下告鐵礦采空區上覆懸頂巖層穩定性研究

付占宇，彭府華

（1.河源市紫金天鷗礦業有限公司， 廣東河源市 517463；2.長沙礦山研究院， 湖南長沙 410012）

下告鐵礦采空區上覆懸頂巖層穩定性研究

付占宇1，彭府華2

（1.河源市紫金天鷗礦業有限公司， 廣東河源市 517463；2.長沙礦山研究院， 湖南長沙 410012）

簡要介紹了下告鐵礦的開采背景、采空區形成過程及上覆巖層工程地質特征，基于DIPS軟件描述了采空區和礦區主要斷層之間的空間幾何關系，利用塊體理論分析了上覆巖層的穩定性。同時利用12通道聲發射監測系統對上覆巖層進行監測，認為上覆懸頂巖層暫時處于相對穩定狀態。

采空區；塊體理論；聲發射監測；穩定性分析

1 下告鐵礦礦區概況

下告鐵礦隸屬河源市紫金天鷗礦業有限公司，礦區位于河源市的東南部、紫金縣城的西南部。下告礦區地形起伏較大，最低高程159.63m，最高高程為北部的帽子棟（531.90m），相對高差372.27 m。地形坡度10°～20°，北部地段坡度大于20°，屬低山丘陵地貌。

下告鐵礦自投產以來，一直采用分段空場采礦法采礦，經過幾年的采礦后，全礦共有6001、6005、6009和6013四個采空區，且僅有＋47m、＋60m、＋75m和＋90m四個水平有采空區存在，空區底板標高最低為＋46.7m，頂板標高為＋107m，凈空區高度25.8～60.3m，凈空區總面積為1891m2，總體積約為8.28萬m3。根據公司規劃，礦山＋47m以下改用崩落采礦法，因此對采礦區進行了處理并對礦柱進行回采。空區間柱及空區上部巖體崩落后，形成面積約為5850m2的新空區。該礦區頂板距地表約30m，礦區第四系厚度為20m左右，新空區頂板巖體極可能會自然冒落至地表，形成9000 m2的陷落區。且在對下告鐵礦采空區間柱和上部巖體崩落后，采空區處于活動狀態，斷層F5附近出現了大范圍的崩塌。突然冒落產生的巖石沖擊和氣浪會對采礦作業產生影響，同時空區頂板巖體冒落時間及冒落規模的不確定性給礦山安全生產帶來了極大的隱患。因此，對上覆懸頂巖層的監測就顯得非常必要，對空區上覆懸頂巖層穩定性的實時監測可以及時了解和掌握空區上覆懸頂巖層及圍巖的地壓活動情況和發展趨勢，從而給礦山安全生產提供可靠的依據。

2 基于塊體理論的采空區上覆巖層穩定性分析

在實際工程中一般利用塊體理論分析法來分析巖體穩定性。其是根據結構面的產狀等參數直接判斷相應巖體的可動性，是“幾何法”分析，而且其過程完全是三維的，所得到的結果能直接用于工程需要。

2.1 上覆巖層工程地質特征

下告礦段鐵礦床由矽卡巖所控制的16個礦體組成，主要分布在0～8號勘探線之間。礦床北東部以F5斷裂為界，南西以F4斷裂為界，東部以F2斷裂為界，西部以F4斷裂為界，頂部以大理巖，底部以花崗巖為界，總體分布在740m×310m×650m空間范圍內。賦礦處為花崗巖外接觸帶的凹陷部位。礦體總體走向295°左右，傾向SW。本區斷裂構造發育，影響較大的斷裂構造主要有F5、F6、F2。

（1）F5斷裂。F5切割了上三疊統和石炭系地層，是下告礦體的北部和西部邊界。F5斷裂為具有多期活動的張扭性斷裂。F5斷裂以石英斑巖貫入改造為特征，－100m高程以上主要充填物為石英斑巖，寬10～36m；產狀較陡，在1～8號勘探線總體走向294°～298°，傾向NE或SW，傾角60°～83°；在傾向剖面上呈彎曲狀，－100m高程以下主要構造巖為擠壓破碎巖、角礫巖、硅質膠結的角礫巖、石英脈，次為石英斑巖等，寬3～12m，走向275°～305°，傾向NE，傾角55°～65°。

（2）F6斷裂。F6見于礦段中部，帽子棟南側，在礦段內呈舒緩波狀延伸，出露長度3.4km，以擠壓破碎帶的形式產出，寬2～18m，局部達20多米。斷裂帶傾向345°，傾角70°。破碎帶內見傾向為290°的裂隙甚為發育。F6早期顯示壓性，后期顯示壓扭性。

（3）F2斷裂。為區域性北東向合水斷裂帶主干斷裂之一，見于下告礦段南東側、錫坑寨東側，礦段內出露長約1.5km，沿走向呈舒緩波狀，延伸出礦區，破碎帶寬約1.5～15m。破碎帶以褐鐵礦化碎裂構造巖、糜棱巖及擠壓透鏡體組成。沿斷裂帶常見石英斑巖、花崗斑巖等巖脈貫入。斷裂傾向120°～130°，傾角60°～80°。斷裂兩側圍巖角巖化強烈，斷裂南東盤的北西向派生裂隙中，常充填石英球粒斑巖脈，巖脈膨縮、尖滅變化明顯，故原裂隙具張性特征。該斷裂應為南東盤相對北西盤向北東斜沖屬壓扭性。

2.2 塊體穩定性分析

影響下告鐵礦采空區上覆懸頂巖層穩定性的斷層主要為F5、F6、F2，利用DIPS軟件作出斷層與采空區邊界的赤平投影圖，如圖1所示，并繪出空間關系示意圖（見圖2）。

圖1 采空區邊界與斷層赤平投影

圖2 采空區邊界與斷層局部空間示意

從圖1和圖2可以看到，斷層面和采空區邊界面之間切割成了若干個塊體，由塊體理論可知圖2中陰影部分為可能失穩塊體。可能失穩塊體是指在工程作用力和自重作用下，由于滑動面有足夠的抗剪強度才保持穩定的塊體，若滑動面上的抗剪強度減低，這類塊體可能失穩。礦山地壓實際顯現的情況正好說明這一點，斷層F5中有強度相對較弱的充填物，在受采動影響、斷層活動和雨水沖刷等影響后，滑動面上的抗剪強度減弱，導致可能失穩塊體發生滑移剪切破壞，如圖3所示。

圖3 可能失穩塊體的滑移剪切破壞

由上述分析可知：采空區上覆懸頂巖層受斷層（F5）影響，在局部已經出現滑移破壞。但是采空區上覆懸頂巖層整體性較好，目前并沒有大規模的冒落，但隨著地下采礦的進行，塌陷區范圍不斷增大，采空區上覆巖層也可能會發生大規模冒落。

3 基于多通道聲發射監測的采空區上覆巖層穩定性分析

上述是從理論上分析了采空區上覆懸頂巖層的穩定性，具有一定的指導作用，但是要準確地了解采空區上覆巖層的變化情況，就必須對采空區上覆懸頂巖層進行實時監測。基于此，下告鐵礦建立了1套12通道聲發射監測系統。

3.1 多通道聲發射系統組成

天鷗礦業下告鐵礦采用STL－12型多通道聲發射監測系統，如圖4所示，該系統主要由數據采集儀和12個傳感器組成，數據處理站建在地表。在每個傳感器與數據采集儀之間為模擬信號傳送，采用信號電纜線相連；數據采集站與井口數據處理站之間數據先從數字信號轉換成光信號，經光纜傳輸至井口數據處理站，再由光信號轉換成數字信號到達處理器。

3.2 AE監測研究

3.2.1 AE信號辨識研究

AE監測主要是監測采區巖體在開挖時圍巖體內應力集中導致巖體破裂而產生的震動信號，利用這些監測到的前兆信號來評價巖體的穩定性。因此，必須掌握監測到的信號的辨識，針對我們要監測的目標，剔除噪音，提取有用信號，為進一步的巖體穩定性和地壓災害評價提供基礎數據。

圖4 系統組成

對下告鐵礦聲發射波形的辨識主要分為3類：巖體破裂波形、爆破波形和其它噪音波形。

（1）巖體破裂事件波形的振幅一般都較小，巖體破裂事件主要為高頻成分，主要的頻率段都是在幾百到兩千赫茲左右，波形如圖5所示。

圖5 巖體破裂波形

（2）爆破波形信號的特點是：波形振幅大，觸發較多傳感器且部分信號幅值到達幅值；爆破持續事件長，形成單一連續波形，如圖6所示。

圖6 爆破波形

（3）鑿巖具有連續性，沖擊頻率比較固定，因此，波形圖沖擊部分具有明顯的規律性。進、出鉆時，由于鉆桿只和部分孔壁摩擦，這部分的振幅較小，如圖7所示。

圖7 鑿巖波形

（4）低頻干擾時（如井下電機車運行）的波形和其它波形相比頻率明顯更低，比較容易區分，如圖8所示。

圖8 低頻干擾時的聲音波形

3.2.2 AE日常監測研究

AE監測是一項長期的工作，必須每天堅持記錄聲發射事件、定期統計并了解事件的變化情況，同時緊密結合生產實際及時掌握地壓顯現狀況。

（1）事件記錄。每天堅持按聲發射監測記錄表按時記錄，發現有異常情況及時處理并查明原因。圖9為系統每天統計的事件數圖。

圖9 事件數統計

（2）對單個通道事件進行定期統計。對12個通道的事件進行定期統計，根據礦山實際情況，可每月統計一次，并觀察各個通道在統計時間范圍內是否有事件異常增加的情況。

3.3 懸頂穩定性分析

下告鐵礦多通道聲發射監測系統于2011年7月11號建立并調試成功，經過一段時間的監測，系統運行正常，并且能夠對采空區上覆巖層穩定性進行有效的實時監測。從這幾個月的巖石聲發射事件數來看（見圖10、圖11），每個通道每天事件數在幾到幾十不等，并沒有特別異常的變化。說明目前采空區上覆懸頂巖層并沒有大規模的地壓顯現，基本處于穩定狀態。監測還發現靠近采空區附近的傳感器（如1～6號傳感器）事件數明顯多于遠離采空區的其它傳感器。這和實際的地壓顯現特點相吻合。

圖10 7月份事件數統計

圖11 8月份事件數統計

4 結 論

本文針對下告鐵礦采空區及空區上覆巖層特征，利用DIPS軟件和塊體理論分析了空區上覆懸頂巖層的穩定性，并利用建立的12通道聲發射監測系統對上覆懸頂巖層進行監測。目前多通道聲發射監測系統在下告鐵礦開展了初步的運用研究工作，取得了初步成果。

（1）根據上覆巖層的工程地質結構特點，采用DIPS軟件和塊體理論分析了上覆懸頂巖層的穩定性，發現斷層F5與采空區邊界在空間上切割成可能失穩塊體，對上覆懸頂巖層的穩定性產生了較大的影響。

（2）建立調試好的12通道聲發射監測系統，實現了對上覆懸頂巖層的全天候實時監測。

（3）通過幾個月的實際聲發射監測，得到各個通道的巖石聲發射事件表現不一，但變化不大，說明上覆懸頂巖層暫時處于相對穩定狀態。

（4）隨著采礦的進行，崩落范圍會越來越大，采空區上覆懸頂巖層可能會發生大規模塌陷，因此需要堅持監測。

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2011－11－23）

付占宇（1966－），男，遼寧鐵嶺人，高級工程師，主要從事采礦技術研究，Email：fuzhanyu468＠sohu.com。