劉家畈鐵礦采空區地壓監測及安全對策

摘 要：文章通過對劉家畈鐵礦采空區地壓現狀的分析，采用巖體聲發射監測、地面沉降監測、礦柱應力監測、采空區頂板位移監測等綜合監測手段對其地壓進行監測。對各測點的監測結果進行分析研究發現，有幾處礦柱聲發射現象較活躍，某些礦柱應力一直處于正壓狀態，進而提出了一些針對性的安全對策，對指導礦山安全生產，預防礦山安全事故的發生具有一定的實際意義。

關鍵詞：礦山安全；采空區；地壓監測；數據分析

中圖分類號：TD326 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2012）17-0056-03

經過多年的持續開采，劉家畈鐵礦采礦活動形成空區約190萬m3，未予充填或崩落處理，依靠預留礦柱支撐頂板。面臨的主要地壓隱患如下：其一，支撐礦柱失穩引發大范圍頂板失穩的隱患。在原巖體中采掘形成一定空間，被開挖巖體原來所承受的載荷就要轉移到它周圍的礦柱上，使其應力增高。應力集中若超過承載能力，就要發生破裂、破壞。其二，采場頂板局部冒落隱患。現有空區暴露多年，受巖體風化及暴露面積增加等因素影響，穩定性會不斷降低，采場局部冒落的可能性在增加。

因此，本文采用巖體聲發射監測、礦柱應力監測、采空區頂板位移監測、地面沉降監測等手段對劉家畈鐵礦采空區地壓進行有效的監測、預測預報，進而有針對性地提出了采空區安全作業的有效對策。

1 采空區地壓現狀

II號礦體位于礦區中部偏西，礦體產出標高在10m～－300 m之間；走向184°～278°；傾向274°～8°；傾角11°～45°。礦體最大厚度為47.46 m，一般在15～20 m之間，平均14.6 m。礦體在平面上呈一向南凸出的似菱角形，在垂直剖面上則為似層狀。在－150 m標高以上，礦體長度為200～250 m；在－150 m以下為900 m，傾斜最大延深550 m。從±0～-299 m，總空區傾斜方向水平投影最寬約450 m，主體空區走向方向長度350 m。

回采時一些區段未留礦柱，采空區連成一片，暴露面積過大。長期來看存在頂板大面積冒落隱患。由于后期水平底柱的回采，許多采空區上下相互連通，空區高度很大。空區過高，無法觀察上部情況，下部出礦作業人員面臨局部冒落、滾石等安全隱患。

Ⅲ礦體采空區埋深-150～-264 m。空區范圍，走向長300 m，傾向寬140 m。在-200～-264 m標高與Ⅱ礦體空區相連通。Ⅲ礦體-200 m以上，礦體形態復雜，采礦過程中保留礦柱很少，形成多處連續空區。在-188 m水平6～8線中部空區中頂板冒落多處，6線下盤巷道拱肩部出現開裂，出現局部的地壓顯現現象。-200 m以上區域安全條件較差。

2 地壓監測方案

采空區地壓監測方案包括：巖體聲發射監測方案、地面沉降監測方案、礦柱應力監測方案、采空區頂板位移監測方案。采用YSSC巖體聲發射監測儀進行巖體聲發射監測，采用ZLGH-20振弦式鉆孔應力計及GSJ-2A智能檢測儀進行礦柱應力監測，采用SOKKIA SET530R全站儀進行地表沉降觀測以及采空區頂板位移監測。

2.1 巖體聲發射監測方案

對于地下礦山開采過程中冒頂、片幫問題，采用微震監測系統和聲發射監測系統進行監測是國際上常用的監測方法，這是目前國外廣泛應用的金屬礦山安全監測的基本手段。結合項目情況決定采用流動的間斷性監測方案。采用DYF-2型便攜式聲發射儀對某些重點部位不定期實施監測，根據聲發射參量的變化，判斷巖體破壞趨勢，評價采空區頂板巖體的穩定性，預報危險破壞的來臨。

2.2 地面沉降監測方案

地表沉降觀測可以定量地了解地面的升降。本礦目前已具備SOKKIA SET530R全站儀，并具有配套的操作操作人員，因此本方案采用該儀器進行地表沉降觀測。在采空區對應地面的潛在崩落區地表按80 m×80 m網度建立地表觀測網，布置覘標，使用全站儀定期進行地面移動測量，分析地面變形動態，預測可能的地面塌陷。

2.3 礦柱應力監測方案

巖體應力變化情況監測采用振弦式鉆孔應力計。通過應力監測獲得礦柱及圍巖應力變化量、變化速度、應力分布情況，以及應力集中和應力變化最大的部位，為分析礦柱及圍巖的可能破壞部位和破壞范圍提供依據。以檢測的應力值趨近破壞極限和應力變化速度突然加快作為危險可能發生的判據。

2.4 采空區頂板位移監測方案

頂板位移監測可采用方案有：多點位移計測試；收斂計監測；免棱鏡全鉆儀監測。綜合考慮監測成本、安裝條件等因素，免棱鏡全站儀比較符合頂板位移監測要求。

3 地壓監測數據分析

3.1 巖體聲發射監測數據分析

劉家畈鐵礦建國副井設有7個監測點，建民副井和建民主井分別設有9個監測點，建政副井設有5個監測點。

對以上各測點進行監測，建民副井-243m水平24線5柱的聲發射監測數據如圖1所示。圖中表示礦柱聲發射的能率、總事件、大事件的數量及變化趨勢。

數據分析如下：

①某些礦柱的聲發射現象較活躍。如：建政副井：-154 m水平3線11柱2；建民副井：-264 m水平24線6柱；-243 m水平24線5柱；-250 m水平24線7柱；；-250 m水平24線8柱；-261 m水平0-2線1柱；建民主井：-175 m水平6線7柱2；-150 m水平6～9線7柱。其中，有些礦柱的聲發射水平一直較高（結合前三年監測數據），如：建政副井：-154 m水平3線11柱2；建民副井：-243 m水平24線5柱。這些地方礦柱出現可見裂縫。但前三年監測數據表明，聲發射水平未出現隨時間逐步增高的情況。后續監測工作中應嚴加防范，不得有絲毫懈怠。

②由于劉家畈礦區采空區大，礦柱承載應力水平較高，礦柱本身堅硬致密，信號衰減較少，因此，所監測到的巖體聲發射5 min累計值和特征值總體較大。正常水平（未受采動、水文、地質條件擾動）聲發射特征值一般為：大事件0～2個，總事件0～10個，能率0～800。該水平特征值仍在巖石發生破壞極限值內。

部分礦柱的聲發射水平較高系受附近采礦(爆破)的影響，如：建民主井-251 m水平2線1柱（能率>900，總事件為753），經與現場人員勾通，以后的監測數據已回歸合理范圍。

3.2 地面沉降監測數據及分析

在水泥臺測站觀測了1#、2#、3#、4#觀測點。

對各觀測點的高度H繪制了趨勢折線圖，水泥臺1#觀測點高度數據圖如圖2所示。

根據各觀測點高度H的趨勢折線圖，除了個別測點因故被破壞而重新恢復導致數據變化較大以外，本期地表觀測點高度無明顯變化（在測量誤差范圍）。

3.3 礦柱應力監測數據及分析

共建成礦柱應力監測孔10個。對各測點進行監測，06#孔應力數據圖見圖3。

從各測點應力數據圖可知，除6#孔應力一直處于正壓狀態外，其余測點的應力處于零壓狀態，說明礦柱整體沒有地壓顯現。06#孔（-243 m 24線4#柱應）應力一直處于正壓狀態，應加強監測并嚴密監控。

3.4 采空區頂板位移監測數據

及分析

對建民副井-243 m頂板沉降觀測點1#、2#、3#、4#；建民主井-205 m頂板沉降觀測點1#、2#、3#；建政副井-154 m頂板沉降觀測點1#、2#、3#進行了沉降觀測。

對各觀測點的高度H繪制了趨勢折線圖，其中建民主井-205 m頂板觀測點的高度折線圖見圖4。

從各觀測點高度折線圖可知，建民副井-243 m頂板沉降4#觀測點、建政副井-154 m頂板沉降2#觀測點高度數據變化較大，系觀測點變動所致。其余頂板沉降觀測點高度數據無明顯變化（在測量誤差范圍）。說明所測采場頂板目前基本穩定。

4 安全對策

根據上述監測分析結果，提出如下安全對策：

①礦方應對礦山地壓活動情況給予高度重視，應嚴格按照開采設計進行開采。每個井口同時開采的工作面控制在2個以下，以減少采掘生產對采空區的影響，不得擅自隨意增加采掘工作面，不得進行超能力開采。每個井口單班作業人員總人數控制在9人以下。

②對建民副井-243 m礦柱等已經出現礦柱開裂的危險處和應力異常之處，應停止作業，并應盡快實施在線監測。

③對礦山地壓運用綜合監測手段，對礦柱應力、采空區頂板位移、地面沉降、巖體聲發射實施全方位的監測。對巖體聲發射水平較高區域，以及有些出現可見裂縫且前三年聲發射水平一直較高的礦柱（如：建民副井-243 m水平24線5柱）及附近區域應綜合運用各種監測手段，加大監測頻度。

④人工監測時間應在生產之前，監測人員還應對監測點周邊環境（如：礦柱裂紋）情況進行觀察并記錄。

⑤引進采礦、安全等相關專業技術和管理人才。加強對井下作業人員的安全培訓和管理；加強監測人員操作技能培訓，特別是加強監測人員的安全意識及識別事故征兆能力的培訓。

⑥完善井下安全設施，定期進行應急救援演練。

5 結 語

本文針對劉家畈鐵礦采空區存在頂板冒落、礦柱開裂、底板下沉等地壓現象，采用巖體聲發射監測、地面沉降監測、礦柱應力監測、采空區頂板位移監測等綜合監測手段對劉家畈鐵礦采空區地壓進行有效的監測、預測預報。對各測點的監測結果進行分析研究發現，建民主井-261m水平0～2線1柱與建民副井-243 m水平24線5柱的聲發射現象較活躍，6#孔（-243 m 24線4#柱）礦柱應力一直處于正壓狀態。對以上已經出現礦柱開裂的危險處和應力異常之處，應停止作業，并應加強監測和監控，且應盡快實施在線監測。此外，企業應落實安全生產工作相關政策，對井下工作人員應加強安全知識培訓，完善井下安全設施，定期進行應急救援演練，確保井下生產安全。

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