王亚军，李向东, ，李强

(1.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南 长沙 410012；2.金属矿山安全技术国家重点实验室，湖南 长沙 410012)

0 引言

近年来，为了确保矿山经济效益，满足生产任务要求，东柏树矿部分采场开采完毕后未能及时进行充填，采空区暴露时间长，矿体上盘围岩受地应力及开采扰动影响，采空区顶板发生了一定程度的冒落，部分未处理采空区的顶板及两侧的矿柱也存在一定程度的破坏，采空区顶板垮塌，矿柱失稳，导致相邻采空区互相贯通，矿山存在较大的地压灾害隐患。

随着矿山开采深度的增加，应力水平不断增大，由于受开采扰动及断层的影响，采空区面积不断加大，采空区顶板岩体存在继续冒落的风险。突然冒落产生的岩石冲击和气浪会影响井下作业人员及设备安全，再加上空区顶板岩体冒落时间及冒落规模的不确定性[1-3]，空区上覆岩层及周边矿柱给矿山安全生产造成了极大的威胁。

1 地压监测的必要性

东柏树矿开采深度超过1000 m，368 m 中段及以上各个中段大部分矿石资源已经开采完毕，只留下了一些顶底柱和间柱以及贫矿资源，现在只在零星区域进行残矿回收，深部还有大量矿石资源待采。318 m 中段、268 m 中段、218 m 中段及188 m中段这4 个井深生产中段为东柏树矿如今主要的供矿中段。虽然井下采空区群暂时处于相对稳定状态，但是随着时间的推移和后续矿体的回采，局部可能会产生小规模冒顶现象，会对矿山安全生产造成一定的威胁，故应尽快对井下采空区制定治理措施[4-5]，妥善进行处理。

随着生产的进行，在采空区未处理前矿山生产安全隐患大，亟需开展井下地压在线监测系统建设，为井下重点生产区域可能产生的地压灾害活动进行预报预警，保障井下安全生产。

由于浅部开采区域采空区数量多、规模较大，存在大跨度多中段叠层空区现象，垮冒风险高，且部分相邻空区之间的矿柱已经失稳垮塌，空区之间已贯通。由于矿柱垮塌连带破坏了采空区周边主要运输通道，这部分贯通采空区现已无法进入现场查看，浅部开采区域暂时大多进行残矿回收作业，生产采场不集中，作业人员较为分散，若在这部分区域安装地压监测系统，则地压监测探头安装较为分散，且现场维护工作复杂，难以保证监测效果。而东柏树坑口深部开采区域矿产资源丰富，生产采场集中，生产作业人员较为密集，大部分采场最近才开始生产，且严格按照设计规范布置采场，采场结构尺寸合理，顶底柱和间柱均保存完好，采空区及其周边巷道暂时稳定，为地压监测设备的安装创造了良好的客观条件[6-7]。

现阶段东柏树矿充填站正在建设当中，深部开采区域由于没有采取较好的采空区治理措施，随着生产的进行，采空区的暴露空间和暴露时间将进一步加大。深部开采区域地应力大，地压活动将更为频繁，为了预防地压灾害事故发生，保障井下人员及设备安全，需要在深部开采区域安装地压在线监测系统，对该区域开采过程中发生的地压灾害活动进行预报预警。

应急管理部在《非煤矿山领域遏制重特大事故工作方案的通知》《金属非金属矿山“六打六治”打非治违专项行动方案的通知》《非煤矿山安全生产“十三五”规划通知》等通知中都明确提出：开采深度超过800 m 的地下矿山必须安装地压在线监测系统[8-10]。

综上所述，东柏树矿深部开采区域必须安装地压在线监测系统。

2 地压监测方案设计

2.1 井下监测总体目标及原则

2.1.1 监测总体目标

通过建立东柏树矿深部开采区域地压在线监测系统，对矿山井下318 m 中段、268 m 中段、218 m 中段和188 m 中段的采空区和矿柱稳定性情况进行长期监测，为深部开采区域矿石资源安全回采及开拓工程的安全施工提供技术与科学理论支撑。

2.1.2 监测总体原则

（1）地压监测应为矿山深部开采区域安全回采及开拓工程服务。东柏树矿368 m 中段及以上各个中段的大部分矿石资源基本开采完毕，现在部分区域正进行残矿回收，矿山现已转入深部开采阶段，主要供矿中段为318 m 中段、268 m 中段、218 m 中段和188 m 中段。深部开采区域地应力大，为保证深部开采区域的生产安全，需对东柏树矿318m中段及以下各个中段的采空区及矿柱开展在线地压监测。

（2）安全隐患大的区域优先监测。对东柏树矿深部开采区域的地压活动进行监测和预测是整个项目的研究重点，目前深部主要开采中段为318 m 中段、268 m 中段、218 m 中段和188 m 中段，该区域暂未发生较为明显的地压显现现象。随着开采深度的增加，地应力随之增大，该区域内矿石资源的回收及开拓工程的施工对相邻采空区带来的开采扰动影响缺乏量化的评估指标，因此，为了尽快给深部开采区域的安全生产提供技术支撑，采空区连续分布安全隐患较大的区域需要优先监测。

2.2 监测方法

对矿山进行地压监测的方法有很多，国内金属矿山普遍采用应力和位移监测、多通道声发射、微震（AE/MS）监测其中的一种或多种手段同时实施[11-12]，采用多种地压监测方法对矿区的地压灾害进行预警，指导矿山采取正确、及时的灾害控制措施。通过对比应力和位移监测系统、多通道声发射监测系统以及微震监测系统的监测原理与实际应用情况，立足于东柏树矿地质条件、开采现状等情况，初步确定以下3 种在设备、技术和组织管理上可行的地压监测方案。

3 种地压监测方案的优缺点见表1。

表1 地压监测方案优缺点比较

从表1 可以看出，方案一的建设投入最少，监测方案也较为简单，但考虑到该方案的监测范围小，无法实时监测，每天或者隔一天就得去监测元件安装地点收集数据，耗费人力且存在安全隐患，故不予考虑。东柏树矿地压监测方案宜从方案二和方案三中进行选择。

方案三与方案二相比较，方案二所能达到的监测效果方案三都能满足，而且监测效果更佳，数据的分析处理也更为快捷，但是方案三动辄百万以上的设备购入费用，前期投资太大，整体投入成本大概为方案二的2～3 倍，后期维护运营的成本较高，且方案三的系统及软件为全英文界面，上手难度大，操作不方便。因此，从经济及实用性两方面来考虑，方案二比方案三更有优势。

基于上述分析，为实现本次地压监测的目的，结合监测总体原则和矿山回采、开拓现状需要，决定选用“多通道声发射监测”的监测方案，实时对东柏树矿深部开采区域采空区和矿柱的地压变化状况进行系统监测、分析和预测预报[13-14]，从而为矿山深部矿产资源的安全回采和深部开采区域开拓工程的安全施工提供技术支撑和决策依据。

声发射在线监测方案设计的基本技术路线为：现场调查与监测方案的制定→地压监测网建立（设备仪器采购、安装与调试）→实时监测数据分析→预测预警。

2.3 多通道声发射监测系统

根据东柏树矿深部开采区域地压在线监测的总体目标，结合国内外在多通道声发射地压监测方面的有关技术，开展地压监测方案设计。

为了实现对东柏树矿深部开采区域地压灾害活动的预报和预警，在东柏树矿深部开采区域建立一套全数字型多通道全波、宽频带声发射监测系统，将监测数据由井下监测硐室输送至地表监控室进行处理分析。该系统包括声发射信号拾震（通过埋设的声发射传感器实现）、信号采集（在井下建立声发射监测硐室）和计算机监控三大部分。该系统可实现信号的远程输送，计算机监控室建在地表。地压监测系统部分操作页面见图1。

图1 地压监测系统部分操作界面

2.3.1 系统传感器布置

为确保能实时观测到深部开采区域采空区及矿柱的稳定性情况，保障地压灾害事故不会对井下生产人员、设备及主要生产系统造成安全威胁，提前对失稳采空区及矿柱实现预警预报。根据声发射地压监测探头的性能及在类似矿山条件下所能覆盖的范围，结合东柏树坑口深部开采区域地质情况及开采现状，设计在318 m 中段、268 m 中段、218 m中段脉外运输巷及部分穿脉内布设声发射地压监测探头，对318 m 中段、268 m 中段、218 m 中段和188 m 中段的重点采空区和矿柱稳定性情况实施在线监测，传感器坐标位置见表2。

表2 传感器坐标位置

2.3.2 系统仪器设备清单及投资估算

结合东柏树矿深部开采区域开采技术条件及开采现状，该区域采空区和矿柱地压监测选用多通道声发射监测进行设备选型及预算，具体设备及预算金额见表3。

表3 多通道声发射监测设备及预算

2.3.3 系统安装主要辅助工程

多通道声发射监测传感器利用矿山现有的巷道工程，通过在巷道内施工缓倾斜钻孔及施工监测硐室，安装在预定位置，钻孔直径为42 mm，钻孔深度为2.5～2.8 m，监测硐室的尺寸为3m×3m×2.5 m。

3 声发射地压监测数据分析

3.1 信号辨识方法

开展地压监测相关工作时，必须熟练辨识监测到的信号，针对监测目标剔除噪音，提取有用信号，为进一步的岩体稳定性和地压灾害评价提供基础数据。

根据监测操作人员的经验、设备的性能和对软件功能的分析，可对声发射信号进行辨识和分析。应充分利用操作人员的经验，根据不同信号发生时间、地点、总事件数、大事件数等特征来辨识并区别不同信号，同时也应充分了解井下生产现状，结合生产实际情况和人员工作安排，合理区分人员及设备活动产生的信号，以及监测到的岩体自身地应力信号。

3.1.1 经验方法

经验方法是监测人员根据自己在长期监测分析中积累的经验来辨识监测信号。这种经验既包括对接收到的信号本身的认识，也包括对井下实际生产情况的了解[15-16]。实际上经验方法是一种非常有效的综合分析方法。经验法是在监测的同时及时分析监测到的事件，根据所获得监测事件的时间和空间位置，结合井下实际生产作业情况进行辨识。

3.1.2 理论分析法

理论分析是借助于对岩石破裂性质、震源机理、不同震源的波动特性，对信号的波形、频率和能量进行分析，确定监测事件的类型。本次声发射地压监测所用系统后台对声发射所测波形和频率进行了预处理，监测数据的表现为总事件数和大事件数数据统计。一般而言，理论分析在时间上都滞后于实际监测，它是在经验法难以区分时采用的方法。

3.1.3 综合分析方法

在实际应用中，单纯采用上述的某一种方法有时不易对声发射监测信号进行区分，而采用综合分析方法有助于对声发射监测信号进行更有效的辨识[17-18]。该方法就是采用经验与理论相结合的方法，两者之间相互弥补，达到区分信号的目的。

3.2 声发射地压监测数据及地压活动分析

对东柏树矿深部的318 m 中段、268 m 中段、218 m 中段分别监测声发射地压数据，此次声发射地压监测数据记录从2021 年7 月1 日开始，2021年9 月30 日结束，地压监测系统在监测过程中遇到井下停电或检修等情况，导致部分时间段内监测数据不完整。地压监测数据记录期间各探头获得的大事件数和总事件数见表4。

表4 地压监测数据

由现场地压监测数据和地压活动情况分析可知，1#和2#声发射探头在本段监测时间内接收到的声发射事件数较少，3#声发射探头接收到的声发射事件数略多一些，且在个别时间段内大事件数和总事件数高于日常平均值，待接收到的事件数趋于平稳后，安全管理员及现场技术人员到该探头周边观察井巷工程地压活动情况，发现该区域矿岩整体稳固型较好，仅临近巷道顶部存在轻微掉块现象，块体体积小，没有大规模的地压活动显现。

4#、5#、6#、7#声发射探头在本段监测时间内接收到的声发射事件数较少，8#声发射探头接收到的声发射事件数较多，结合现场生产情况可知，该探头附近这段时间一直有施工人员在施工作业，凿岩、爆破及车辆经过等活动产生的振动都被探头记录为地压事件，故该探头记录的事件数较多。经过现场观察，该探头周边矿岩整体稳固性较好，井巷工程这段时间没有明显的地压活动显现，保存完好。

9#、10#和11#声发射探头在本段监测时间内接收到的声发射事件数较少，12#声发射探头在本段监测时间内接收到的声发射事件数略多一些，且在个别时间段内大事件数和总事件数高于日常平均值，待接收到的事件数趋于平稳后，安全管理员及现场技术人员到该探头周边观察井巷工程地压活动情况，发现该区域矿岩整体稳固型较好，仅临近巷道顶部存在轻微掉块现象，块体体积小，没有大规模的地压活动显现。

从各个声发射探头接收到的时间-大事件数曲线、时间-总事件数曲线的变化趋势来看，这两类曲线的变化趋势基本一致。关注并及时分析各个声发射探头收集到的声发射数据变化情况，将地压变化情况反馈给井下管理和施工人员，指导井下安全生产，防止地压灾害事故发生。

4 结论

（1）根据东柏树矿地质条件及开采现状以及相关政策要求，结合采空区冒落规律及危害情况，确定东柏树矿必须要建立地压在线监测系统，并确定监测位置为深部开采区域318 m 中段、268 m 中段和218 m 中段。

（2）从各个声发射探头接收到的时间-大事件数曲线、时间-总事件数曲线的变化趋势来看，这两类曲线的变化趋势基本一致。关注并及时分析各个声发射探头收集到的声发射数据变化情况，将地压变化情况反馈给井下管理和施工人员，可指导井下安全生产，防止地压灾害事故发生。

（3）地压监测过程必须紧密结合采矿生产实际，掌握采矿生产过程和进展情况，及时了解现场地压显现状况。只有这样才能更好地用好声发射地压监测技术。