采空區(qū)上覆巖層穩(wěn)定性聲發(fā)射監(jiān)測可行性研究

付占宇，彭府華

(1.河源市紫金天鷗礦業(yè)有限公司， 廣東河源市 517463;2.長沙礦山研究院， 湖南長沙 410012)

采空區(qū)上覆巖層穩(wěn)定性聲發(fā)射監(jiān)測可行性研究

付占宇1，彭府華2

(1.河源市紫金天鷗礦業(yè)有限公司， 廣東河源市 517463;2.長沙礦山研究院， 湖南長沙 410012)

簡要介紹了下告鐵礦的開采背景、采空區(qū)規(guī)模及地壓特點，論述了采用多通道聲發(fā)射監(jiān)測技術進行采空區(qū)上覆懸頂巖層穩(wěn)定性監(jiān)測的必要性，介紹多通道聲發(fā)射監(jiān)測技術方案和特點。針對下告鐵礦采空區(qū)分布、斷層影響和地壓活動等情況，確定了采用12通道聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)進行地壓監(jiān)測，并對傳感器的布置進行了優(yōu)化，給出了傳感器的合理分布位置。

懸頂巖層;巖層穩(wěn)定性;多通道聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng);傳感器布置優(yōu)化

廣東天鷗礦業(yè)有限責任公司下告鐵礦位于廣東省河源市境內，屬低山丘陵地貌，地表植被較發(fā)育，以灌木、幼松為主。礦床采用主井、副井、斜坡道聯(lián)合開拓。自2008年投產以來，下告鐵礦初期曾采用分段空場采礦法開采，后來由于礦山擴大生產規(guī)模的需要，改用無底柱分段崩落法開采。初期空場法開采遺留了較大規(guī)模的采空區(qū)，在改用無底柱分段崩落法過程中，對間柱、頂柱及采空區(qū)進行了處理。由于采空區(qū)頂板巖層比較穩(wěn)固，沒有形成連續(xù)的崩塌覆蓋巖層，產生了較大規(guī)模的懸頂，地壓比較明顯，威脅到了當前的采礦生產安全。因此，必須開展必要的地壓監(jiān)測研究工作。

1 空區(qū)上覆巖層與地壓特點

1.1 空區(qū)上覆巖層

空區(qū)上覆巖層由上至下為第四系表土層和灰?guī)r。第四系(Q)按其成因類型及物質成分，可分為第四系殘坡積層及第四系沖積層。

(1)第四系殘坡積層。主要發(fā)育于山坡，山脊的地表，呈大面積面狀分布。由土黃色、灰白色、褐紅色砂質粘土、砂、巖屑及基巖風化碎塊等組成，表層受腐殖質影響，呈灰色、黃灰色，含植物碎屑等，植被發(fā)育，一般厚度2～5 m。

(2)第四系沖積層。主要分布于下告至寶山公路以南，下告河的河床、漫灘及山溝等低洼地段，大部分已被開墾成稻田。分布面積約0.75 km2，一般厚度10～30 m，主要由粘土、亞粘土、砂、礫石、卵石及磁鐵礦等組成。

(3)灰?guī)r?；液谏娏灼坏攘；◢徸兙ЫY構，薄層—條帶狀構造。礦物成分以方解石為主，含量約70%，呈微粒狀;石英、絹云母含量約30%。厚度10～30 m?；?guī)r巖性較好，節(jié)理裂隙不太發(fā)育。

1.2 采空區(qū)地壓特點

下告鐵礦經過前期的采礦后，全礦共有4個采空區(qū)(6001、6005、6009 和6013)，且僅有 +47，+60，+75 m和+90 m 4個水平有采空區(qū)存在，空區(qū)底板標高最低為+46.7 m，頂板標高為+107 m，凈空區(qū)高度 25.8～60.3 m，凈空區(qū)總面積為 1891 m2，總體積約為8.28萬m3，根據(jù)規(guī)劃，礦山+47 m以下改用崩落采礦法。因此對采空區(qū)進行了處理并對礦柱進行回采，在對空區(qū)間柱及空區(qū)上部巖體崩落后，預計形成面積約為5850 m2的新空區(qū)。

由于礦體上覆巖層比較穩(wěn)固，頂板巖層出現(xiàn)了較大范圍的懸頂現(xiàn)象。由于受到下盤F5斷層的影響和采空區(qū)的共同作用，上部開采導致地壓顯現(xiàn)主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

(1)近年來，懸頂?shù)纳细矌r層產生過兩次較大規(guī)模的冒頂現(xiàn)象，對井下采場產生了明顯的沖擊，破壞了采場下盤鑿巖巷道的巖體結構，還造成過人員受傷事故;

(2)回收采空區(qū)內礦柱的過程中，上覆巖層沿著F5斷層錯動和崩塌，發(fā)展到地表，并產生了較大規(guī)模的塌陷地質災害;

(3)由于上覆巖層巖性好，節(jié)理裂隙不太發(fā)育，在進行礦柱回收和人工放頂處理時，頂板不能自然冒落，到目前為止采空區(qū)上覆巖層形成了較大規(guī)模的懸頂，這對未來的井下安全生產帶來了很大的地壓災害隱患。

2 空區(qū)上覆巖層監(jiān)測方案選擇

由于受采動及斷層的影響，新空區(qū)面積不斷加大，空區(qū)頂板巖體可能還會繼續(xù)冒落至地表。突然冒落產生的沖擊和氣浪會對采礦作業(yè)產生影響，再加上空區(qū)頂板巖體冒落時間及冒落規(guī)模的不確定性，空區(qū)上覆巖層給礦山安全產生帶來了極大的隱患。因此對采空區(qū)上覆巖層穩(wěn)定性進行全天候實時監(jiān)測是非常必要的。但是，傳統(tǒng)的監(jiān)測方法都有明顯的缺陷，如井下應力計、應變計監(jiān)測、地表巖移監(jiān)測等都不是實時監(jiān)測、不能實時動態(tài)地反映巖體的穩(wěn)定性，不能全面反映巖體內部的變形和破壞情況，且監(jiān)測的勞動強度大等。特別是下告鐵礦+47 m以上的采空區(qū)上盤沒有通道，人員不可能進入上盤接近懸頂頂板進行常規(guī)監(jiān)測。另外，僅僅采用地表巖移監(jiān)測，不能很好地反映懸頂巖體的受力狀況，更不能捕捉懸頂巖層的突發(fā)性崩塌的前兆特性。因此，選擇一種可以實現(xiàn)全天候實時監(jiān)測的地壓監(jiān)測方法，克服上述傳統(tǒng)監(jiān)測方法的缺點，對于下告鐵礦上覆巖層地壓監(jiān)測是十分必要的。

多通道聲發(fā)射與微震監(jiān)測技術有其自身的優(yōu)點和特點［1，2］，可以克服傳統(tǒng)監(jiān)測方法的弊端，近年來在國內礦山地壓監(jiān)測中得到了推廣應用，并在硬巖金屬礦山的地壓監(jiān)測應用中取得了較好的效果［1～3］。針對下告鐵礦采空區(qū)地壓特點，采用多通道聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)對上覆巖層進行全天候實時監(jiān)測，可以及時了解和掌握懸頂巖體的地壓活動情況和發(fā)展趨勢，及時捕捉巖體破裂的前兆信息，實現(xiàn)對可能發(fā)生的大面積頂板冒頂災害的安全預警，從而給礦山安全生產提供可靠的依據(jù)。

3 多通道聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)及其技術特點

3.1 系統(tǒng)組成

根據(jù)下告鐵礦上覆懸頂巖層的范圍和規(guī)模，以及上覆巖層的厚度等，確定采用12通道聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)對采空區(qū)上覆懸頂巖層穩(wěn)定性進行監(jiān)測。該系統(tǒng)主要由12通道數(shù)據(jù)采集儀、12個單軸傳感器和數(shù)據(jù)監(jiān)控處理站3部分組成，數(shù)據(jù)處理站建在地表辦公樓內，系統(tǒng)組成如圖1所示。在每個傳感器與數(shù)據(jù)采集儀之間為模擬信號傳送，采用信號電纜線相連;數(shù)據(jù)采集儀與監(jiān)控處理站之間先從數(shù)字信號轉換成光信號，經光纜傳輸至數(shù)據(jù)處理站，再由光信號轉換成數(shù)字信號達到監(jiān)控分析計算機，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠傳輸送。

圖1 多通道聲發(fā)射系統(tǒng)

3.2 系統(tǒng)技術特點［4，5］

(1)實時監(jiān)測。多通道AE監(jiān)測系統(tǒng)，一般是通過以陣列的形式把傳感器固定安裝在監(jiān)測區(qū)域內，實現(xiàn)對區(qū)域內巖體因受應力作用而產生的聲發(fā)射信息的有效采集。該技術的一個重要特點是它可實現(xiàn)對聲發(fā)射事件的全天候實時監(jiān)測。

(2)全范圍立體監(jiān)測。聲發(fā)射技術突破了傳統(tǒng)監(jiān)測方法力(應力)、位移(應變)中的“點”或“線”意義上的監(jiān)測模式，通過系統(tǒng)優(yōu)化布局，實現(xiàn)對設計監(jiān)測范圍內的巖體聲發(fā)射過程在空間概念上的時間過程監(jiān)測，實現(xiàn)常規(guī)方法人不可達到巖體內部的監(jiān)測。

(3)全數(shù)字化數(shù)據(jù)采集和存儲及處理。多通道聲發(fā)射技術采用全數(shù)字化技術，克服了模擬信號系統(tǒng)的缺點，對數(shù)據(jù)的采集、存儲和處理更加方便，使得計算機監(jiān)控成為可能。系統(tǒng)的高速采樣以及P波的全波形顯示，使得對聲發(fā)射信號的頻譜分析和事件的判別直觀方便。

4 傳感器布置與監(jiān)測效果方案優(yōu)化

4.1 地壓監(jiān)測區(qū)域

根據(jù)采空區(qū)空間分布范圍和分布狀況、上覆懸頂巖層的厚度，監(jiān)測的對象主要是采空區(qū)上覆懸頂巖層。由于傳感器有較大的觸探范圍，本系統(tǒng)的實際監(jiān)測范圍是從采空區(qū)懸頂巖體頂板直到地表、跨0～4勘探線之間的、包括F5在內的上覆巖層區(qū)域，見圖2。

圖2 監(jiān)測區(qū)域

4.2 傳感器的優(yōu)化布置

如果將傳感器布置在采空區(qū)下面的巖體中，采空區(qū)上覆巖體失穩(wěn)產生的應力波穿過較大的采空區(qū)到達井下傳感器，這個過程由于波的幾何擴張和散射，導致應力波衰減嚴重，從而影響系統(tǒng)的監(jiān)測效果。因此考慮將傳感器布置在采空區(qū)上覆巖層中。

傳感器的布置位置是多通道聲發(fā)射監(jiān)測的重要技術問題，直接影響到監(jiān)測效果的好壞。傳感器布置優(yōu)化采用仿真模擬定位精度的方法，不斷調整傳感器的布置位置，使系統(tǒng)監(jiān)測效果達到最優(yōu)［6］。傳感器布置優(yōu)化的效果如圖3、圖4和圖5所示，圖3為地表平面監(jiān)測效果云圖，圖4是+34 m水平的監(jiān)測效果云圖，圖5所示是監(jiān)測效果的立體云圖。通過傳感的優(yōu)化分析，使得在傳感器包圍區(qū)域具有較好的監(jiān)測效果，同時井下+90，+60，+34，0 m分層基本都在其監(jiān)測包絡范圍以內。

圖3 地表監(jiān)測范圍圈

圖4 +34 m監(jiān)測范圍圈

圖5 立體范圍圈包絡面

5 結語

根據(jù)下告鐵礦空區(qū)分布情況和礦山地壓特點，提出了采用12通道AE技術對空區(qū)上覆巖層進行地壓監(jiān)測。采用仿真模擬的方法，并結合地表地形情況給出了傳感器位置的優(yōu)化結果。這只是對多通道AE監(jiān)測系統(tǒng)在下告鐵礦的應用進行了一個可行性的論述，12通道聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)建立起來之后，如何有效的監(jiān)測空區(qū)上覆巖層的穩(wěn)定性，以確保礦山安全生產，還需要做大量的工作。

［1］ 李庶林，尹賢剛，鄭文達，等.凡口鉛鋅礦多通道微震監(jiān)測系統(tǒng)及其應用研究［J］.巖石力學與工程學報，2005，24(12):2048－2053.

［2］ 袁節(jié)平.試論柿竹園多通道微震監(jiān)測技術研究的必要性［J］.采礦技術，2009，9(1):66－69.

［3］ 胡靜云，林 峰，彭府華，等.香爐山鎢礦殘采空區(qū)地壓災害微震監(jiān)測技術應用分析［J］.中國地質災害與防治學報，2010，21(4):109－115.

［4］ 李庶林.試論微震監(jiān)測技術在地下工程中的應用［J］.地下空間與工程學報，2009，5(1):122－128.

［5］ 國防科技工業(yè)無損檢測人員資格鑒定與論證培訓教材編審委員會.聲發(fā)射檢測［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2004.

［6］ 林 峰，李庶林，薛云亮，等.基于不同初值的微震震源定位方法研究［J］.巖石力學與工程學報，2010，29(5):996－1002.

2011－03－29)

付占宇(1966－)，男，遼寧鐵嶺人，高級工程師，主要從事采礦技術研究，Email:fuzhanyu468@sohu.com。