地壓監測系統在充填法礦柱回采中的應用

王利崗，李 棟，余樂文，蔡永順，袁本勝，郭利杰

（1.北京礦冶研究總院，北京102600；2.中國礦業大學 （北京）深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，北京100083；3.金屬礦山智能開采技術北京市重點實驗室，北京102600；4.中國礦業大學 （北京）現代教育技術中心，北京 100083）

地壓監測系統在充填法礦柱回采中的應用

王利崗1，2，3，李 棟4，余樂文1，3，蔡永順1，3，袁本勝1，3，郭利杰1，3

（1.北京礦冶研究總院，北京102600；2.中國礦業大學 （北京）深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，北京100083；3.金屬礦山智能開采技術北京市重點實驗室，北京102600；4.中國礦業大學 （北京）現代教育技術中心，北京 100083）

某磷礦試驗盤區以殘留礦柱作為空區的支撐體系，隨著暴露時間的延長出現礦柱破壞情況，為防止嚴重災害出現，開展了空區處理工作，對殘留礦柱進行回采，并對空區的周邊區域進行了綜合地壓活動監測，為礦柱回采過程中的科學決策提供了有力的依據，保障了礦柱回采作業的順利進行。

地壓監測；礦柱回采；微震

用空場采礦法和充填采礦法的多數方案回采礦房后，一般均留下起支撐保護作用的保安礦柱、頂底柱、房間柱、邊角殘留礦體等。在薄及極薄礦脈中礦柱儲量分別約占礦塊儲量的5%～10%和15%～20%，厚及中厚礦體中可達35%～50%，個別至55%～60%［1－4］。由于我國早期采礦機械設備、采礦技術水平相對落后，不得不殘留下這些礦柱［5－7］。如今，隨著采礦安全保障技術水平的提升，使得這些資源的安全有效回采、延長礦山服務年限、合理回收剩余資源得以實施。本文以某磷礦試驗盤區采空區安全處理與殘礦回收項目研究為背景，通過研究地壓監測系統在該礦充填回采礦柱中的應用，實現了殘留礦柱的安全、有效回采。

1 工程概況

1.1 礦山概況

該磷礦位于湖北保康白竹礦區第Ⅳ礦段，試驗盤區采用無軌設備分層開采的切頂房柱法采礦。經過3年的開采，已經完成礦房的回采工作。頂板與礦柱不穩固，節理發育，采用管縫式錨桿，掛網臨時支護，然后采用錨索永久支護。

試驗盤區以殘留礦柱作為空區的支撐體系，礦柱設計約占盤區礦量32%。隨著暴露時間的延長，空區應力進一步發生變化，礦柱開始發生破壞，并且破壞速度有著加劇的趨勢。隨著礦柱的不斷破壞發生，最終將導致大規模的空區冒落，地表出現坍塌，切割上部斷層，產生大規模的滑坡體，造成嚴重的災難。因此，礦山決定開展空區處理工作，同時對其中殘留的資源進行回收，否則將失去處理時機。

1.2 采場結構

該礦為緩傾斜中厚以上礦體，試驗盤區采用無軌設備分層開采的切頂房柱法采礦方法。盤區按礦體走向布置，盤區內的礦房也沿走向布置，試驗盤區延礦體走向長140m，延傾向長78m，采場范圍11000m2，空區平均高度10m，空區體積74863.1m3，如圖1所示。

圖1 試驗采場空區平面圖

1.3 回采工藝

1.3.1 礦房回采

回采順序為從上往下回采出礦，先采Ph3切頂層、切頂后用錨桿臺車將頂板加網錨固，接著采Ph3礦層、最后采Ph1礦層、回采順序從盤區兩端往中央斜坡道方向退采，層與層的礦房回采工作面之間超前距離大于15m，貧礦與富礦分采分運。

切頂采用淺孔鑿巖臺車鑿巖或普通淺孔鑿巖機鑿巖，人工裝藥爆破。經通風、撬浮石、檢查頂板再出礦，出礦完畢后用錨桿臺車護頂。

1.3.2 礦柱回采

礦柱約占整個盤區礦量的32%，礦柱的回采工作非常重要。試驗盤區采礦方法中，為保證人員及設備的安全，盤區中間的間柱根據地壓變化，一般可間隔回收三分之一，盤區四周的連續礦柱可回采50%，仍保留50%作為連續礦柱，以免相鄰盤區相互影響，礦柱回采采用房柱法后退式回采，回采工藝與礦房回采類似，使用設備相同，礦柱回采不分層，采用整層一次性后退回采，人員設備只在巷道內作業。礦柱的回采時間一般是在該盤區回采完畢后礦柱內的巷道不需要用來通風、運輸或行人時即可回采。

2 地壓監測系統設計

2.1 設計思路

隨著采礦空區面積逐漸增大，會帶來地壓活動，若不及時處理可能會產生嚴重后果。因此，生產中對空區處理充分重視，切頂層每次爆破后，安排工人站在爆堆上敲幫問頂，及時處理頂板浮石，然后用錨桿臺車安裝錨桿護頂。同時在空場的頂板布置了若干測點，配備了8臺頂板沉降記錄儀，利用地壓監測儀器，監測礦柱和井巷的地壓變化，一旦發現危險信號即根據安全生產預案進行有效的干預處理。

根據礦房和礦柱回采的特點，在回采工藝的關鍵點上設計了一套綜合地壓監測系統，監測內容包括處理過程中及空區完全處理后圍巖的穩定性監測，監測措施包括應力監測、應變位移監測、微震監測等，最終形成采空區處理過程中應力位移在線實時監測預警系統和采空區穩定性微震遠程監測系統。

2.2 回采試驗區域應力位移在線實時監測預警系統

殘礦回收和空區處理面臨較大安全作業風險，不可能在井下空區大范圍建立應力、位移監測系統，因此僅監測回采試驗區域關鍵部位的變形破壞情況，包括點柱、間柱、頂底柱及空區頂板等關鍵部位或地點。

監測系統由計算機、數據采集儀（內置智能測量模塊）、應力傳感器、拉線傳感器（適合空區監測使用）、數據采集分析軟件等組成，可完成各類工程安全監測儀器的自動測量、數據處理、圖表制作、異常測值報警等工作。數據采集儀內置智能測量模塊，可測量振弦式、差阻式、標準信號、電位計、電阻應變片等各種類型的傳感器。模塊本身具有8個測量通道，通過通道擴展模塊，可實現更多通道的測量。圖2、為應力位移在線實時形變監測預警系統圖。

空區處理采用人工混凝土置換礦柱，輔以干式充填方式。空區頂板以及混凝土礦柱保持穩定至關重要，因此應力位移形變監測主要監測空區頂板及混凝土充填體，在混凝土充填體中埋設壓力盒，主要監測礦柱回收時頂板與混凝土礦柱應力變化情況。

2.3 采空區穩定性微震遠程監測系統

圖2 礦山井下遠程在線實時形變監測系統

建立采空區穩定性微震遠程監測系統，結合數據處理、解釋、可視化軟件，可直觀顯示采空區和采場目標區域整體巖體裂隙時空演化全過程。微震監測技術用于監測采空區頂板在變形和破壞過程中，微裂紋產生、擴展、摩擦時以應力波的形式釋放的能量。傳感器接收到微震事件后，通過數據采集器進行數模轉換，經過調制解調器處理，傳輸到微震控制中心，經由電腦對微震事件進行分析處理和可視化。

微震監測系統硬件包括：地震傳感器、數據采集儀（GS）、調制解調器、地震控制器（SC）、中心監控計算機及連接各硬件設備的通信電纜、電源及電源纜線和相關網絡設備；軟件包括系統運行控制軟件（RTSM）、微震處理軟件（JMTS）和數據解釋與可視化軟件（JDi）等。

礦山微震監測系統網絡結構的基本要求是滿足監測范圍和監測精度要求、整個監測系統采用中央集中控制、信號傳輸抗干擾能力強、監測范圍及通道易于擴展等。圖3為微震監測系統的網絡結構和配置圖。

微震監測系統主要是為了監測采空區周邊采場在開采導致巖體變形破壞時伴隨發生的微震事件，通過對微震事件進行分析，能夠有效指導礦山深部的安全開采。

2.4 傳感器測點設計

某磷礦試驗盤區采空區處理安全監測系統結合微震監測、應力監測、應變監測等，對空區頂板位移，礦柱與人工混凝土礦柱應力與應變進行監測，為處理作業提供安全保障。具體監測點布置如圖4所示。

微震監測點設置在試驗盤區周邊巷道，共6個點。兩點間的距離在70～110m之間，滿足監測儀器監測范圍要求。

位移監測點設置：位移監測點設置在礦房頂板，共設置10個可移動的頂底版位移傳感器，在不受回采等作業影響的地方安裝。采用本地電池供電、無線數據傳輸的方式，減少空區內連線。初步考慮在空區周邊及內部布置4～6個無線數據接收點。圖5中18個監測點為預備安裝位移監測的位置。

圖3 微震監測系統網絡結構與配置圖

圖4 微震監測系統布點

圖5 位移監測系統布點

應力監測點設置：應力監測設置了17個監測點，主要原生礦柱及水泥混凝土礦柱內部，采用鉆孔和預埋的方式進行安裝（圖6）。

應變監測點設置：應變監測點主要安裝在混凝土礦柱內，采用預埋的方式進行安裝（圖7）。每個礦柱內安裝兩個傳感器。一個應變傳感器在混凝土礦柱的中心位置，主要測量礦柱的壓應變。另一個安裝在礦柱的靠邊位置，主要測量礦柱的拉應變。

圖6 應力監測系統布點

圖7 應變監測系統布點

3 監測數據分析

系統安裝完成后，經過傳感器返回的實時數據，對回采過程中的應力、應變、頂板位移、微震事件等進行綜合監測，并生成可查詢的過程線，體現變化的趨勢，可作為回采過程中安全決策的依據。下面以2014年10月份的10天監測數據為例，繪制過程線，并對這段時間內的綜合地壓活動變化趨勢做分析（圖8～10）。

圖8 3＃頂板位移變化趨勢

從圖8～10可以看出，3＃位移測點的頂板位移和3＃應力測點的混凝土礦柱應力呈緩慢上升趨勢，2＃應變測點的混凝土礦柱應變基本穩定，需嚴密關注各測點的變化趨勢，觀察測點周邊圍巖情況，必要時采取相關安全措施，保證回采過程的安全生產。采空區周邊微震事件圖見圖11。采空區周邊微震應力云圖分析見圖12。

圖9 3＃混凝土礦柱應力變化趨勢

圖10 2＃混凝土礦柱應變變化趨勢

圖11 采空區周邊微震事件圖

圖12 采空區周邊微震應力云圖分析

從圖11可看出，微震事件主要發生在采空區的外圍，大多數是由于采場的生產爆破擾動引發的。總體上，微震事件的數量較少，且震級也不大，表明目前采空區比較穩定。圖12是監測區域內應變分布云圖，從圖12中可知，采空區內沒有較大變形，監測區域內應變變形主要集中在監測區域的東北部采場內，是由于采場內生產作業造成的。

通過以上定期分析，可對一段時間內作業區周邊地壓活動進行綜合監測分析，為回采作業過程的決策提供技術依據。

4 結論

本文從某磷礦安全高效回采礦柱的需求出發，結合回采工藝，設計了一整套采空區處理過程中應力位移在線實時監測預警系統和采空區穩定性微震遠程監測系統，通過對回采過程中監測數據的有效分析，有針對性的提出安全處理措施，保障了殘留礦柱回采作業的安全高效進行。

［1］何滿潮，錢七虎.深部巖體力學基礎［M］.北京：科學出版社，2010.

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The application of ground pressure monitoring system in abstraction of pillar used stowing method

WANG Li－gang1，2，3，LI Dong4，YU Le－wen1，3，CAI Yong－shun1，3，YUAN Ben－sheng1，3，GUO Li－jie1，3
（1.Beijing General Research Institute of Mining and Metallurgy，Beijing 102600，China；2.State Key Laboratory for Geomechanics ＆Deep Underground Engineering，China University of Mining and Technology （Beijing），Beijing 100083，China；3.Beijing Key Laboratory of Nonferrous Intelligent Mining Technology，Beijing 102600，China；4.Modern Educational Technology Center，China University of Mining and Technology（Beijing），Beijing 100083，China）

A phosphate’s experiment plot uses the residual pillar as supporting system of goaf，there have been some damages on pillar as time goes on，in order to prevent serious disasters，we carried out goaf management，abstracted the residual pillar，and installed a ground pressure monitoring system surround the goaf，provides powerful basis for scientific decision of pillar stoping process，and ensuring the smooth progress of the abstraction of pillar.

ground pressure monitoring；abstraction of pillar；microseismic

王利崗（1982－），男，山東煙臺人，碩士，研究方向為礦山安全監測。E－mail：wlg163yx＠163.com。

TD863

A

1004－4051（2014）S2－0185－04

2014－09－22

國家863計劃項目資助（編號：2011AA060407）；國家科技支撐計劃項目資助（編號：2012BAK09B03）；國際合作項目資助（編號：2011DFA71990）