某鐵礦采空區安全監測及預防技術研究

李全中

(銅陵市安銅井建工程有限責任公司，安徽 安慶 246131)

某鐵礦采空區安全監測及預防技術研究

李全中

(銅陵市安銅井建工程有限責任公司，安徽 安慶 246131)

介紹了某鐵礦大面積采空區現狀，針對大面積隱患空區的存在，采用頂板監測、地壓監測、地質雷達監測等先進技術相結合的方式對采空區進行全方位監測，成功地掌握了空區圍巖地壓活動規律，有針對性的制定破壞性危害預防措施，提前預測空區危害的發生，保證了深部規模化采礦的安全，對國內外類似礦山開采的安全、高效開采提供了重要借鑒意義。

地壓活動；頂板監測技術；地壓監測技術；地質雷達監測技術

多年來，某鐵礦礦床一直采用無底柱分段崩落法開采，目前，礦井下已開采2個中段，預留上覆巖層隨著開采深度的下降，上部已經形成大量采空區，由于空區規模較大，此部分的空區頂板支撐能力隨著時間的推移已經惡化，經常發生頂板垮落等破壞，從而導致空采區失穩、頂板沖擊地壓及地表塌陷等地質災害。一旦發生大面積垮落冒落將對下部開采造成重大安全事故，地表也會出現大的沉降，對地表建筑物造成破壞，因此，上覆巖層頂部采空區安全隱患如何監測及預防已成為目前該礦山安全生產的一大難題[1-2]。

1 工程概況

1.1 工程地質條件

該鐵礦床屬于層控沉積—熱液迭加改造型鐵礦礦體規模屬大型—巨大型。礦體水平投影形態為不規則矩形。長2188m，寬512m。礦體埋藏在-270～-510m標高內，礦體形態簡單，呈層狀、似層狀，局部分支復合。礦體厚度為20～40m，平均為27 m，屬較穩定型。礦體厚大部位主要集中在東區1～9線間縱21線兩側。礦體厚度總的變化特征是:橫向上由北向南逐漸增厚，縱向上由西向東逐漸增厚(西區平均垂厚23.78m，東區為31.67m)，趨于均勻變化特征。富礦帶形態變化特征與整個1號礦體基本一致，主要呈層狀，局部透鏡狀，具分支復合特征，礦體近水平，略有起伏。

1.2 采空區現狀

截至2010年4月1日，生產所形成的空區有3個，其中礦區勘探線8～8-6線暴露面積5600m2，勘探線4-6～5線暴露面積76000m2，空區體積130萬m3，空區暴露平均高度16m，隨著采礦工作的深入，空區暴露面積及空區高度還將會進一步地擴大。

2 采空區處理方案及安全監測技術

該礦采用封閉采空區防治空區災害，封閉隔離采空區沒有改變空區形態和空區應力狀態，在礦山采動影響及時間效應下空區應力狀態可能逐步惡化，空區形態可能發生較大變化；采用頂板監測、地壓監測、地質雷達等綜合監測技術，全方位監測空區形態和應力變化，若采空區發生災害性趨勢，需要采用重置隔離墻或充填空區等技術手段進行防治。

2.1 采空區預防處理方案

目前采空區空高高度已經較高，需要對空區各通道進行處理，根據礦山生產實際，目前可行的處理措施隔離采空區，即是封閉采空區與外界貫通的通道，留設一個專門通道與地表相通，一旦采空區頂板圍巖發生大面積垮落，產生的沖擊氣浪可以從該通道排至地表，以保證深部采礦作業人員及設備的安全。

1)巖石阻波墻。崩落需要設置封堵墻位置的圍巖，利用崩落巖石封堵巷道，其填充長度一定要滿足抗擊沖擊波的要求見圖1。

圖1 巖石阻波墻示意圖

2)混凝土阻波墻。對離空區相對較近的重要構筑物或主要通道，采用混凝土阻波墻。

根據礦山生產實際，該鐵礦主要采用巖石阻波墻與混凝土阻波墻相結合的方式進行處理。目前所有通往采空區的通口均封閉完畢。

2.2 采空區頂板監測技術

為有效掌控巖層變化基本數據，監測分析采空區頂板冒落規律，能更為科學的進行采空區管理、采礦方法研究、采場出礦管理和損失貧化的工作，在地表共設計和施工了4個鉆孔，目前有兩個鉆孔與采空區頂板勾通。通過JSP-1視頻測井儀器和JJY-1D數字井徑儀監測采空區頂板高程、碴石堆積高程，然后推測采空區頂板穩定性[7-8]。

通過前后監測數據推斷，其中8～8-6線冒落高度7.3m，4-6～5線冒落高度10.4m，再與回采礦體的空區狀況測算對比，空區目前剩余高度為8～8-6線平均空區高度8.2m，4-6～5線平均空區高度5.1m。同時根據監測報告所顯示，緩沖層厚度滿足于兩個分層厚度。

2.3 地壓監測技術

光彈性應力計在我國礦山已經比較成熟，現場應用技術成熟，數據分析可靠性大幅提高，是目前圍巖應力監測的主要方法。光應力計是一種測量巖體應力變化的元件，借助于砂漿或其它粘結材料，粘結在巖體的鉆孔內，使它的外圓周界面與孔壁緊密接觸。采用光彈儀可進行觀測，再對照標準條紋圖，依據彈性力學理論和光學定律可計算出巖體二次應力變化情況，具體見圖2。

圖2 光應力計工作原理及計算點分布示意圖

如圖3所示，各測點圍巖作用在光彈應力計上的應力非常小，并且主應力的傾角還很難確定，這一結果說明采空區頂板巖層移動小，沒有發生大面積來壓的現象，通過大量監測得出：該鐵礦地下采礦活動引起的二次應力場變化情況不明顯，在目前這種狀態下，礦區整體是處于穩定的。

圖3 光彈性應力計現場監測圖

2.4 GRESWIN2地質雷達監測技術

探地雷達作為工程物探檢測的一項新技術，由于其具有連續、無損、高效和高精度等優點，可以探測無法進入的空間(圖4)，目前已經逐漸引入地下礦山空區探測方面，通過對接收的反射信號進行處理和圖像解譯，達到識別隱蔽目標物的目的[9]。

圖4 探地雷達工作原理示意圖

該技術應用后，數據處理結果見圖5。由圖可以看出，巷道頂板12m位置，反射波變化明顯，且有好幾處存在間斷的反射波，可能是棱形礦巖與松散墊層分界面。12～36m以上均未見強烈的反射波，且介質相對較均勻，得出從棱形礦巖以上直到36m以上均可能為松散的礦巖墊層，墊層厚度至少25m，滿足安全生產要求。但是，隨著空區體積的增大，相應的空區預防處理措施需要有針對性的制定與實施。

圖5 典型剖面監測示意圖

3 結 論

為預防大面積采空區所帶來的危害，本文采用“封閉+監測”的技術手段處理空區。封閉隔離采空區進行災害防治，并采用先進的頂板監測、地壓監測、地質雷達監測等技術手段結合的方式全方位監測采空區，預知空區形態及應力狀態變化，進而采取相應的防治措施，預防頂板冒落所產生的壓縮氣流和沖擊震動、采空區陷落、地壓應力對周邊及地表所構成的影響。

1)為防止壓縮氣流的傷害，通過用巖石阻波墻和混凝土阻波墻，并在墻體內留設不超過0.5m2空隙，此空隙用于釋放頂板小面積冒落所產生的壓縮氣流和利于今后監測設備深入采空區觀測。

2)為防止沖擊震動的傷害，通過采場出礦量的控制和地質雷達、地表觀測孔等，保證緩沖層留有足夠厚度，使頂板冒落的巖石落在緩沖層上，而不至于落在未崩的整體巖層上，這樣盡可能降低下部工程的破壞。

3)采用先進技術手段對空區進行全面監測，實時掌握采空區應力、巖移變化規律，空區發生趨害變化時，可采用重置隔離墻或充填空區等技術，提前預防災難性危害的發生。

[1] 李中林.礦山巖體工程地質力學[M].北京：冶金工業出版社，1987.

[2] 方春根，李不驕.天馬山硫金礦段地壓監測分析與控制[J].黃金，2009，30(10)：29-32.

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[6] 尹彥波，李愛兵.礦山地壓災害預警及預警模型可視化研究[J].采礦技術，2010，10(2)：34-35.

[7] 余樂文.FBG傳感技術在礦山地壓監測中的應用[J].有色金屬：礦山部分，2012，64(5)：9-12.

[8] 黃應盟，鄧金燦，毛建華，等.高峰礦區100號礦體采空區治理與地壓監測研究[J].礦業研究與開發，2000，25(3):18-25.

[9] 張耀平，董隴軍，袁海平.新型探地雷達設備在采空區覆蓋層厚度探測中的應用[J].中國礦業，2011，20(4)：114-118.

Research into the security monitoring and prevention technologies of a iron mine goaf

LI Quan-zhong

(Tongling An Tong Well Development Limited Liability Company，Anqing 246131，China)

The paper introduces a large area cavity status.For a large area of the existence of hidden cavity，we combined the advanced the roof monitoring technology，geostatic pressure monitoring technology，geological radar monitoring technology to monitor all-round the cavity.Then we successfully mastered the cavity surrounding rock pressure activity law.So we can be targeted to develop the destructive damage prevention measures，to predict cavity hazards，to ensure safety in deep scale mining.The technology can provide an important reference on the domestic and foreign similar mining safety and high efficient mining.

geostatic activity；roof monitoring technology；roof monitoring technology；geological radar monitoring technology

2014-12-10

李全中(1967-)，男，采礦工程師，主要從事采礦技術與管理工作。E-mail：529730064@qq.com。

TD178

A

1004-4051(2015)06-0098-03