岩移在柿竹园矿地压监测中的预警应用研究

2019-07-11郭远发胡静云

采矿技术 2019年2期

郭远发，胡静云

岩移在柿竹园矿地压监测中的预警应用研究

郭远发1，胡静云2, 3

(1.湖南柿竹园有色金属有限责任公司，湖南郴州市 423037；2.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南长沙 410012；3.国家金属采矿工程技术研究中心，湖南长沙 410012)

针对柿竹园矿井下高垂悬顶与边坡内部岩体绝对变形位移量在线监测预警工程技术难题，开发研制了经济实用的多通道非接触式岩移在线监测预警系统，实现了对高垂悬顶与边坡内部岩体绝对变形位移量的在线实时监测，测量精度为1 mm，解决了工程岩体垂直方向下沉变形量与激光测距值两者相互关系的工程技术难题，实现了监测值超过设定预警值时自动发出预警短信的功能，并在预警设置上解决了限幅滤波的技术问题。近4年来的监测数据说明，截止到目前，高垂悬顶与边坡除靠近临空面处有小范围的开裂与变形沉降外，其整体仍处于变形趋于收敛与稳定的状态。

岩体工程；在线监测；变形趋势；预警

在矿山岩土工程领域，岩土体变形移动的监测方法分为两种情况：一是在矿山井下，岩土体的变形移动的主要监测技术手段有应变片、裂缝仪、顶板离层监测仪，单点/多点位移计等，但是上述监测手段获得的是监测点的相对变形量，在工程应用上具有较大的局限性。二是在矿山地表，岩土工程变形监测问题的技术基础属于工程测量学科领域，随着电子计算机与互联网技术的飞速发展，目前变形监测设备的测量精度已经得到了巨大的进步，已经实现了无人化自动观测、记录与计算功能，并能把计算结果通过互联网实时传输到远处的计算机内，并通过软件三维形象立体地显示监测对象的变形程度与发展趋势，当变形超过设定的预警值时，能实现自动发出预警短信或邮件到指定技术人员手机上的功能。根据技术原理的不同，目前最先进的变形在线监测技术主要有两种形式：一是全球定位导航系统在线监测技术，例如GPS、北斗等；二是全自动全站仪测量监测技术，俗称“测量机器人”，以徕卡Leica与天宝Trimble测量机器人为代表。

在矿山井下岩土工程变形监测领域，由于岩土体的不可入性，无法进行空间直线无线传输，使得GPS等先进的变形移动监测手段无法应用。另外由于井下通视性受到工程巷道的极大限制，全自动全站仪的使用成本非常高。所以急需要研制出一款既能对岩体变形移动绝对量进行实时在线监测、又具有使用成本较为低廉的仪器与设备，以满足矿山井下对矿柱、大型采空区顶板、悬顶等工程监测问题的需要。

1 多通道非接触式岩移在线监测系统

1.1 柿竹园矿形成的高陡悬顶与边坡的地压灾害问题

柿竹园多金属采矿场自1987年采用分段凿岩阶段矿房法开采490水平至558水平300 m×300 m范围内的富矿以来，因各种原因井下的采空区(矿房)未能进行处理。截止2002年，井下留下占矿块约60%的矿柱矿量和近300多万m3的巨大采空区群，累计顶板暴露面积达3万m2，连续顶板暴露面积近1万m2，15 m厚的连续条带矿柱多处垮塌。为了实现矿山采矿的持续生产，有效处理采空区和回采矿柱，从2003年至2012年采用后退式中深孔大爆破崩落法的方式回采矿柱和顶板富矿，并处理采空区安全隐患。在300 m×300 m的范围内，整体上从西北往东南方向崩落阶段矿柱与顶板富矿，首先是在地表高程最低的西北角进行开天窗中深孔大爆破，随后以每年1~2次的频率进行中深孔大爆破，每次大爆破装药量在几十吨至几百吨不等，根据井下矿柱稳定性情况，每次大爆破处理的区域范围不等。一直到2012年6月21日最后一次装药量419 t大爆破实施后，形成的连续顶板暴露面积近5万m2，于是630~820 m高程范围内的上覆岩层与地表在大爆破后的3~5 min内发生了总体积约260万m3的特大垮落，上部悬顶特大垮落后在东侧形成了高度超过300 m的连续、陡峭、高大陡边坡(见图1)，至今形成连续顶板暴露面积近8万m2，而且随着放矿的继续，边坡的裸露高度还在增加，同时受到断层、地下水的作用，其稳定性令人堪忧；在塌陷区西南方向586 m以上至地表，仍然有30~50 m宽的悬顶存在，该悬顶区域正是露天开采首期待剥离区，未来的首期剥离生产安全受到直接威胁。地表高陡边坡与悬顶若发生大规模滑坡与崩塌，则会对井下形成强烈的空气冲击波与地震波破坏效应，对矿山生产安全存在严重的安全隐患。

图1 高陡悬顶与边坡剖面图(K4)

为了对东部高陡悬顶(边坡)的变形进行实时在线监测，第一种方案是在高陡悬顶对应的地表区域建立变形沉降在线监测系统，第二种方案是在高陡悬顶(边坡)岩体内，借助井巷工程，在其中布置系统的监测点，对高陡悬顶(边坡)岩体内部的变形移动进行在线监测。本文研究的主题即是针对第二种方案，开发出一套适合于井下对岩体绝对变形量进行实时在线监测的系统，并对其在岩体工程监测预警方面的应用进行深入研究。

1.2 多通道非接触式岩移在线监测系统

多通道非接触式岩移在线监测预警系统的主要硬件包含：位移传感器、数据采集仪、数据传输网络、监测数据分析软件、报警装置5个部分。

针对垂悬岩体在垂直下沉位移方向的监测，激光测距仪的距离变化量与垂悬岩体在高程方向的变形移动量之间的几何函数关系见图2，两者之间有相互转换的公式，即监测点处在高程方向的下沉变形量可以通过激光测距仪距离上的变化量求得。

图2 激光距离变化量与岩体高程方向变形位移改变量的关系

计算公式如下：

为了更好地对柿竹园矿形成的高垂悬顶与边坡进行监测，在650分段新掘进了一条地压观测巷道，在该新增地压观测巷道内，设计布置了3个岩移测点，每个测点之间的距离间隔约70~80 m，位移传感器(激光测距仪)距离合作目标(靶板)的距离约80 m(见图3)。

智能位移传感器和合作目标安装在各自的支架上，合作目标与支架竖直方向成45°夹角；制作支架时确保采集仪中心和合作目标的中心点处于相同的高度，使得发出的激光与合作目标夹角呈45°，主要用于测量监测点处高程方向的变形沉降。布置在现场的多通道非接触式岩移在线监测预警系统实物见图4 所示。

图4 多通道非接触式岩移在线监测预警系统实物

2 岩移在线监测系统的预警应用

非接触式岩移监测系统自2014年2月开始运行，截止到2018年8月，布置在650 m分段的高垂悬顶与边坡岩体内的3个岩移测点的累计变形沉降量的发展趋势见图5所示。通过对图5的分析可知，最靠近塌陷区的1#测点的累计沉降变形量最大，截止到2018年8月，其累计下沉变形量为5 mm，1#测点距离高垂悬顶的边界约30~50 m，而2#测点距离高垂悬顶的边界约100 m，3#测点距离高垂悬顶的边界约120 m，2#与3#测点由于距离高垂悬顶边界较远，处于高垂悬顶与边坡岩体的深部，其变形量很小，监测系统未监测到累计变形量。

图5 各岩移监测点累计沉降变形趋势

通过现场勘查，在620 m分层、630 m分层以及地表均勘察发现了较明显的开裂沉降的地压显现(见图3)，在630分层P5C5-C4巷方向约27 m处，顶板出现一条东西走向裂缝，缝长约4 m，缝宽2 mm，缝内有大量积水滴落，通过实地测量，此裂缝与620分层上下相对应；620分层P5C5口-C4巷，约34 m处顶板出现东西走向裂缝，缝隙较宽处约1 cm，顶板岩壁出现轻微岩石剥离，该区域与630分层裂隙走向上下位置相对应。位于山沟附近740 m标高的公路上的裂缝开裂量与沉降量最大，裂缝的开裂量达到70 cm，裂缝两边相对沉降量达到15 cm。

总的说来，高陡悬顶与边坡的开裂变形特征为：从高程上，开裂范围从地表812 m标高附近延伸到井下586 m分层，高度约为230 m；从平面上，开裂范围从P5巷的C2到C6，南北方向最长约140 m，东西方向最宽约58 m；开裂缝的张开度最大约为70 cm，裂缝两边相对下沉量从上往下基本上逐渐增大，从地表的15 cm至586分层的100 cm。开裂面从地表延伸到620，610与586分层，南北方向也在P5巷联通，开裂面的倾向为北西，倾角约为72°。

结合图5可以总结出其变形特征的3个阶段：第一阶段是从2014年2月至2015年3月，1#测点累计变形量为1 mm，此时高垂悬顶处于初始变形阶段，其变形发展趋势是趋于收敛的；第二阶段是从2015年4月至2017年2月，在此阶段，高垂悬顶与边坡的新增变形量为4 mm，累计变形量增加到5 mm，平均变形速度相比第一阶段有少许增加，但其变形发展趋势仍是趋于收敛的；第三阶段是从2017年3月至2018年8月，在这一阶段，高垂悬顶与边坡变形量没有增加，基本处于稳定。以上不同阶段的变形发展趋势与特征，说明截止到目前，高垂悬顶与边坡除靠近临空面处有小范围的开裂与变形沉降外，其整体仍处于变形收敛与稳定状态。