地壓監(jiān)測系統(tǒng)在充填法礦柱回采中的應(yīng)用

王利崗，李 棟，余樂文，蔡永順，袁本勝，郭利杰

（1.北京礦冶研究總院，北京102600；2.中國礦業(yè)大學(xué) （北京）深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室，北京100083；3.金屬礦山智能開采技術(shù)北京市重點實驗室，北京102600；4.中國礦業(yè)大學(xué) （北京）現(xiàn)代教育技術(shù)中心，北京 100083）

地壓監(jiān)測系統(tǒng)在充填法礦柱回采中的應(yīng)用

王利崗1，2，3，李 棟4，余樂文1，3，蔡永順1，3，袁本勝1，3，郭利杰1，3

（1.北京礦冶研究總院，北京102600；2.中國礦業(yè)大學(xué) （北京）深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室，北京100083；3.金屬礦山智能開采技術(shù)北京市重點實驗室，北京102600；4.中國礦業(yè)大學(xué) （北京）現(xiàn)代教育技術(shù)中心，北京 100083）

某磷礦試驗盤區(qū)以殘留礦柱作為空區(qū)的支撐體系，隨著暴露時間的延長出現(xiàn)礦柱破壞情況，為防止嚴(yán)重災(zāi)害出現(xiàn)，開展了空區(qū)處理工作，對殘留礦柱進(jìn)行回采，并對空區(qū)的周邊區(qū)域進(jìn)行了綜合地壓活動監(jiān)測，為礦柱回采過程中的科學(xué)決策提供了有力的依據(jù)，保障了礦柱回采作業(yè)的順利進(jìn)行。

地壓監(jiān)測；礦柱回采；微震

用空場采礦法和充填采礦法的多數(shù)方案回采礦房后，一般均留下起支撐保護(hù)作用的保安礦柱、頂?shù)字⒎块g柱、邊角殘留礦體等。在薄及極薄礦脈中礦柱儲量分別約占礦塊儲量的5%～10%和15%～20%，厚及中厚礦體中可達(dá)35%～50%，個別至55%～60%［1－4］。由于我國早期采礦機械設(shè)備、采礦技術(shù)水平相對落后，不得不殘留下這些礦柱［5－7］。如今，隨著采礦安全保障技術(shù)水平的提升，使得這些資源的安全有效回采、延長礦山服務(wù)年限、合理回收剩余資源得以實施。本文以某磷礦試驗盤區(qū)采空區(qū)安全處理與殘礦回收項目研究為背景，通過研究地壓監(jiān)測系統(tǒng)在該礦充填回采礦柱中的應(yīng)用，實現(xiàn)了殘留礦柱的安全、有效回采。

1 工程概況

1.1 礦山概況

該磷礦位于湖北?？蛋字竦V區(qū)第Ⅳ礦段，試驗盤區(qū)采用無軌設(shè)備分層開采的切頂房柱法采礦。經(jīng)過3年的開采，已經(jīng)完成礦房的回采工作。頂板與礦柱不穩(wěn)固，節(jié)理發(fā)育，采用管縫式錨桿，掛網(wǎng)臨時支護(hù)，然后采用錨索永久支護(hù)。

試驗盤區(qū)以殘留礦柱作為空區(qū)的支撐體系，礦柱設(shè)計約占盤區(qū)礦量32%。隨著暴露時間的延長，空區(qū)應(yīng)力進(jìn)一步發(fā)生變化，礦柱開始發(fā)生破壞，并且破壞速度有著加劇的趨勢。隨著礦柱的不斷破壞發(fā)生，最終將導(dǎo)致大規(guī)模的空區(qū)冒落，地表出現(xiàn)坍塌，切割上部斷層，產(chǎn)生大規(guī)模的滑坡體，造成嚴(yán)重的災(zāi)難。因此，礦山?jīng)Q定開展空區(qū)處理工作，同時對其中殘留的資源進(jìn)行回收，否則將失去處理時機。

1.2 采場結(jié)構(gòu)

該礦為緩傾斜中厚以上礦體，試驗盤區(qū)采用無軌設(shè)備分層開采的切頂房柱法采礦方法。盤區(qū)按礦體走向布置，盤區(qū)內(nèi)的礦房也沿走向布置，試驗盤區(qū)延礦體走向長140m，延傾向長78m，采場范圍11000m2，空區(qū)平均高度10m，空區(qū)體積74863.1m3，如圖1所示。

圖1 試驗采場空區(qū)平面圖

1.3 回采工藝

1.3.1 礦房回采

回采順序為從上往下回采出礦，先采Ph3切頂層、切頂后用錨桿臺車將頂板加網(wǎng)錨固，接著采Ph3礦層、最后采Ph1礦層、回采順序從盤區(qū)兩端往中央斜坡道方向退采，層與層的礦房回采工作面之間超前距離大于15m，貧礦與富礦分采分運。

切頂采用淺孔鑿巖臺車鑿巖或普通淺孔鑿巖機鑿巖，人工裝藥爆破。經(jīng)通風(fēng)、撬浮石、檢查頂板再出礦，出礦完畢后用錨桿臺車護(hù)頂。

1.3.2 礦柱回采

礦柱約占整個盤區(qū)礦量的32%，礦柱的回采工作非常重要。試驗盤區(qū)采礦方法中，為保證人員及設(shè)備的安全，盤區(qū)中間的間柱根據(jù)地壓變化，一般可間隔回收三分之一，盤區(qū)四周的連續(xù)礦柱可回采50%，仍保留50%作為連續(xù)礦柱，以免相鄰盤區(qū)相互影響，礦柱回采采用房柱法后退式回采，回采工藝與礦房回采類似，使用設(shè)備相同，礦柱回采不分層，采用整層一次性后退回采，人員設(shè)備只在巷道內(nèi)作業(yè)。礦柱的回采時間一般是在該盤區(qū)回采完畢后礦柱內(nèi)的巷道不需要用來通風(fēng)、運輸或行人時即可回采。

2 地壓監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 設(shè)計思路

隨著采礦空區(qū)面積逐漸增大，會帶來地壓活動，若不及時處理可能會產(chǎn)生嚴(yán)重后果。因此，生產(chǎn)中對空區(qū)處理充分重視，切頂層每次爆破后，安排工人站在爆堆上敲幫問頂，及時處理頂板浮石，然后用錨桿臺車安裝錨桿護(hù)頂。同時在空場的頂板布置了若干測點，配備了8臺頂板沉降記錄儀，利用地壓監(jiān)測儀器，監(jiān)測礦柱和井巷的地壓變化，一旦發(fā)現(xiàn)危險信號即根據(jù)安全生產(chǎn)預(yù)案進(jìn)行有效的干預(yù)處理。

根據(jù)礦房和礦柱回采的特點，在回采工藝的關(guān)鍵點上設(shè)計了一套綜合地壓監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測內(nèi)容包括處理過程中及空區(qū)完全處理后圍巖的穩(wěn)定性監(jiān)測，監(jiān)測措施包括應(yīng)力監(jiān)測、應(yīng)變位移監(jiān)測、微震監(jiān)測等，最終形成采空區(qū)處理過程中應(yīng)力位移在線實時監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)和采空區(qū)穩(wěn)定性微震遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)。

2.2 回采試驗區(qū)域應(yīng)力位移在線實時監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

殘礦回收和空區(qū)處理面臨較大安全作業(yè)風(fēng)險，不可能在井下空區(qū)大范圍建立應(yīng)力、位移監(jiān)測系統(tǒng)，因此僅監(jiān)測回采試驗區(qū)域關(guān)鍵部位的變形破壞情況，包括點柱、間柱、頂?shù)字翱諈^(qū)頂板等關(guān)鍵部位或地點。

監(jiān)測系統(tǒng)由計算機、數(shù)據(jù)采集儀（內(nèi)置智能測量模塊）、應(yīng)力傳感器、拉線傳感器（適合空區(qū)監(jiān)測使用）、數(shù)據(jù)采集分析軟件等組成，可完成各類工程安全監(jiān)測儀器的自動測量、數(shù)據(jù)處理、圖表制作、異常測值報警等工作。數(shù)據(jù)采集儀內(nèi)置智能測量模塊，可測量振弦式、差阻式、標(biāo)準(zhǔn)信號、電位計、電阻應(yīng)變片等各種類型的傳感器。模塊本身具有8個測量通道，通過通道擴展模塊，可實現(xiàn)更多通道的測量。圖2、為應(yīng)力位移在線實時形變監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)圖。

空區(qū)處理采用人工混凝土置換礦柱，輔以干式充填方式?？諈^(qū)頂板以及混凝土礦柱保持穩(wěn)定至關(guān)重要，因此應(yīng)力位移形變監(jiān)測主要監(jiān)測空區(qū)頂板及混凝土充填體，在混凝土充填體中埋設(shè)壓力盒，主要監(jiān)測礦柱回收時頂板與混凝土礦柱應(yīng)力變化情況。

2.3 采空區(qū)穩(wěn)定性微震遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)

圖2 礦山井下遠(yuǎn)程在線實時形變監(jiān)測系統(tǒng)

建立采空區(qū)穩(wěn)定性微震遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，結(jié)合數(shù)據(jù)處理、解釋、可視化軟件，可直觀顯示采空區(qū)和采場目標(biāo)區(qū)域整體巖體裂隙時空演化全過程。微震監(jiān)測技術(shù)用于監(jiān)測采空區(qū)頂板在變形和破壞過程中，微裂紋產(chǎn)生、擴展、摩擦?xí)r以應(yīng)力波的形式釋放的能量。傳感器接收到微震事件后，通過數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，經(jīng)過調(diào)制解調(diào)器處理，傳輸?shù)轿⒄鹂刂浦行?，?jīng)由電腦對微震事件進(jìn)行分析處理和可視化。

微震監(jiān)測系統(tǒng)硬件包括：地震傳感器、數(shù)據(jù)采集儀（GS）、調(diào)制解調(diào)器、地震控制器（SC）、中心監(jiān)控計算機及連接各硬件設(shè)備的通信電纜、電源及電源纜線和相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備；軟件包括系統(tǒng)運行控制軟件（RTSM）、微震處理軟件（JMTS）和數(shù)據(jù)解釋與可視化軟件（JDi）等。

礦山微震監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基本要求是滿足監(jiān)測范圍和監(jiān)測精度要求、整個監(jiān)測系統(tǒng)采用中央集中控制、信號傳輸抗干擾能力強、監(jiān)測范圍及通道易于擴展等。圖3為微震監(jiān)測系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和配置圖。

微震監(jiān)測系統(tǒng)主要是為了監(jiān)測采空區(qū)周邊采場在開采導(dǎo)致巖體變形破壞時伴隨發(fā)生的微震事件，通過對微震事件進(jìn)行分析，能夠有效指導(dǎo)礦山深部的安全開采。

2.4 傳感器測點設(shè)計

某磷礦試驗盤區(qū)采空區(qū)處理安全監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)合微震監(jiān)測、應(yīng)力監(jiān)測、應(yīng)變監(jiān)測等，對空區(qū)頂板位移，礦柱與人工混凝土礦柱應(yīng)力與應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測，為處理作業(yè)提供安全保障。具體監(jiān)測點布置如圖4所示。

微震監(jiān)測點設(shè)置在試驗盤區(qū)周邊巷道，共6個點。兩點間的距離在70～110m之間，滿足監(jiān)測儀器監(jiān)測范圍要求。

位移監(jiān)測點設(shè)置：位移監(jiān)測點設(shè)置在礦房頂板，共設(shè)置10個可移動的頂?shù)装嫖灰苽鞲衅鳎诓皇芑夭傻茸鳂I(yè)影響的地方安裝。采用本地電池供電、無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?，減少空區(qū)內(nèi)連線。初步考慮在空區(qū)周邊及內(nèi)部布置4～6個無線數(shù)據(jù)接收點。圖5中18個監(jiān)測點為預(yù)備安裝位移監(jiān)測的位置。

圖3 微震監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與配置圖

圖4 微震監(jiān)測系統(tǒng)布點

圖5 位移監(jiān)測系統(tǒng)布點

應(yīng)力監(jiān)測點設(shè)置：應(yīng)力監(jiān)測設(shè)置了17個監(jiān)測點，主要原生礦柱及水泥混凝土礦柱內(nèi)部，采用鉆孔和預(yù)埋的方式進(jìn)行安裝（圖6）。

應(yīng)變監(jiān)測點設(shè)置：應(yīng)變監(jiān)測點主要安裝在混凝土礦柱內(nèi)，采用預(yù)埋的方式進(jìn)行安裝（圖7）。每個礦柱內(nèi)安裝兩個傳感器。一個應(yīng)變傳感器在混凝土礦柱的中心位置，主要測量礦柱的壓應(yīng)變。另一個安裝在礦柱的靠邊位置，主要測量礦柱的拉應(yīng)變。

圖6 應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)布點

圖7 應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)布點

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)安裝完成后，經(jīng)過傳感器返回的實時數(shù)據(jù)，對回采過程中的應(yīng)力、應(yīng)變、頂板位移、微震事件等進(jìn)行綜合監(jiān)測，并生成可查詢的過程線，體現(xiàn)變化的趨勢，可作為回采過程中安全決策的依據(jù)。下面以2014年10月份的10天監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，繪制過程線，并對這段時間內(nèi)的綜合地壓活動變化趨勢做分析（圖8～10）。

圖8 3＃頂板位移變化趨勢

從圖8～10可以看出，3＃位移測點的頂板位移和3＃應(yīng)力測點的混凝土礦柱應(yīng)力呈緩慢上升趨勢，2＃應(yīng)變測點的混凝土礦柱應(yīng)變基本穩(wěn)定，需嚴(yán)密關(guān)注各測點的變化趨勢，觀察測點周邊圍巖情況，必要時采取相關(guān)安全措施，保證回采過程的安全生產(chǎn)。采空區(qū)周邊微震事件圖見圖11。采空區(qū)周邊微震應(yīng)力云圖分析見圖12。

圖9 3?；炷恋V柱應(yīng)力變化趨勢

圖10 2?；炷恋V柱應(yīng)變變化趨勢

圖11 采空區(qū)周邊微震事件圖

圖12 采空區(qū)周邊微震應(yīng)力云圖分析

從圖11可看出，微震事件主要發(fā)生在采空區(qū)的外圍，大多數(shù)是由于采場的生產(chǎn)爆破擾動引發(fā)的?？傮w上，微震事件的數(shù)量較少，且震級也不大，表明目前采空區(qū)比較穩(wěn)定。圖12是監(jiān)測區(qū)域內(nèi)應(yīng)變分布云圖，從圖12中可知，采空區(qū)內(nèi)沒有較大變形，監(jiān)測區(qū)域內(nèi)應(yīng)變變形主要集中在監(jiān)測區(qū)域的東北部采場內(nèi)，是由于采場內(nèi)生產(chǎn)作業(yè)造成的。

通過以上定期分析，可對一段時間內(nèi)作業(yè)區(qū)周邊地壓活動進(jìn)行綜合監(jiān)測分析，為回采作業(yè)過程的決策提供技術(shù)依據(jù)。

4 結(jié)論

本文從某磷礦安全高效回采礦柱的需求出發(fā)，結(jié)合回采工藝，設(shè)計了一整套采空區(qū)處理過程中應(yīng)力位移在線實時監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)和采空區(qū)穩(wěn)定性微震遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，通過對回采過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效分析，有針對性的提出安全處理措施，保障了殘留礦柱回采作業(yè)的安全高效進(jìn)行。

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The application of ground pressure monitoring system in abstraction of pillar used stowing method

WANG Li－gang1，2，3，LI Dong4，YU Le－wen1，3，CAI Yong－shun1，3，YUAN Ben－sheng1，3，GUO Li－jie1，3
（1.Beijing General Research Institute of Mining and Metallurgy，Beijing 102600，China；2.State Key Laboratory for Geomechanics ＆Deep Underground Engineering，China University of Mining and Technology （Beijing），Beijing 100083，China；3.Beijing Key Laboratory of Nonferrous Intelligent Mining Technology，Beijing 102600，China；4.Modern Educational Technology Center，China University of Mining and Technology（Beijing），Beijing 100083，China）

A phosphate’s experiment plot uses the residual pillar as supporting system of goaf，there have been some damages on pillar as time goes on，in order to prevent serious disasters，we carried out goaf management，abstracted the residual pillar，and installed a ground pressure monitoring system surround the goaf，provides powerful basis for scientific decision of pillar stoping process，and ensuring the smooth progress of the abstraction of pillar.

ground pressure monitoring；abstraction of pillar；microseismic

王利崗（1982－），男，山東煙臺人，碩士，研究方向為礦山安全監(jiān)測。E－mail：wlg163yx＠163.com。

TD863

A

1004－4051（2014）S2－0185－04

2014－09－22

國家863計劃項目資助（編號：2011AA060407）；國家科技支撐計劃項目資助（編號：2012BAK09B03）；國際合作項目資助（編號：2011DFA71990）