监测到波形，事件发生在10点左右(采场爆破刚刚完成后)，主要频率为185 Hz，能量为56，持续时间短，事件少，属于岩石声发射事件。判断是测点附近有局部岩石掉块现象，从声发射的能量和频率来看，能量较小，可以断定只是局部掉块，且掉块较小。

图7中5#、6#、11#、12#测点同时监测到波形，发生在9点11分左右，能量在100～128，主要频率较大为333 Hz，属于典型的岩石声发射信号特征，该声发射过程持续几分钟过后波形消失。声发射过程持续发生在9点11分左右，此时正处在溜井放矿时间段内，这4个测点距离溜井很近，根据岩石声发射持续时间和波形特征，通过和井下询问放矿时间，可以确定此种波形是由于溜井放矿而产生的。

图8中7#、8#测点出现波形，最大能量为17，主要频率为26 Hz，不是岩石声发射波形，属于低频小能量事件，持续时间很长，频率能量基本无变化。调查发现7#、8#测点附近2台水泵一直在工作，噪声很大，周围无其他影响且之前水泵不工作时没有出现过类似波形，所以判断此为受水泵工作影响而产生的波形。

图9中相距较近的9#、10#、11#、12#这4个测点监测到波形(11#测点处有一振动放矿机)，最大能量为127，主要频率为278 Hz，持续时间几秒钟后消失且11#测点首先触发，通过与井下工人核对时间，分析是由于大块矿石不便于装车而在11#测点附近对其进行爆破而产生的波形。

通过对采空区地压监测典型声发射数据的分析可知，岩石破坏引起的声发射事件较少，事件率没有出现突增现象，能率也处于较低水平，通过分析得知大多数事件是由于采矿活动或周边设备干扰引起的，岩石破坏的声发射事件数很少，经过井下现场的调查，围岩和矿柱没有出现大的开裂和掉块现象，可以断定目前采空区稳定性较好。