地壓在線監(jiān)測在卡房1-9礦體中的應用及分析

孔學偉，彭朝智，楊八九

(1.云南錫業(yè)股份有限公司，云南 個舊 661000；2.云南亞融礦業(yè)科技有限公司，昆明 650093)

礦山地壓是一種很常見的地質(zhì)災害，其顯現(xiàn)方式是在地下開采過程中，不斷出現(xiàn)采場冒頂、礦柱、巷道變形破壞、采場結(jié)構(gòu)破壞、斷層錯動及地表塌陷和建筑物破壞等現(xiàn)象[1-2]。應力、應變、位移是地壓顯現(xiàn)的主要特征，其變化規(guī)律在采動過程中較為復雜，與采場布置形式、礦體賦存條件、采場結(jié)構(gòu)參數(shù)、回采順序等都密切相關(guān)，所以監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建是非常復雜的，但有關(guān)巖體應力應變狀態(tài)的有價值的結(jié)論通常可用較直觀的傳感器得到，位移和應力兩個基本物理量均可以通過現(xiàn)場監(jiān)測得到[3-5]。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析不同開采階段巖體應力應變的變化特征，從而對開采過程巖體穩(wěn)定性進行評判。

卡房1-9礦體多年來一直采用普通全面法開采，采場內(nèi)形成了很多大小、形態(tài)不一的點柱及空區(qū)，隨著開采的不斷進行，空區(qū)范圍不斷擴大，應力也逐漸增大，當現(xiàn)場實際應力超過礦巖體自身的強度時，大部分礦柱將出現(xiàn)失穩(wěn)破壞，失去支撐作用，從而導致空區(qū)頂板的冒落[6-7]。因此，為了弄清楚該礦體不同開采時期應力應變的變化特征，結(jié)合現(xiàn)場實際，對部分地壓顯現(xiàn)特征較明顯的區(qū)域進行現(xiàn)場地壓監(jiān)測，掌握回采過程中礦柱、頂板的受力狀況，對存在安全隱患的區(qū)域及時處理，確保礦體開采過程的安全。

1 地壓監(jiān)測的內(nèi)容

隨著開采的不斷深入，礦巖體原始平衡應力遭到破壞，出現(xiàn)新的應力集中，當現(xiàn)場實際應力超過礦巖體自身的強度時，大部分礦柱出現(xiàn)失穩(wěn)破壞，失去支撐作用，從而導致空區(qū)頂板的冒落。為了掌握回采過程中礦柱、頂板的受力特征，在現(xiàn)場調(diào)查、有限元分析及礦柱力學穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)上，考慮直觀、便捷、經(jīng)濟等因素，采用頂板下沉拉繩位移傳感器、礦柱變形拉繩位移傳感器及鉆孔應力傳感器對卡房1-9礦體頂板、礦柱的穩(wěn)定性進行監(jiān)測。并對整套監(jiān)測系統(tǒng)及組件進行了研發(fā)。

2 地壓監(jiān)測系統(tǒng)簡介

礦山地下開采中，房柱采礦法會形成較大暴露面積和暴露空間，回采作業(yè)過程中人員、設(shè)備均需進入采場，安全隱患極大。該地壓監(jiān)測系統(tǒng)針對現(xiàn)場礦柱開裂，頂板冒落等現(xiàn)象提供檢測手段及方案。

整個在線監(jiān)測系統(tǒng)由傳感器(頂板下沉拉繩位移傳感器、礦柱變形拉繩位移傳感器、鉆孔應力傳感器)、數(shù)據(jù)采集站、無線模塊、通信端、上位機、RS485總線和計算機監(jiān)控中心等組成，系統(tǒng)工作原理見圖1。

圖1 系統(tǒng)工作原理圖Fig.1 Schematic diagram of system operation

各數(shù)據(jù)采集站點采集的相關(guān)數(shù)據(jù)，通過通信接口及無線信道傳送到上位機，經(jīng)處理后，可實時顯示礦柱變形位移、頂板下沉位移及鉆孔內(nèi)應力變化相關(guān)參數(shù)，并存儲。

3 監(jiān)測設(shè)備的安裝

3.1 頂板下沉拉繩位移傳感器

將拉線式位移傳感器3安裝于安裝板6上，再將安裝板6固定于采場或巷道底板2上，將拉線式位移傳感器3的拉線外端頭連接于拉繩4的一端，拉繩4的另一端固定連接在錨頭7上(若采場或巷道空間高度較多地小于拉線式位移傳感器3本身的量程，可不需另配拉繩4，而直接將拉線式位移傳感器3的拉線外端與錨頭7固定連接)，錨頭7錨固于采場或巷道頂板1上的錨頭安裝孔8中，5為拉線式位移傳感器電源輸入及信號輸出線。具體安裝見圖2。

圖2 頂板下沉位移傳感器安裝示意圖Fig.2 Schematic diagram of roof subsidence displacement sensor installation

由于該裝置利用了拉線式位移傳感器3的拉線自動回縮功能監(jiān)測頂板下沉位移，因此，裝置安裝時應使拉線式位移傳感器3拉線的初始狀態(tài)為拉出一段的狀態(tài)，其初始拉出長度應大于待監(jiān)測頂板在可能的跨塌前的可能下沉量。

3.2 礦柱變形拉繩位移傳感器

將拉線式位移傳感器3固定于點式礦柱1的適當高度和徑向位置，在點式礦柱1的相應高度上用拉繩2環(huán)繞礦柱，并將其一端與拉線式位移傳感器3的拉線外端相連，拉繩2的另一端頭固定于礦柱上。環(huán)繞于礦柱上的拉繩全長應盡可能地與礦柱接觸。為減少拉繩與礦柱的摩擦，可于整個拉繩長度上套以塑料管或在拉繩與礦柱的接觸段(點)套以塑料管，4是位移傳感器電源輸入及信號輸出線。具體安裝見圖3。

圖3 礦柱變形位移傳感器安裝示意圖Fig.3 Installation diagram of pillar deformation and displacement sensor

3.3 鉆孔應力傳感器

將連接好的承壓液壓(或氣壓)球2和連接管3置入事先鉆鑿好的鉆孔1中設(shè)定位置，打開三通閥5，用電動加壓泵，通過三通閥，注入設(shè)定初始壓力的液體(或氣體)，關(guān)閉三通閥，連接壓力變送器4的電纜信號線8(插入)。監(jiān)測過程中，通過壓力變送器4將應力變化情況轉(zhuǎn)換為電信號供后續(xù)二次儀表或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)處理。6是高壓連接管，7是電動加壓泵，具體安裝見圖4。

圖4 鉆孔應力計傳感器安裝示意圖Fig.4 Schematic diagram of borehole stress meter sensor installation

4 地壓監(jiān)測對象

由于云錫卡房1-9礦群范圍較大、中段較多，且采場內(nèi)不規(guī)則礦柱較多，在現(xiàn)場調(diào)查、數(shù)值模擬、力學模型對采空區(qū)、礦柱穩(wěn)定性研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合采場工程布置、采場結(jié)構(gòu)、現(xiàn)階段主要生產(chǎn)區(qū)域等，選取1800～1870中段6個地壓顯現(xiàn)特征較明顯區(qū)域的礦柱及空區(qū)頂板作為監(jiān)測對象，每個區(qū)域包括礦柱變形位移(上中下三個點)、頂板下沉位移、鉆孔應力變化，各區(qū)域共計30個監(jiān)測點。各區(qū)域數(shù)據(jù)采集站點采集的相關(guān)數(shù)據(jù)，通過通信接口及無線信道傳送到計算機，經(jīng)處理后，可實時顯示礦柱變形位移、頂板下沉位移、鉆孔應力變化及聲發(fā)射相關(guān)參數(shù)，并存儲。計算機安放位置及6個監(jiān)測區(qū)域位置見圖5。井下地壓監(jiān)測站及現(xiàn)場部分監(jiān)測儀器安裝后照片見圖6。

圖5 計算機監(jiān)控中心及6個監(jiān)測區(qū)域位置圖Fig.5 Location map of computer monitoring center and 6 monitoring areas

圖6 地壓監(jiān)測站及現(xiàn)場部分監(jiān)測儀器安裝后照片F(xiàn)ig.6 Photos of ground pressure monitoring station and some on-site monitoring instruments after installation

5 監(jiān)測儀器數(shù)據(jù)處理及分析

5.1 頂板下沉位移數(shù)據(jù)處理分析

由于現(xiàn)場施工條件限制，僅在2、5、6號區(qū)域頂板上布置了下沉拉繩傳感器，根據(jù)需求，對各監(jiān)測點7個多月礦柱的位移變化趨勢進行了分析。從圖7監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，2號區(qū)域頂板最大下沉量為0.283 mm，5號區(qū)域頂板最大下沉量為0.804 mm，6號區(qū)域頂板最大下沉2.187 mm。所以從三個區(qū)域監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，頂板整體位移變化較小，最大下沉量僅為2.187 m，不會出現(xiàn)大的垮塌，頂板整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖7 頂板位移傳感器位移-時間變化曲線圖Fig.7 Displacement-time variation curves of roof displacement sensor

5.2 礦柱變形位移數(shù)據(jù)處理分析

從圖8監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，1號礦柱變形量最大為2.382 mm，2號礦柱最大變形量為0.503 mm，3號礦柱最大變形量為1.186 mm，4號礦柱最大變形量為1.914 mm，5號礦柱最大變形量為0.698 mm，6號礦柱最大變形量為3.712 mm。從六個區(qū)域礦柱變形監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，所有礦柱變形量都比較小，最大僅為3.712 mm，所以礦柱不會出現(xiàn)大的破壞，整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖8 礦柱位移傳感器位移-時間變化曲線圖Fig.8 Displacement-time variation curves of pillar displacement sensor

5.3 鉆孔應力計數(shù)據(jù)處理分析

監(jiān)測過程中，通過壓力變送器將應力變化情況轉(zhuǎn)換為電信號供后續(xù)二次儀表或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)處理，軟件開發(fā)過程中，系統(tǒng)內(nèi)部已將數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換應力值。因此，計算機度數(shù)即為應力計傳感器在礦柱內(nèi)部所受的應力。由于現(xiàn)場打孔設(shè)備限制，僅在3、4、5、6號礦柱上安放了鉆孔應力計。從圖9可以看出，除3、4、5號礦柱在某個時間點出現(xiàn)波動外，其余時間段鉆孔內(nèi)傳感器受力比較均衡，沒有出現(xiàn)波動或持續(xù)增長的趨勢，整體監(jiān)測到的應力變化絕對值小于0.315 MPa，說明這段時間開采過程應力沒有持續(xù)增長，而是趨于平穩(wěn)，礦柱整體是穩(wěn)定的。

圖9 鉆孔應力計應力-時間變化曲線圖Fig.9 Stress-time variation curves of borehole stress meter

6 結(jié)論

1)兼顧經(jīng)濟性、靈敏性、簡便性和可靠性的原則，采用頂板下沉拉繩位移傳感器、礦柱變形拉繩位移傳感器及鉆孔應力傳感器對卡房1-9礦體頂板、礦柱的穩(wěn)定性進行監(jiān)測。并對整套監(jiān)測系統(tǒng)及組件進行了研發(fā)。

2)在現(xiàn)場調(diào)查、數(shù)值模擬、力學模型對采空區(qū)、礦柱穩(wěn)定性研究的基礎(chǔ)上，選取1800～1870中段6個地壓顯現(xiàn)特征較明顯區(qū)域的礦柱及空區(qū)頂板作為監(jiān)測對象。

3)通過監(jiān)測區(qū)域空區(qū)頂板、礦柱位移和應力變化的監(jiān)測及分析，認為空區(qū)頂板、礦柱位移最大變形量僅為3.712 mm，且礦柱最大應力變化絕對值僅為0.315 MPa，頂板和礦柱不會出現(xiàn)大的破壞，整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，為礦山后續(xù)開采的生產(chǎn)安全提供了理論和技術(shù)支撐。