某礦區地表井下地壓監測的應用研究

劉浩++唐瓊瑤++徐力勇

摘 要：地下礦山開采，會產生大量采空區。采空區的有效監測，將直接影響到礦山的安全生產及經濟效益。該文針對某礦采空區穩定性及地壓監測進行了系統、深入地研究，通過現場調查、井下地壓監測、地表變形監測等研究手段，獲取井下采空區的分布、采空區穩定情況、地壓分布規律。建立井下應力監測系統，提出地表移動變形觀測方案、觀測點埋設方案、全面觀測方法及日常監測工作，指導礦山的安全回采。

關鍵詞：采空區 地壓監測 地表移動帶

中圖分類號：TD82 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）09（c）-0023-04

Study on the Application of Ground Pressure Monitoring on Surface and Underground in a Mining Area

Liu Hao1 Tang Qiongyao2 Xu Liyong3

（1.Jiangxi university of science and technology resources and environment engineering school； 2.Jiangxi university of science and technology building and surveying and mapping engineering institute； 3.Jiangxi university of science and technology institute of metallurgical and chemical engineering，Ganzhou Jiangsu， 341000， China）

Abstract：With the development of underground mining，there are a large amount of goaf.At the same time，the underground pressure is obvious.It will decide the mines production safety and economic benefit if the goaf would be deal effectively with.This article in view of the mine goaf stability and ground pressure monitoring system，we get the position and stability of the goal and the underground pressure distribution rule through some research techniques，like a field investigation，underground pressure monitoring，the numerical simulation，and so on.Also， combined with pressure monitoring results and numerical analysis study of optimization filling scheme， guide the safety mining of mine.

Key Words：Goaf；Ground pressure monitoring；The range of surface movement

我國礦產資源豐富，隨著礦產資源的開采，產生大量采空區，給礦山的正常生產和環境帶來巨大損害[1]。為較好地處理采空區，需掌握地下采空區的分布情況、采空區地壓分布規律、采空區的變形和破壞規律等，并需要對采空區進行有效監測[2-5]。

某多金屬礦經過多年地開采，某礦區域已形成大量采空區，地壓顯現明顯，新采空區大量增加，部分老采空區也有擴幫，并且部分新增空區與老空區相互貫通，在開采過程中未及時對采空區進行處理，嚴重威脅著礦山的生產作業安全。

針對礦山開采遺留大量采空區，地壓顯現明顯問題，該研究擬采用現場調查、地壓監測、數值模擬等研究手段，得到采空區分布、采空區穩定性狀況，獲得地壓分布規律，并重點對地壓區礦石回采進行地壓監測，保障礦山采礦作業安全。

1 采空區現狀調查

該礦已對部分采空區進行充填處理，充填處理的方式主要包括尾砂膠結充填和廢石充填兩種。為了更好地了解目前某礦采空區的賦存狀況及分布特點，故需要對采空區的形狀參數、暴露面積、空間位置關系、連通性等進行現場調查。

采空區的形狀參數使用德國PD40型手持激光測距儀進行測量，經過現場調查得到了采空區的分布、賦存狀況以及充填情況等信息，得出：礦區各個中段都有新采空區增加，新增采空區總暴露面積達到29 357.49 m2，體積達到350 038.36 m3，多個中段空區貫通，最大貫穿3個中段，空區暴露面積達2 352.4 m2，體積達58 810 m3。

2 地壓調查

經過一年多的開采，該礦各中段未處理的采空區體積增加，使部分采空區及附近地壓活動頻繁，主要表現為：采空區頂板冒落、片幫、巷道變形、底板開裂和地表變形與塌陷。

造成各中段地壓顯現的主要原因是，采空區數目和采空區總體積的增長，以及充填進度無法滿足生產要求。

3 地壓監測

3.1 監測設備

目前，隨著礦區正常開采的延續，井下采空區的數目、體積也逐漸增多，作業區域由于大量空區的存在使部分區域地壓顯現比較明顯。礦區的巖石屬于硬巖，為了對地壓活動進行有效監測，根據礦山的實際情況并結合已有的監測經驗，確定該次地壓監測的方法為應力監測，應力監測儀器選擇靈敏度高、性能穩定的光彈應力計。

此次井下監測點布置綜合考慮了采空區地壓調查及采空區充填情況，各中段空區的空間相對位置、連通情況等因素，并參考礦山采掘計劃，避開了開采作業區域，以便長期監測。

3.2 監測點布置說明

（1）-85 m中段：71～77線間空區已全部連通，并且下通-115 m中段，目前該空區中局部留有殘礦；此空區為現中深孔爆破區域，開采計劃采至-60 m中段，因而在此空區周圍布置4個監測點；77線主運輸巷道頂板破碎，地壓顯現明顯，因而在此布1個監測點。

（2）-100 m中段：中深孔爆破區域仍作為重點監測區域，此處空區礦柱剝離，頂板破碎，結構面發育，因此在此空區周圍布4個監測點；75～83線間的空區因無法進入，未作監測布置，此空區在-115 m中段相對位置的空區已作充填處理；30#采場處頂板破碎，礦柱剝離，附近主運輸巷道采用了錨桿支護，頂板噴漿處理，在此礦柱處布1個監測點；8#采場空區相對穩定，無明顯地壓顯現，因該空區邊仍在回采，故此處布1個監測點。

（3）-115 m中段：71～75線區域處于中深孔爆破區域，此處空區布3個監測點；69～71線處主運輸巷道頂板較為破碎，此處有新增空區，但空區較為穩定，因而此處可布1個監測點；77線后期地壓顯現明顯，且附近有新的空區形成，因此在這布了一個監測點。

（4）-130 m中段：85-1#采場周邊空區已充填，該空區靠主巷處頂板開裂，礦柱剝離，片幫，因而在此處礦柱上布1個監測點；此中段以實驗采場作為重點監測區域，該區域位于77～81線間，頂板破碎，靠近運輸巷道處片幫，節理發育，空區有冒頂，此處往西南有采掘計劃，因而此處布4個監測點；3#采場頂板破碎，有滑移面，結構面發育，并且此空區邊礦柱10、11月有回采計劃，因而此處布1監測點；73線處空區正在回采，礦柱完整性好，空區有冒落、片幫，礦柱邊上有小段層存在，附近有開采計劃，此處布1個監測點。

（5）-145 m中段：73-2#采場較穩定，局部有滴水，因有新增開采空區，往71線方向有采掘計劃，因而此處布1個監測點；69線處空區與-160 m中段空區相通，且有冒頂，因而此處布1個監測點；Y27所布位置附近空區不穩定，且有新增掘進，因而布在此處；1-2#采場有大面積冒頂，周圍砌有擋墻，與其它空區相隔離，此空區在下一中段（-160 m）已用廢石充填，因而不在此布監測點。

（6）-160 m中段：15#采場頂板冒落嚴重，礦柱剝離，片幫，地壓顯現明顯，此空區原光彈應力計G27完好，但已不可監測（不安全），在此空區礦柱的另一側布1監測點；18#采場與-145 m相通，礦柱剝離，空區連通區域較大，因而此處布1個監測點；2#采場頂板有冒落，局部少量滴水，且空區面積較大，在此布1監測點；由于回采放炮及空區處理等因素，為了加強此中段地壓監測，后期在此多布了3個監測點。

經過多次監測數據分析，得出：各中段監測點整體次生應力變化較大，次生應力較高，次生應力有上升趨勢。

4 地表移動變形觀測方案

礦區的地表海拔高程一般為200～400 m，最高點的海拔達到512.5 m，從地表至目前開采的最下面中段高差很大，地下開采易引起地表移動變形，給下部各中段開采作業帶來威脅，所以對地表進行移動變形監測。

目前用于地表變形觀測的方法中，通過圈定礦區的地表移動帶，然后在移動帶之內設立變形觀測站進行地表移動變形監測是最有效的方法之一[6]。

地表移動變形監測就是在地表移動帶范圍之內建立變形觀測站，定期對整個觀測站進行測量，監測地表的下沉和變形情況。

4.1 確定巖石移動角

采用工程類比的方法確定出礦區走向端部移動角=75°；上盤巖石移動角位65°；下盤巖石移動角70°。

4.2 圈定地表移動帶

利用確定的巖石移動角，針對礦區64～83線勘探線剖面圖逐個畫出礦體下盤和上盤的巖石移動界線，并得出巖石移動界線與地表交點的坐標點。

得到各勘探線剖面圖巖石移動界線與地表交點的坐標點位置后，在礦區地表地形圖上繪出沿脈縱剖面圖礦脈兩端巖石移動界線與地表交點的坐標位置，將相鄰兩個勘探線的各點連成線，并經修整后得出礦區的地表移動帶。

4.3 地表觀測點的確定

圈出礦區地表移動帶后，根據地表觀測在移動帶之內確定觀測點，設立變形觀測站進行地表移動變形監測。

根據相關原則，在地表移動帶內布置AA′、BB′兩條觀測線。

根據相關規程，以剖面法求得AA′和BB′觀測線長度分別為875 m和650 m，共計1 525 m，每25 m一個點，共63個點。

具體觀測線與測點布置如圖4所示，各觀測線長度及觀測點個數統計如表1所示。

4.4 觀測點埋設

所有控制點和測點均為混凝土預制樁，鋼筋露出高度為5 mm，如圖5、6所示。

4.5 全面觀測

在觀測站未受開采影響之前，獨立進行2次全面觀測。當地表下沉達到50～100 mm時，應進行采動后的第一次全面觀測；在地表受采動影響穩定后，進行最后一次全面觀測。

4.6 日常觀測

在首次和末次全面觀測之間適當加密水準測量次數，來判定地表是否開始移動。在回采工作面推進0.1～0.5平均開采深度，選擇部分工作測點，每周進行1次水準測量。一般1～3個月重復1次水準測量。在明顯的活動區和下沉區要增加水準觀測次數。

觀測站的各項觀測，一般情況下可參照表2的程序進行。水準測量必須在一天內完成，并力爭做到高程測量和平面測量同時進行。

5 結論

（1）對礦區進行全面的采空區和地壓調查，得到了采空區的分布、賦存狀況以及充填情況等信息。

（2）建立井下應力監測系統，得出了各中段監測點整體次生應力變化較大，次生應力較高，次生應力有上升趨勢。

（3）建立地表移動變形觀測方案，提出了觀測點埋設方案、全面觀測方法及日常監測工作。

參考文獻

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[2] 胡永泉，張傳信，匡玉生，等.冬瓜山銅礦西山釆空區治理工程研究與實踐[J].金屬礦山，2011（5）：23-27.

[3] 李愛兵，周愛民，尹彥波，等.柿竹園多金屬礦床群空區條件下的崩落特性研究[J].巖石力學與工程學報，2008，27（11）：2234-2243.

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[6] 劉豪杰，劉愛華.礦山地表移動帶快捷成圖方法及應用研究[J].有色金屬科學與工程，2011，2（6）：7-11.