崩落轉充填開采礦山的安全智能化監(jiān)控預警技術研究

何曉武

(廣西華錫礦業(yè)有限公司 銅坑礦業(yè)分公司， 廣西 河池市 547207)

0 引言

隨著我國礦山開采深度增加和范圍擴大，普遍呈現(xiàn)出明顯的地應力復雜，地壓監(jiān)測預警難度加大的狀態(tài)，礦山地壓控制和監(jiān)測技術成為眾多金屬礦山安全生產(chǎn)的技術關鍵。改進監(jiān)測預警技術，及時和準確地跟蹤并定位事故可能發(fā)生的危險區(qū)域，適時采取有效措施，是礦山安全、可持續(xù)開采及礦山企業(yè)生存發(fā)展的重要保障。

國內(nèi)部分大型礦山在難采礦體大范圍開采的地壓監(jiān)控方面進行了一定的技術研究與實踐，通過充填法開采對采場地壓進行有效控制實現(xiàn)大面積連續(xù)開采[1]。在地壓災害監(jiān)測手段上，早期我國采用的微震監(jiān)測系統(tǒng)大多數(shù)是進口設備，如加拿大ESG及南非 ISS的微震監(jiān)測系統(tǒng)等[2?4]；近年來，國內(nèi)學者進行了大量研究，除了采用應力應變觀測等技術手段外，通過自主開發(fā)微震監(jiān)測設備，進行礦山壓力、采空區(qū)與礦柱穩(wěn)定性微震監(jiān)測[5?7]，如長沙礦山研究院等，開發(fā)了多通道巖體聲發(fā)射與礦山微震監(jiān)測系統(tǒng)，應用于礦山地壓與采空區(qū)穩(wěn)定性監(jiān)測[8]。銅坑礦前期開采復雜采空區(qū)環(huán)境下產(chǎn)生多種隱患，在銅坑礦92號礦體崩落法轉充填法開采期間，為有效實現(xiàn)安全回采, 需要進行地壓監(jiān)控和安全回采研究，針對礦山資源豐富但開采條件惡劣的情況，加強地壓管理和安全監(jiān)測是關鍵。銅坑礦基于綠色礦山建設的發(fā)展理念，結合國內(nèi)外礦山在充填法開采地壓監(jiān)測方面的技術與經(jīng)驗，前期進行了相關研究[9?10]。在此基礎上，針對崩落法及空場法嗣后處理空區(qū)的復雜情況，通過理論研究和現(xiàn)場試驗，結合井下與地表巖移與井下地壓活動的監(jiān)測[11?12]，加強地壓監(jiān)測預警，采取積極有效的安全措施[13]，實施科學有序回采，確保對礦區(qū)與周邊環(huán)境的擾動限制在可控制的范圍內(nèi)[14?15]，實現(xiàn)了礦產(chǎn)資源安全高效開發(fā)。

1 礦山概況

銅坑礦位于廣西河池市南丹縣大廠鎮(zhèn)境內(nèi)，自建設投產(chǎn)40年以來，礦區(qū)主要開采細脈帶、91號、92號3大礦體。礦區(qū)位于上部的細脈帶礦體和91號礦體已回采完，目前主要開采的92號礦體為緩傾斜似層狀厚大礦體。細脈帶礦體早期主要采用崩落法開采；91號礦體主要采取充填法開采，其大部分區(qū)域已進行膠結充填；91號與92號礦體有較大部分重疊區(qū)域，其間有圍巖隔離。92號礦體開采范圍將近1 km2，因前期主要采礦方法為組合式崩落法、留連續(xù)礦柱空場法，嗣后處理空區(qū)。92號礦體前期開采主采取人工崩落頂板、自然崩落或廢石充填，近年來92號礦體大部分區(qū)域逐步轉為采用廢石和尾砂膠結充填。

92號礦體主要開采區(qū)域采高達30m～50m以上，部分崩落頂板圍巖或用廢石充填，隨著開采范圍的不斷擴大，在沒有全面實施空區(qū)充填的情況下，空區(qū)周邊形成高應力集中區(qū)，隔離礦柱因地壓活動或爆破影響被破壞，若地壓控制不當，則可能產(chǎn)生垮塌沖擊，對井下作業(yè)及地表造成嚴重危害。由于盤區(qū)開采已形成很大的采動范圍，近期地壓活動顯現(xiàn)的區(qū)域有五盤區(qū)北面、深部201#線與202#線附近等，其中五盤區(qū)地壓趨向穩(wěn)定、355中段202#線盤區(qū)礦柱應力集中明顯，440m 201#線盤區(qū)礦柱北面礦柱呈塑性變形逐步發(fā)展的趨勢。為保證采礦生產(chǎn)持續(xù)運行和后續(xù)礦量正常供給，加強了92號礦體采空區(qū)治理與地壓監(jiān)控。

2 地壓監(jiān)控技術路線

在銅坑礦92號礦體前期開采區(qū)域有部分空區(qū)未充分處理，余下千萬噸礦石資源若繼續(xù)采用空場或崩落法均難以回采，甚至可能引發(fā)大面積地壓活動，加劇礦石資源的損失。因此，需要改為充填法，在過渡期內(nèi)關鍵區(qū)段先膠結充填，加強監(jiān)控預警，有步驟地回采周邊積壓的礦石，為資源接替和持續(xù)發(fā)展創(chuàng)造條件。需要在理論分析和現(xiàn)場監(jiān)測的前提下，有規(guī)劃有步驟地進行優(yōu)化充填回采。實現(xiàn)連續(xù)性開采及保護性安全開采智能化監(jiān)控，主要采用國產(chǎn)化和多數(shù)據(jù)融合的創(chuàng)新技術，有步驟地實施空區(qū)充填處理，對充填體穩(wěn)定性進行理論分析和現(xiàn)場監(jiān)測，結合井下地壓監(jiān)控與巖層移動監(jiān)測預警信息，提出有效的災害防治措施。

基于國內(nèi)外礦山在崩落法轉充填法開采地壓監(jiān)測方面的技術與經(jīng)驗，進行有效的地壓管理和安全監(jiān)測是技術關鍵，尤其在礦山崩落法和空場嗣后充填的過渡期，應強化開采地壓災害監(jiān)測，加強地表巖移與地壓活動的監(jiān)測，采取積極有效措施，確保安全。出于對充填體穩(wěn)定性及地壓優(yōu)化控制效果監(jiān)控的需要，對于92號厚大礦體及多層采空區(qū)的充填處理及地壓監(jiān)控技術需要深入研究，采用與國內(nèi)膠結充填工藝配套且符合礦山技術條件的監(jiān)控技術，從現(xiàn)場實際出發(fā)，研發(fā)和改進監(jiān)控預警手段，深入開展采場地壓監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結果針對性地提出切實可行的安全技術措施。

地壓監(jiān)控與分析的基本技術路線：通過對開采區(qū)域進行工程地質(zhì)調(diào)查，對圍巖穩(wěn)固性進行評價，建立數(shù)值計算模型，對不同采場結構參數(shù)情況下的頂板和礦柱穩(wěn)定性進行計算分析，進行開采過程中圍巖與充填體穩(wěn)定性模擬，進行地壓活動區(qū)域預測分析和地壓災害預警，提出相應的安全對策與監(jiān)測防護措施。

3 智能化監(jiān)測與分析技術

采空區(qū)微震監(jiān)測、巖層與礦柱穩(wěn)定性監(jiān)測、圍巖高應力高溫影響區(qū)域誘發(fā)巖體失穩(wěn)危害等危險因素的監(jiān)測監(jiān)控，盡可能采用智能化監(jiān)測設備和先進的綜合分析方法。

針對銅坑礦崩落轉充填法過渡期開采復雜環(huán)境條件，開展安全智能化監(jiān)控預警工作，重點解決了以下幾項關鍵性的問題。

（1）監(jiān)測信號接收問題。由于環(huán)境影響，信號傳輸易受干擾，通過對信號波的濾波降噪處理，實現(xiàn)了對礦區(qū)微震與地壓活動監(jiān)測預警。

（2）多數(shù)據(jù)融合分析問題。針對礦井下傳感器分布范圍廣、監(jiān)測數(shù)據(jù)多樣化的情況，提出地壓監(jiān)測系統(tǒng)和地震監(jiān)測臺網(wǎng)等多源數(shù)據(jù)的融合技術，構建多數(shù)據(jù)分析預測模型，對所收集的信息進行有效性識別和融合，實現(xiàn)綜合分析和險情判別預警。

（3）多災源環(huán)境條件下監(jiān)測預警。針對井下多層空區(qū)和震源信號傳播復雜的特點，通過對信號波的波形、頻譜和能量、地震距等綜合分析，形成了多災源作業(yè)環(huán)境災源定位協(xié)同分析系統(tǒng)，提高了定位精度與可靠性。

此外，通過GPS 技術建立了地表巖移控制網(wǎng)，進行地表巖移監(jiān)測，有效監(jiān)控礦體開采與充填前后巖層移動及地壓活動的變化情況，監(jiān)測預警技術得到了系統(tǒng)的發(fā)展。

根據(jù)銅坑礦技術條件和實際情況，進行了監(jiān)測預警技術開發(fā)與改進。（1）加強圍巖充填體-圍巖應力監(jiān)測，增加南北方向和東西方向監(jiān)測網(wǎng)線，找出應力分布和地壓轉移規(guī)律。（2）增加井下全站儀器監(jiān)測以提高位移、水準測量效率；增加收斂監(jiān)測，頂?shù)装逡平勘O(jiān)測。（3）加強鉆孔位移及鉆孔電視（窺視儀）監(jiān)測。（4）適當增加聲波測試手段。（5）設置充填體內(nèi)聲發(fā)射探頭，結合應力-應變綜合監(jiān)測分析。為了更方便有效地監(jiān)控地壓活動，為提高監(jiān)測精度，采取在現(xiàn)有監(jiān)測網(wǎng)的基礎上，增加網(wǎng)絡授時器的方案，進行聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測，通過采用專線改進同步授時精度，優(yōu)化網(wǎng)絡，實現(xiàn)定位與預警。同時，將應力在線監(jiān)測系統(tǒng)、頂板位移在線監(jiān)測系統(tǒng)接入“地壓監(jiān)測系統(tǒng)”中，建成綜合性地壓監(jiān)測網(wǎng)絡，通過光纜與地面監(jiān)測室電腦連線，實現(xiàn)遠程連接，實現(xiàn)多種數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測與分析。

針對厚大礦體充填開采過渡期地壓控制與監(jiān)測優(yōu)化研究，采取以上方法，優(yōu)化監(jiān)測系統(tǒng)，針對微震監(jiān)測需解決的技術難點：噪聲濾置、智能波普分析、高精度定位計算、地震波與聲發(fā)射頻譜等多指標綜合分析，研發(fā)了自燃和破碎條件下礦井微震監(jiān)測預警技術，解決了在信號準確采集和自動去噪等方面的關鍵技術問題，改進了自燃和破碎條件下礦井微震監(jiān)測預警系統(tǒng)，建立了礦山地壓與微震在線遠程監(jiān)測系統(tǒng)，開展了井下巖體聲發(fā)射及微震監(jiān)測、巷道變形觀測、地表巖移觀測、多種氣體檢測、溫度檢測、近震監(jiān)測等。已在井下505、455、405、355、305等中段建立了地壓監(jiān)測硐室，現(xiàn)場安裝并在線運行6套聲發(fā)射監(jiān)測定位系統(tǒng)，通過專用光纜把監(jiān)測數(shù)據(jù)實時傳輸至地面監(jiān)控中心進行分析處理，實現(xiàn)實時預警。

開發(fā)并應用地下多層空區(qū)礦井多數(shù)據(jù)融合預警技術：對所收集的信息進行狀態(tài)的統(tǒng)一、選擇和剔除、分類和融合，進行智能化分析處理，從而達到綜合準確判斷對象的效果。針對自燃、破碎礦井震源信號中夾雜著噪聲信號，首先提出了自適應去噪分析方法，并通過對微震信號進行分解，得到高頻和低頻兩部分信號，對分解得到的各階固有模態(tài)分量求出能量和能量熵值。多組數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)預處理與數(shù)據(jù)融合方法，在融合前需要對傳感器測量的數(shù)據(jù)進行有效性判斷?，F(xiàn)采用群體支持度方法對采集數(shù)據(jù)做有效性判斷，將無效異常數(shù)據(jù)剔除，不進行數(shù)據(jù)融合，對各子系統(tǒng)收集到的數(shù)據(jù)進行融合處理，通過對融合結果的綜合分析得到最終的災害狀況。結合多數(shù)據(jù)融合進行危險預測，見圖1。

4 監(jiān)測預警效果

銅坑礦地壓監(jiān)測系統(tǒng)主要設備為STL-12型聲發(fā)射監(jiān)測定位系統(tǒng)，目前地壓監(jiān)控網(wǎng)絡由6套子系統(tǒng)組成，在井下各采區(qū)及周邊布置有多個聲發(fā)射監(jiān)測點，監(jiān)測范圍從505m至305m水平。由各子系統(tǒng)（子系統(tǒng)1～子系統(tǒng)8）組成監(jiān)測系統(tǒng)，各中段監(jiān)測基站由各子系統(tǒng)組成24通道及36通道同步監(jiān)測，各子系統(tǒng)也可單獨監(jiān)測。通過研究改進方法，在利用局域網(wǎng)情況下，安裝同步授時系統(tǒng)，實現(xiàn)兩基站之間的同步聯(lián)網(wǎng)，大大提高了監(jiān)測精度。銅坑礦3大礦體開采范圍大，開采難度大，地壓監(jiān)測設備配置要求高。近年來，針對復雜開采環(huán)境條件，開發(fā)整體安全控制與監(jiān)測預警技術，采用覆蓋礦區(qū)全部生產(chǎn)區(qū)域的地壓監(jiān)控系統(tǒng)，結合巖體應力、位移等多種監(jiān)控手段實現(xiàn)綜合監(jiān)測，對全礦區(qū)域有效實施了安全監(jiān)測。目前主要采用多監(jiān)測網(wǎng)站聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測，將多個系統(tǒng)組成整個礦區(qū)地壓監(jiān)測網(wǎng)絡，實現(xiàn)遠程實時在線監(jiān)測。地壓監(jiān)測系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)示意如圖 2所示。

圖1 多數(shù)據(jù)融合分析進行危險預測示意

圖2 地壓監(jiān)測網(wǎng)示意

（1）采空區(qū)圍巖與礦柱穩(wěn)定性監(jiān)測監(jiān)控。已建成可實現(xiàn)全天候監(jiān)測的通道總數(shù)達72通道的聲發(fā)射與微震監(jiān)測預警系統(tǒng)，應用關鍵技術進行多種手段的去噪聲處理和自動識別有效信號，隨時掌握井下地壓活動動態(tài)。通過在前期研究基礎上改進和完善監(jiān)測方法，逐步落實監(jiān)測方案，主要針對采空區(qū)危害，重點監(jiān)控主要采礦工程、礦柱破壞及頂板冒落等危險區(qū)域，對地壓活動進行監(jiān)測分析和預警。

（2）采區(qū)地壓活動監(jiān)測預警。通過采取多種監(jiān)測手段對92號礦體充填開采過渡期地壓進行了全面監(jiān)控。

對92號礦體二盤區(qū)等區(qū)域監(jiān)測預警與預測分析：二盤區(qū)T2-1?T2-3采區(qū)自開采來頂板逐漸出現(xiàn)冒落，從連續(xù)跟蹤監(jiān)測情況看，2019年上半年地壓顯現(xiàn)一直呈緩慢發(fā)展狀態(tài)，10月底受擾動等因素引起局部的頂板散體冒落，未造成對92號礦體生產(chǎn)區(qū)域影響，除局部有應力調(diào)整出現(xiàn)聲發(fā)射現(xiàn)象外，地表塌陷區(qū)沒有出現(xiàn)新的陷落。地壓監(jiān)測數(shù)據(jù)結果表明，由于銅坑礦采取了采空區(qū)治理和封閉等措施，圍巖相對穩(wěn)定，但要注意預防垮落區(qū)可能受其他因素影響松動后，引起的較大范圍的聯(lián)動破壞，另外，需針對垮落區(qū)周邊區(qū)域可能出現(xiàn)的高溫、有害氣體做好防護措施，并加強地表塌陷區(qū)煙氣治理。

圖3 405m 206#線T611-T610應力計應力變化曲線

對盤區(qū)礦柱的地壓監(jiān)測分析：由于92號各盤區(qū)前期主要采取單元崩落和空場嗣后充填，前期二盤區(qū)與四盤區(qū)附近發(fā)生地壓活動，致使204#盤區(qū)礦柱等地段應力集中，造成運輸聯(lián)道等壓裂破壞，為此采取了相應的監(jiān)控預警及對采空區(qū)優(yōu)化充填等地壓治理措施。根據(jù)地壓監(jiān)測結果分析，2019年四盤區(qū)、六盤區(qū)北部等采場回采，加之采空區(qū)充填滯后，現(xiàn)部分礦柱應力升高，四盤區(qū)、六盤區(qū)與204#線、206#線等區(qū)域巖體聲發(fā)射與微震事件劇增，應力升高，出現(xiàn)采空區(qū)附近局部地壓活動，造成該區(qū)域405m與355m等水平巖層破壞，運輸巷道多處壓裂。2019年，六盤區(qū)南部T611-T610附近12#及14#等應力計出現(xiàn)應力升高現(xiàn)象，如圖3所示，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)該區(qū)域附近巷道局部邊壁壓裂破壞。

根據(jù)監(jiān)測預警情況，采取了膠結充填等措施，重點治理四盤區(qū)、六盤區(qū)關鍵區(qū)域采空區(qū)后，實施有效的巖層控制措施，抑制了地壓活動的進一步破壞。地壓監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測結果顯示，2019年底以來，巖體聲發(fā)射事件率由高降低，如圖4所示；204#線盤區(qū)礦柱附近應力逐步往外圍轉移，頂板圍巖下沉速度變緩，如圖5所示。

根據(jù)安全生產(chǎn)需要，銅坑礦逐步建立與基本完善了地壓監(jiān)測預警制度，應用現(xiàn)有技術手段較好地對92號礦體開采區(qū)域不斷變化的地壓現(xiàn)象實施了動態(tài)跟蹤和監(jiān)控預警。應用聲發(fā)射與微震監(jiān)測技術，提出了監(jiān)測預警指標，多次對礦山安全開采進行了多次監(jiān)測預警和應急指令，采取了有效的安全措施，確保了生產(chǎn)安全。

圖4 地壓監(jiān)測系統(tǒng)206#線附近測點聲發(fā)射事件率

頂板沉降監(jiān)測如圖5所示，監(jiān)測結果表明：巷道頂板水準測量下沉20mm～50mm，明顯出現(xiàn)地壓活動；礦柱整體位移（礦柱內(nèi)巷道頂板下沉）達到50mm～100mm則出現(xiàn)加速破壞；頂板下沉200mm以上，則加劇垮落，礦柱大部分發(fā)生屈服和塑性破壞。由于及時反饋了地壓活動監(jiān)測情況，并采取了一系列有效措施，暫緩四盤區(qū)南部的開采，采取廢石加部分膠結充填治理了四盤區(qū)等區(qū)域采場，取得較好效果。

此外，結合大廠礦區(qū)現(xiàn)有8個基站共24通道的地震臺網(wǎng)，在銅坑礦建立了監(jiān)測中心，將地壓監(jiān)測系統(tǒng)與大廠礦區(qū)地震監(jiān)測臺網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)融合，將礦區(qū)地震臺網(wǎng)監(jiān)測到的周邊微震活動與礦山開采地壓監(jiān)測數(shù)據(jù)相結合進行綜合分析，采取多套監(jiān)測設備相互補充進行監(jiān)測預警和加強安全警戒等相應措施，取得了較好的預警效果。

根據(jù)地壓監(jiān)控反饋的信息，銅坑礦井下采取了尾砂膠結充填，對主要采空區(qū)進行了治理，采區(qū)周邊地壓活動情況得到了緩解。

圖5 505m水平204#線頂板沉降監(jiān)測曲線

5 結論

（1）針對廣西華錫礦業(yè)有限公司銅坑礦業(yè)分公司礦產(chǎn)資源豐富但開采條件復雜的特點，構建了智能化地壓監(jiān)測與分析系統(tǒng)，通過對信號波的濾波降噪處理，實現(xiàn)了對礦區(qū)微震與地壓活動的實時預警監(jiān)測。

（2）通過地壓監(jiān)測系統(tǒng)和地震監(jiān)測臺網(wǎng)數(shù)據(jù)分析，能及早發(fā)現(xiàn)震源位置和危險區(qū)域。

（3）利用多數(shù)據(jù)融合算法，建立了地下多層空區(qū)礦井多數(shù)據(jù)融合的預警模型，通過應用該技術，實現(xiàn)了礦山動力災害預警，避免了地壓活動和微震事件對采礦生產(chǎn)的影響。

（4）在生產(chǎn)實際中，對201#線盤區(qū)礦柱及T2-1?T2-3等區(qū)域地壓活動進行了監(jiān)測預警，及時采取了有效的防范措施，確保了井下人員作業(yè)和設備安全，在多災源礦井復雜條件下，實現(xiàn)了地壓活動實時監(jiān)測和準確定位，為礦山安全生產(chǎn)高效和可持續(xù)發(fā)展提供技術支撐。