銅坑礦地壓管理與監測預警實踐

蘭 虎

(廣西華錫集團股份有限公司銅坑礦, 廣西 南丹縣 547207)

0 概 況

礦山生產中各環節的安全管理非常重要，尤其是金屬礦山地下開采中，地壓管理是礦山生產搞好安全工作的技術關鍵。因礦山采空區地壓活動及頂板失穩等問題，對人員和設備造成安全危害，發生的安全事故占了礦山安全事故的很大比例，如果管理不善，則嚴重制約礦山安全環保和經濟效益。

地壓管理主要包括礦山地下開采中的頂板管理和采空區地壓活動監控等方面，旨在日常生產中對地壓活動進行監控，預防因地壓活動對生產的影響和安全危害，提高安全性和促進生產。基于廣西大廠礦區及同類礦山生產實際，尤其是銅坑礦多年來的管理經驗，要做好地壓管理工作，為采礦生產提供良好的安全技術條件，首先要建立健全地壓管理制度，同時需要有相應的監測監控技術手段，實時對可能發生的地壓活動危害進行監測預警。

自銅坑礦建礦以來，經過多年的開采，井下空區量不斷增加，井下地壓活動日益嚴重，井下巖層移動范圍不斷擴大，致使地表出現塌陷坑或沉降盆地，凸顯的問題也越來越多，對井下正常生產和生產安全的影響逐步加大，井下巷道變形、冒頂，礦柱承壓過載垮塌等情況逐步出現且日益嚴重，礦山地壓監測監控及預警分析工作亟待解決。因此，銅坑礦建立了一支有多種專業人才的專職地壓監控隊伍，負責礦山井下地壓的日常監測分析預警及地表巖層移動的監測工作，地壓組多次的預警預報保證了井下人員設備及時撤離，避免了人員損傷和設備財產損失，為礦山生產安全提供了很大程度的保障，提高了礦山安全生產水平。

1 銅坑礦地壓管理的機構建設與地壓監控模式

(1) 建立地壓監測專業技術隊伍和有效的管理機制。為了有效應對井下日益嚴重的地壓問題，銅坑礦與長沙礦山研究院有限責任公司合作，按照礦山監測監控系統相應規范設計布置監測網絡，并成立了專職地壓監控小組，長期負責銅坑礦井下地壓活動和地表巖層移動的監測、監控及預警分析。

(2) 建立和逐步完善了頂板管理和地壓監測監控制度。在開采初期和以后的各個階段安裝和補充監測設備，對井下地壓活動較活躍的局部區域進行現場巡查、安裝滑尺、裂縫標定、對比拍照、布設水準點等監測，并購買了較先進的DYF-2型智能聲波檢測儀和多通道聲發射監測儀對巖體破壞情況進行監測；在地表布設了簡易的巖移監測網。

(3) 在初期地壓監測工作基礎上，逐步擴大監控范圍，增加監測設備，不斷完善地壓監測方法。根據銅坑礦年度采掘計劃，結合各采場開采順序、采礦方法、采充現狀等，確定網絡擴建范圍和重點監測區域，采用多套地壓監測設備，包括SDL-12和STL-24聲發射與微震監測系統等，實現對區域地壓的有效預警與控制；根據井下數值模擬計算結果，進行應力應變狀況及塑性破壞區域的計算分析，并預計下一步各中段地壓活動趨勢，為圍巖穩定性監測分析需要布點位置提供科學依據；根據歷年來地壓監測技術研究成果，采用了遠程聲發射地壓監測、井下巖體應力變化監測、巖體位移與巷道收斂監測、頂板離層與水準沉降監測、地表巖移測量監測、巖體裂縫測量監測、現場巡檢監測、攝影監測、地質構造宏觀調查分析等多種有效監測手段，逐步形成了有自身特點的綜合性地壓監測網絡，實現了銅坑礦大范圍地壓監控與地表巖移監測預警。

2 相應技術方法的不斷改進

(1) 進行監測系統的更新改造，實現監測設備高效運轉。隨著銅坑礦生產的進展，地壓監測網絡不斷擴大，監測設備大量增加，由于井下環境條件復雜，監測設備易遭到采掘運輸設備、生產爆破、自身質量、人為損壞等因素影響，無法正常工作，導致監測數據間斷，連續性差，無法準確進行井下地壓態勢的分析預測，為實現地壓監測設備高效運轉，采取了掛牌警示、更改或隱蔽通訊線路、變更傳感器安裝方法、及時升級更新監測系統軟硬件、定期設備保養、制定井下地壓監測設備保護制度等措施，并根據主要生產區域的變化進行通訊線路變更優化。井下大部分地壓監測線路都是掛在巷道的風、水、電掛鉤上使用，井下大部分風、水、電掛鉤高度僅為1.5～1.8 m左右，在運輸設備可能碰撞高度范圍內，由于監測線路硬度不及風水管強，即使發生輕微摩擦，也會造成線路撞斷或致線路損壞，經研究決定采用金屬膨脹鉤重新施工線路掛鉤，更改線路布設高度，將原來布設不合理的線路重新掛置膨脹鉤上，不得有懸吊現象，線路掛置要求整齊，并在線路上懸掛“地壓監測線路 請勿破壞”警示牌，提示過往運輸設備注意，實現地壓監測線路專線專掛鉤，不與其它電纜及風水管共同使用掛鉤，便于日常維護檢查；針對傳感器耦合程度低，監測效果差這一問題，地壓監控人員專門設計并制作了傳感器安裝桿和耦合介質推桿，采用全耦合劑耦合方式安裝傳感器，并用水泥將安裝孔完全封閉，既提高了傳感器的數據采集質量，又有效降低了傳感器的外圍干擾。

(2) 及時升級更新監測系統軟硬件，并進行定期設備保養。銅坑礦每年與長沙礦山研究院等科研院所合作，對監測系統的軟硬件進行升級更新，保持監測設備軟件的穩定性和硬件的可靠性，并根據實際監測需要補充相應的儀器設備，在局部地壓活動劇烈區域增強監測，增加針對性強的設施設備和其他輔助監測手段。

(3) 制定和完善井下地壓監測設備保護制度，及時修復受損設備。銅坑礦井下地壓監測設備井下部分建立集中監測室，采用專用電纜、通訊線和電源，實行分區管理，實行在線網絡監測，設施受損破壞后，地表地壓工作人員可第一時間獲知，并及時派出監測維護人員進行現場修復。

3 地壓監測制度的逐步完善

為全面、有效地收集各種地壓活動信息，系統地監測和分析礦區地壓活動發展趨勢，積極制定相應的監控和預防措施，控制井下地壓活動的危害，確保安全生產，制定了銅坑礦地壓監測工作管理制度。針對日常地壓技術工作、現場地壓工作、地壓資料管理、地壓活動匯報、監測儀器、網絡管理、業務培訓等方面制定了詳細的要求。

(1) 地壓監測技術工作制度。對宏觀地壓：根據礦年度生產規劃以及上年度的地壓工作總結，制定、編制相應的年度地壓工作規劃，報上級部門審批執行；年度內進行1～2次礦區次生應力數值模擬計算，分析和研究礦區地壓活動的發展變化規律，指導地壓監測、預報與控制工作。每個季度對當前礦區空區總體分布、地壓活動監測情況進行整理，并由礦部組織礦相關技術人員定期召開地壓專題會議，分析當前地壓活動的影響因素，內部評價各區域地壓活動級別，分級劃分管理區域，制定相應的監測和預防措施。區域地壓：根據不同級別的地壓管理區域，設計監測方法并組織實施，適時根據監測結果分析、預報地壓活動狀況；采場地壓：根據采場設計的地壓控制方法執行監控，根據采場地壓活動的發展變化，可補充必要的監測手段。

(2) 現場地壓監測工作制度。在保證安全的前提下進行現場地壓工作，嚴格按照制定的不同區域監測周期執行日常監測，并做好細致完整的監測數據記錄。

(3) 地壓資料管理制度。建立地壓資料電子檔案庫，定期對地壓資料電子檔案進行刻錄保存；按照區域或采場分別建立單獨的地壓活動檔案，記錄其地壓活動的發展變化狀況；根據回采進度或地壓活動變化情況，適時更新地壓資料，包括空區變化圖、文字說明等。

(4) 地壓活動匯報制度。正常匯報：定期(半月)對地壓活動區的監測情況進行分析總結，并形成書面材料(簡報)上報有關領導、安全和生產組織部門。異常匯報：據地壓活動的顯現程度、影響范圍、危害程度，將地壓活動異常分為高級、中級、初級3級，實施動態監測管理與上報。

(5) 監測儀器、網絡管理制度。專人專區負責設備的及時維護，確保監測系統網絡正常高效運轉，并定期對地壓監測設備設施進行養護作業。

(6) 地壓監測業務培訓制度。定期進行地壓專職監測人員基本技能培訓和安全培訓，達到熟練掌握各種監測儀器的使用與維護，正確描述與記錄現場地壓現象，進行圖紙資料的更新與說明，具備地壓活動的辨識能力與分析能力。

4 地壓監測與安全管理水平不斷提高

4.1 地壓監測數據處理分析

現場實測積累的大量數據是進行地壓動態分析研究最基本和最重要的資料，如：沉降量、巖音事件數及事件率、裂縫發展趨勢及曲線圖、空區各時段的基礎狀況、地表陷落區各塌陷坑的變化情況等等，采用圖形文件和表格文件分類存儲的方式，并建立地壓動態數據庫進行科學有效的管理，可以更方便、直觀、科學的運用現場數據進行分析和地壓活動趨勢判斷。應用專業軟件和輔助軟件，結合礦山巖石力學理論，對各類監測數據進行分類匯總，再依據日常檢查情況進行綜合分析。地壓監測預警過程示例:

第一步,數據分析。例如，560水平三盤區空區頂板活動趨勢分析。從圖1分析可知：自2008年5月開始，560水平三盤區10#線空區頂部出現較明顯的整體沉降加速現象，結合聲發射監測結果(5月之前該區域就出現巖音頻繁現象，巖體開始破壞)和現場檢查情況，分析認為該區域巖體尚未達到整體塑性變形的程度，還具有一定的穩定支撐能力，應密切監測巖體的穩定性和區域作業安全情況，加快完成空區治理工作，避免巖體發生急速破壞造成激烈的地壓活動。

圖1 560水平三盤區空區頂板沉降觀測數據發展趨勢

第二步，監測數據匯總分析結果與匯報。定期組織召開地壓專項分析會，對近期地壓活動情況作匯報，使日常地壓動態分析可以做出全面、準確、迅速和可靠的客觀判斷，并及時反饋至安全生產管理系統。

通過整體和區域性地壓監測的有機結合，綜合分析監測數據的量變及其曲線趨勢、屬性變化等指標，對監測區域的地壓活動性質進行預測預警，準確預報地壓活動、發出預測預警多次(見表1)。

表1 近年銅坑礦部分地壓監測預報預警

近年來，通過每天的監測數據分析結果，進行了地壓活動的實時監測，提出了有效安全防范措施和建議，及時指導礦山安全生產，避免了礦山地壓活動災害導致的人身、設備事故，為礦山生產安全、采礦的優化設計和安全出礦提供了科學依據。

4.2 不斷完善地壓管理制度

銅坑礦多年堅持定期進行地壓監測分析和匯報制度：一是每半月對地壓活動區的監測情況進行分析總結，編制地壓監測簡報，上報集團公司和礦山主管領導、安全和生產組織部門；二是每個季度初全礦組織召開地壓工作專題會議，對當前礦區空區總體分布、地壓活動監測情況進行數據分析，與長沙礦山研究院有限責任公司聯合進行礦區次生應力和危險區域數值模擬計算，分析當前地壓活動的影響因素，評價各區域地壓活動級別，根據危險程度分3個監測等級進行管理，制定相應的監測和預防措施。

通過加強地壓活動監測預報，對災害險情監測監控和及時預警,逐步進行標準化管理，加強日常地壓管理工作，及時發現每個時期的地壓顯現和危害，通過監測數據的連續性分析和現場檢查判斷安全狀況，以及處于地壓活動的哪個時期、是否能進行治理，確定支護工程施工方法和時機，從根本上消除安全隱患，并通過優化開采設計和地壓治理，大大提高了資源回采率和安全水平，取得了良好績效。

5 結 論

(1) 銅坑礦多年的開采導致了井下地壓活動加劇，局部地壓顯現嚴重、巖體破壞程度大，部分采場垮落冒通至地表，形成了礦山和諧平穩安全發展與井下安全威脅增大的矛盾，地壓管理顯得非常重要。為此，礦山企業建立了由多專業人才組成的專職地壓監控隊伍，開展井下地壓的日常監測分析預警及地表巖層移動監測工作，并發出了多次預警預報，保證了井下人員設備及時撤離，避免了人員損傷和設備財產損失，取得了積極有效的地壓控制效果。

(2) 經多年精心建設，銅坑礦多年與科研單位合作，形成了具備自身特點的綜合性地壓監測技術，并在實際監測過程中不斷進步完善，為礦山生產安全提供了很大程度的保障，有效提高了礦山安全生產條件，得到了同行的認可和部分借鑒，為同類礦山相似問題的解決提供了的經驗。

(3) 通過不斷完善，形成了具備銅坑礦特色的地壓監測監控制度。對井下不同地壓情形采取具有強針對性的不同的組合監測方法體系和監測周期，形成了以地壓監測、分析預警、安全監控、動態管理為核心的地壓監測管理機制。

(4) 實踐證明，礦山成立地壓監測專門機構，做好地壓監控基礎建設與維護，安排地壓監測與安全管理專職人員，采取地壓監測多種手段，采集多類別的地壓監測基礎數據進行綜合分析，可以達到地壓管理和險情預警的技術目標，為礦山安全生產創造良好的技術條件。