特大采空區及高大礦柱穩定性監測研究

王培武，楊 順，王賢偉

(1.萬城商務東升廟有限責任公司， 內蒙古巴彥淖爾市 015000；2.長沙礦山研究院有限責任公司采礦工程中心， 湖南長沙 410012)

特大采空區及高大礦柱穩定性監測研究

王培武1，楊 順2，王賢偉1

(1.萬城商務東升廟有限責任公司， 內蒙古巴彥淖爾市 015000；2.長沙礦山研究院有限責任公司采礦工程中心， 湖南長沙 410012)

某鉛鋅礦采用房柱法開采，形成了由4個礦柱支撐的上下貫通的5個大采空區，礦柱寬度10～15 m，高度為40～110 m，空區總體積達75萬m3；地表有季節性河流，上覆巖層最薄處只有144 m。井下采場沖擊波對個礦柱的穩定性以及上覆巖層的擾動極大的威脅著礦山的安全生產。針對上述問題，采用微震監測系統對礦柱內巖體穩定性進行研究，成功掌握了各礦柱的受力情況，對礦柱的開裂進行了有效預警，調整井下采礦作業位置，達到了持續有效監測的目的，對礦山的安全生產發揮了指導作用。

特大采空區；礦柱穩定性；微震監測

0 引 言

我國礦山開采由于歷史原因，采礦秩序較混亂，同時受采礦技術和機械裝備水平所限，使用空場法、崩落法、留礦法等采礦方法，形成了大量的采空區，這些空區暴露面積大，上覆巖層較薄，礦柱厚度較低，同時隨著采礦深度的增加，地壓問題急劇上升，存在極大的安全隱患。

針對這樣的現狀，2003年，李庶林等首次引進微震監測系統對凡口鉛鋅礦深部開采進行地壓監測，對生產爆破后的余震進行了初步應用研究，對礦山生產管理進行了有效指導，對微震監測技術在礦山的應用取得了極大的促進作用[1]；2008年，楊志國等通過微震監測技術微震時間定量理論分析了冬瓜山銅礦回采過程中礦柱應力、位移、剛度和穩定性變化過程規律，說明較大規模巖體破壞發生前會出現巖體剛度先增大后下降、應力水平先下降后增大、微震事件發生頻率增大等現象[2]。2013年，楊順等利用微震監測技術，通過對單通事件觸發頻率和能量大小的實時動態研究，成功對香爐山鎢礦井下地壓活動進行了安全預警，說明微震監測對掌握巖體內部未破裂狀況及能量釋放情況具有重要作用[3]；2014年，胡靜云等針對大紅山鐵礦特大采空區及上覆巖層移動以及地表開裂塌陷等地壓問題，引進微震監測技術和實時巖移變形監測等手段，對上覆巖層移動量，地表開裂范圍與水平移動進行了有效的監測，說明大采空區地壓監測結合微震與巖移監測具有很好的應用效果[4]。本文主要是針對某鉛鋅礦特大采空區問題，通過微震監測實現對礦柱開裂、垮落等地壓災害的監測與預警。

1 礦山現狀

該礦山2004年投產開采，年生產能力70多萬t，房柱間采過程中沒有保留中段礦柱，形成約130萬m3的特大采空區，為深部礦體的開采留下嚴重的安全隱患。形成了被4根礦柱分隔的5個采空區，分別為7線、11線、15線和萬19線礦柱，礦柱寬度10～15 m，高度為40～110 m，單個采空區暴露面積超過3500 m2，最大暴露面積達到3700 m2。采空區上覆巖層最薄的地方只有144 m，其中15線礦柱地表位置有季節性河流橫貫礦床。礦柱穩定性和采空區穩定性問題突出。礦山縱剖面圖如圖1所示。礦柱穩定性與采空區上覆巖層的穩定性一直是影響礦山安全生產的首要問題。針對上述地壓地質災害問題，礦山相繼建立了18通道微震監測系統以及非接觸式巖移監測系統等技術手段，對礦柱穩定性、各礦柱應力轉移情況以及礦柱開裂情況等進行監測與預警[5-6]。

2 監測方法

為了監測4個礦柱以及采空區的整體穩定性，建立了一套18通道全數字型微震監測系統，實現了對信號的全天候實時監測，并實現了數據的遠傳輸送與專家遠程監控，系統組成如圖2所示。傳感器安裝在7線、11線、15線以及19線礦柱內，分布在930，960，890，873 m四個中段內，礦柱中傳感器布置及理論定位精度如圖3所示，可以看出系統在被測礦柱及采空區區域理論定位精度在20 m以內，具有較好的定位效果。

圖1 井下采空區現狀

圖2 18通道微震監測系統

圖3 主采空區傳感器布置優化

3 監測結果分析

3.1 微震監測結果分析

微震單通道觸發事件為傳感器監測范圍內監測到的巖體內部微破裂所產生的彈性波[7]，根據萬城礦井下生產及巖體條件，設定了單通道觸發預警值為80個/d.

7線礦柱共有5個傳感器，其中3＃、4＃在930 m中段，8＃、9＃在 890 m中段，14＃在873 m中段，自2014年3月以來，890 m中段8＃、9＃傳感器微震事件率一直保持較高水平，針對這兩個傳感器3～7月份數據統計如圖4所示。從圖中數據趨勢可以明顯看出，3～6月份微震數據較為活躍。然而，在6月份現場勘查表面地壓活動和裂紋擴展較不明顯，反而在7月份出現明顯的裂紋擴展，相比7月份微震數據較為平靜，較不活躍。一般巖體破裂過程在外力作用下先從內部薄弱處產生微破裂，裂紋貫通開展，直至表面出現可見性變形，因此上述監測表明，7線礦柱在出現較多的內部前兆性的微破裂裂紋，直至7月份出現明顯的巖體開裂和巖移等地壓現象。而在臨近垮落時，微震事件頻數反而減少，即為發生沖擊地壓的前兆。伴隨著巖體垮落，巖體內部的能量得到釋放，其壓力也會相對減小，微震事件頻度降低。

圖4 2014年3～7月8＃、9＃傳感器數據統計

3.2 典型波形分析

選取較有代表性的8＃傳感器巖體破裂波形進行分析，如圖5所示。該波形為8＃傳感器于2014年6月16日16∶27時收集，可以通過頻率選取開窗，選取一周期波分所在處如圖陰影寬度。可以看出該周期為1.1 ms，根據換算該周期波段的頻率為923.2 Hz。因為一般巖體破裂波形不為單一頻率波形，而是由分布在一定的頻率域范圍波形組成。為了全波段分析巖體破裂的主頻范圍，對上述波形進行快速傅里葉變化(FFT變化)，可以觀察出所監測到巖體破裂波形在頻率域的分布特征。從圖6可以得知，該波形的破裂主頻接近1000 Hz。這也與正常巖體破裂的頻率范圍相符，屬于臨近傳感器巖體高頻破壞。

圖5 巖體破裂波形

圖6 巖體破裂波形FFT變換

聲譜圖可以通過顏色的區別將波形在頻率域的差別明顯的區別。圖7為上述8＃傳感器所分析波形的聲譜圖，分為上下對應兩圖，橫軸均為相同的時間軸。通過聲譜圖可以看出，巖體破裂與低噪有明顯的頻率差異，表明該監測波形低噪較為純凈，巖體破裂波形較為清晰。

4 結 論

(1)微震監測數據表明，在2014年5，6月微震事件率保持較高水平，且超過預警值范圍，但未出現明顯的地壓顯現；而在微震事件率較低的7月份，礦柱產生了開裂和片幫等現象，說明微震數據較活躍時期，巖體內部產生較多微破裂或原有裂紋貫通，該過程所產生的應力波使得傳感器處于高觸發狀態。到7月份傳感器觸發數明顯降低時，礦柱內部微裂紋萌發貫通直至宏觀的開裂或片幫，礦柱內應力能量隨著開裂而釋放，最終巖體出現可見性變形。

圖7 巖體破裂波形聲譜圖

(2)結合其他礦柱微震監測數據分析，并沒有出現明顯的異常，說明井下空區處于穩定狀態，7線礦柱的數據異常為局部承壓增加，該礦柱處于高應力集中區，同時，臨近的3-1采空區本身為礦山暴露面積最大的空區，3-2采場的出礦使得7線礦柱高度增加，受力增大，爆破作業沖擊波對礦柱的破壞加劇。基于這樣的監測結果，礦山停止了對3-2采場的生產作業，避免潛在的地壓災害風險。

(3)通過微震監測技術單通道觸發事件的統計與分析，成功掌握了井下各礦柱的應力變化情況，為礦山的安全生產提供了重要保障。

[1]李庶林，尹賢剛，鄭文達，等.凡口鉛鋅礦多通道微震監測系統及其應用研究[J].巖石力學與工程學報，2005，24(12): 2048-2053.

[2]楊志國，于潤倉，等.微震監測技術在深井礦山中的應用[J].巖石力學與工程學報，2008，27(5):1066-1073.

[3]楊 順，蘭曉平，等.基于單通道觸發微震事件的地壓動態分析[J].礦業研究與開發，2014，34(2):33-36.

[4]胡靜云，李庶林，等.特大采空區上覆巖層地壓與地表塌陷災害監測研究[J].巖土力學，2014，36(3):1117-1122.

[5]馮曉東，楊 順.萬城鉛鋅礦的多通道微震監測系統及其研究[J].采礦技術，2014，14(4):54-57.

[6]楊 順.非接觸式巖移監測系統的開發研究[D].長沙:長沙礦山研究院有限責任公司，2014.

[7]胡靜云，林 峰，等.香爐山鎢礦殘采區地壓災害微震監測技術應用研究[J].中國地質災害與防治學報，2010，21(4): 110-115.

2016-03-04)

王培武(1974-)，男，福建龍巖人，工程師，主要從事礦山采礦工程及安全監測相關管理工作，Email: 790034116@qq.com。