特大采空區(qū)及高大礦柱穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)研究

王培武，楊 順，王賢偉

(1.萬(wàn)城商務(wù)東升廟有限責(zé)任公司， 內(nèi)蒙古巴彥淖爾市 015000；2.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司采礦工程中心， 湖南長(zhǎng)沙 410012)

特大采空區(qū)及高大礦柱穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)研究

王培武1，楊 順2，王賢偉1

(1.萬(wàn)城商務(wù)東升廟有限責(zé)任公司， 內(nèi)蒙古巴彥淖爾市 015000；2.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司采礦工程中心， 湖南長(zhǎng)沙 410012)

某鉛鋅礦采用房柱法開(kāi)采，形成了由4個(gè)礦柱支撐的上下貫通的5個(gè)大采空區(qū)，礦柱寬度10～15 m，高度為40～110 m，空區(qū)總體積達(dá)75萬(wàn)m3；地表有季節(jié)性河流，上覆巖層最薄處只有144 m。井下采場(chǎng)沖擊波對(duì)個(gè)礦柱的穩(wěn)定性以及上覆巖層的擾動(dòng)極大的威脅著礦山的安全生產(chǎn)。針對(duì)上述問(wèn)題，采用微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)礦柱內(nèi)巖體穩(wěn)定性進(jìn)行研究，成功掌握了各礦柱的受力情況，對(duì)礦柱的開(kāi)裂進(jìn)行了有效預(yù)警，調(diào)整井下采礦作業(yè)位置，達(dá)到了持續(xù)有效監(jiān)測(cè)的目的，對(duì)礦山的安全生產(chǎn)發(fā)揮了指導(dǎo)作用。

特大采空區(qū)；礦柱穩(wěn)定性；微震監(jiān)測(cè)

0 引 言

我國(guó)礦山開(kāi)采由于歷史原因，采礦秩序較混亂，同時(shí)受采礦技術(shù)和機(jī)械裝備水平所限，使用空?qǐng)龇?、崩落法、留礦法等采礦方法，形成了大量的采空區(qū)，這些空區(qū)暴露面積大，上覆巖層較薄，礦柱厚度較低，同時(shí)隨著采礦深度的增加，地壓?jiǎn)栴}急劇上升，存在極大的安全隱患。

針對(duì)這樣的現(xiàn)狀，2003年，李庶林等首次引進(jìn)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)凡口鉛鋅礦深部開(kāi)采進(jìn)行地壓監(jiān)測(cè)，對(duì)生產(chǎn)爆破后的余震進(jìn)行了初步應(yīng)用研究，對(duì)礦山生產(chǎn)管理進(jìn)行了有效指導(dǎo)，對(duì)微震監(jiān)測(cè)技術(shù)在礦山的應(yīng)用取得了極大的促進(jìn)作用[1]；2008年，楊志國(guó)等通過(guò)微震監(jiān)測(cè)技術(shù)微震時(shí)間定量理論分析了冬瓜山銅礦回采過(guò)程中礦柱應(yīng)力、位移、剛度和穩(wěn)定性變化過(guò)程規(guī)律，說(shuō)明較大規(guī)模巖體破壞發(fā)生前會(huì)出現(xiàn)巖體剛度先增大后下降、應(yīng)力水平先下降后增大、微震事件發(fā)生頻率增大等現(xiàn)象[2]。2013年，楊順等利用微震監(jiān)測(cè)技術(shù)，通過(guò)對(duì)單通事件觸發(fā)頻率和能量大小的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)研究，成功對(duì)香爐山鎢礦井下地壓活動(dòng)進(jìn)行了安全預(yù)警，說(shuō)明微震監(jiān)測(cè)對(duì)掌握巖體內(nèi)部未破裂狀況及能量釋放情況具有重要作用[3]；2014年，胡靜云等針對(duì)大紅山鐵礦特大采空區(qū)及上覆巖層移動(dòng)以及地表開(kāi)裂塌陷等地壓?jiǎn)栴}，引進(jìn)微震監(jiān)測(cè)技術(shù)和實(shí)時(shí)巖移變形監(jiān)測(cè)等手段，對(duì)上覆巖層移動(dòng)量，地表開(kāi)裂范圍與水平移動(dòng)進(jìn)行了有效的監(jiān)測(cè)，說(shuō)明大采空區(qū)地壓監(jiān)測(cè)結(jié)合微震與巖移監(jiān)測(cè)具有很好的應(yīng)用效果[4]。本文主要是針對(duì)某鉛鋅礦特大采空區(qū)問(wèn)題，通過(guò)微震監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)礦柱開(kāi)裂、垮落等地壓災(zāi)害的監(jiān)測(cè)與預(yù)警。

1 礦山現(xiàn)狀

該礦山2004年投產(chǎn)開(kāi)采，年生產(chǎn)能力70多萬(wàn)t，房柱間采過(guò)程中沒(méi)有保留中段礦柱，形成約130萬(wàn)m3的特大采空區(qū)，為深部礦體的開(kāi)采留下嚴(yán)重的安全隱患。形成了被4根礦柱分隔的5個(gè)采空區(qū)，分別為7線、11線、15線和萬(wàn)19線礦柱，礦柱寬度10～15 m，高度為40～110 m，單個(gè)采空區(qū)暴露面積超過(guò)3500 m2，最大暴露面積達(dá)到3700 m2。采空區(qū)上覆巖層最薄的地方只有144 m，其中15線礦柱地表位置有季節(jié)性河流橫貫礦床。礦柱穩(wěn)定性和采空區(qū)穩(wěn)定性問(wèn)題突出。礦山縱剖面圖如圖1所示。礦柱穩(wěn)定性與采空區(qū)上覆巖層的穩(wěn)定性一直是影響礦山安全生產(chǎn)的首要問(wèn)題。針對(duì)上述地壓地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題，礦山相繼建立了18通道微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及非接觸式巖移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等技術(shù)手段，對(duì)礦柱穩(wěn)定性、各礦柱應(yīng)力轉(zhuǎn)移情況以及礦柱開(kāi)裂情況等進(jìn)行監(jiān)測(cè)與預(yù)警[5-6]。

2 監(jiān)測(cè)方法

為了監(jiān)測(cè)4個(gè)礦柱以及采空區(qū)的整體穩(wěn)定性，建立了一套18通道全數(shù)字型微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)信號(hào)的全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)，并實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)傳輸送與專家遠(yuǎn)程監(jiān)控，系統(tǒng)組成如圖2所示。傳感器安裝在7線、11線、15線以及19線礦柱內(nèi)，分布在930，960，890，873 m四個(gè)中段內(nèi)，礦柱中傳感器布置及理論定位精度如圖3所示，可以看出系統(tǒng)在被測(cè)礦柱及采空區(qū)區(qū)域理論定位精度在20 m以內(nèi)，具有較好的定位效果。

圖1 井下采空區(qū)現(xiàn)狀

圖2 18通道微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

圖3 主采空區(qū)傳感器布置優(yōu)化

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.1 微震監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

微震單通道觸發(fā)事件為傳感器監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)監(jiān)測(cè)到的巖體內(nèi)部微破裂所產(chǎn)生的彈性波[7]，根據(jù)萬(wàn)城礦井下生產(chǎn)及巖體條件，設(shè)定了單通道觸發(fā)預(yù)警值為80個(gè)/d.

7線礦柱共有5個(gè)傳感器，其中3＃、4＃在930 m中段，8＃、9＃在 890 m中段，14＃在873 m中段，自2014年3月以來(lái)，890 m中段8＃、9＃傳感器微震事件率一直保持較高水平，針對(duì)這兩個(gè)傳感器3～7月份數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如圖4所示。從圖中數(shù)據(jù)趨勢(shì)可以明顯看出，3～6月份微震數(shù)據(jù)較為活躍。然而，在6月份現(xiàn)場(chǎng)勘查表面地壓活動(dòng)和裂紋擴(kuò)展較不明顯，反而在7月份出現(xiàn)明顯的裂紋擴(kuò)展，相比7月份微震數(shù)據(jù)較為平靜，較不活躍。一般巖體破裂過(guò)程在外力作用下先從內(nèi)部薄弱處產(chǎn)生微破裂，裂紋貫通開(kāi)展，直至表面出現(xiàn)可見(jiàn)性變形，因此上述監(jiān)測(cè)表明，7線礦柱在出現(xiàn)較多的內(nèi)部前兆性的微破裂裂紋，直至7月份出現(xiàn)明顯的巖體開(kāi)裂和巖移等地壓現(xiàn)象。而在臨近垮落時(shí)，微震事件頻數(shù)反而減少，即為發(fā)生沖擊地壓的前兆。伴隨著巖體垮落，巖體內(nèi)部的能量得到釋放，其壓力也會(huì)相對(duì)減小，微震事件頻度降低。

圖4 2014年3～7月8＃、9＃傳感器數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

3.2 典型波形分析

選取較有代表性的8＃傳感器巖體破裂波形進(jìn)行分析，如圖5所示。該波形為8＃傳感器于2014年6月16日16∶27時(shí)收集，可以通過(guò)頻率選取開(kāi)窗，選取一周期波分所在處如圖陰影寬度。可以看出該周期為1.1 ms，根據(jù)換算該周期波段的頻率為923.2 Hz。因?yàn)橐话銕r體破裂波形不為單一頻率波形，而是由分布在一定的頻率域范圍波形組成。為了全波段分析巖體破裂的主頻范圍，對(duì)上述波形進(jìn)行快速傅里葉變化(FFT變化)，可以觀察出所監(jiān)測(cè)到巖體破裂波形在頻率域的分布特征。從圖6可以得知，該波形的破裂主頻接近1000 Hz。這也與正常巖體破裂的頻率范圍相符，屬于臨近傳感器巖體高頻破壞。

圖5 巖體破裂波形

圖6 巖體破裂波形FFT變換

聲譜圖可以通過(guò)顏色的區(qū)別將波形在頻率域的差別明顯的區(qū)別。圖7為上述8＃傳感器所分析波形的聲譜圖，分為上下對(duì)應(yīng)兩圖，橫軸均為相同的時(shí)間軸。通過(guò)聲譜圖可以看出，巖體破裂與低噪有明顯的頻率差異，表明該監(jiān)測(cè)波形低噪較為純凈，巖體破裂波形較為清晰。

4 結(jié) 論

(1)微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，在2014年5，6月微震事件率保持較高水平，且超過(guò)預(yù)警值范圍，但未出現(xiàn)明顯的地壓顯現(xiàn)；而在微震事件率較低的7月份，礦柱產(chǎn)生了開(kāi)裂和片幫等現(xiàn)象，說(shuō)明微震數(shù)據(jù)較活躍時(shí)期，巖體內(nèi)部產(chǎn)生較多微破裂或原有裂紋貫通，該過(guò)程所產(chǎn)生的應(yīng)力波使得傳感器處于高觸發(fā)狀態(tài)。到7月份傳感器觸發(fā)數(shù)明顯降低時(shí)，礦柱內(nèi)部微裂紋萌發(fā)貫通直至宏觀的開(kāi)裂或片幫，礦柱內(nèi)應(yīng)力能量隨著開(kāi)裂而釋放，最終巖體出現(xiàn)可見(jiàn)性變形。

圖7 巖體破裂波形聲譜圖

(2)結(jié)合其他礦柱微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，并沒(méi)有出現(xiàn)明顯的異常，說(shuō)明井下空區(qū)處于穩(wěn)定狀態(tài)，7線礦柱的數(shù)據(jù)異常為局部承壓增加，該礦柱處于高應(yīng)力集中區(qū)，同時(shí)，臨近的3-1采空區(qū)本身為礦山暴露面積最大的空區(qū)，3-2采場(chǎng)的出礦使得7線礦柱高度增加，受力增大，爆破作業(yè)沖擊波對(duì)礦柱的破壞加劇?；谶@樣的監(jiān)測(cè)結(jié)果，礦山停止了對(duì)3-2采場(chǎng)的生產(chǎn)作業(yè)，避免潛在的地壓災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。

(3)通過(guò)微震監(jiān)測(cè)技術(shù)單通道觸發(fā)事件的統(tǒng)計(jì)與分析，成功掌握了井下各礦柱的應(yīng)力變化情況，為礦山的安全生產(chǎn)提供了重要保障。

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

[2]楊志國(guó)，于潤(rùn)倉(cāng)，等.微震監(jiān)測(cè)技術(shù)在深井礦山中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27(5):1066-1073.

[3]楊 順，蘭曉平，等.基于單通道觸發(fā)微震事件的地壓動(dòng)態(tài)分析[J].礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā)，2014，34(2):33-36.

[4]胡靜云，李庶林，等.特大采空區(qū)上覆巖層地壓與地表塌陷災(zāi)害監(jiān)測(cè)研究[J].巖土力學(xué)，2014，36(3):1117-1122.

[5]馮曉東，楊 順.萬(wàn)城鉛鋅礦的多通道微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其研究[J].采礦技術(shù)，2014，14(4):54-57.

[6]楊 順.非接觸式巖移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研究[D].長(zhǎng)沙:長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，2014.

[7]胡靜云，林 峰，等.香爐山鎢礦殘采區(qū)地壓災(zāi)害微震監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用研究[J].中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2010，21(4): 110-115.

2016-03-04)

王培武(1974-)，男，福建龍巖人，工程師，主要從事礦山采礦工程及安全監(jiān)測(cè)相關(guān)管理工作，Email: 790034116@qq.com。