地壓監(jiān)測在里伍銅礦的實際應(yīng)用

龐易杰

摘 ?要：井下地壓監(jiān)測自2014年9月開始，到2019年12月止，已經(jīng)獲得了大量的觀測數(shù)據(jù)。利用這些監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以實際有效的了解里伍銅礦各采空區(qū)礦柱、巷道及采空區(qū)地壓活動情況，形成一套完整的監(jiān)測系統(tǒng)，及時準確掌握采空區(qū)周邊圍巖變化情況及井下地壓變化情況完善礦山安全監(jiān)測控制技術(shù)，預(yù)防災(zāi)害事故，確保安全生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：里伍銅礦;地壓監(jiān)測;應(yīng)力計;聲發(fā)射

一、里伍銅礦礦山概況及地壓情況現(xiàn)狀

里伍銅礦床位于松潘甘孜地槽褶皺系的南部邊緣康滇地軸西側(cè)，江浪背斜東南翼近軸部的傾沒部位。礦體產(chǎn)于古生代志留泥盆紀里伍帶的一套泥砂質(zhì)沉積中深變質(zhì)巖中，共有26個工業(yè)礦體，成群出現(xiàn)。礦區(qū)內(nèi)有上、下兩個主礦化蝕變帶，上部礦化蝕變帶主要產(chǎn)在SD12-2（5）和SD12-2（6）中，含A、B礦體;下部礦化蝕變帶主要產(chǎn)在SD12-2（4）中，含D、E礦體。兩礦化帶垂直間距20～400m，平面分布上A、B礦體在南，D、E礦體在北，間距700m。礦體形態(tài)多呈似層狀和透鏡狀，受層間裂隙、次級褶皺、巖層片理、巖性等綜合因素控制，致使礦體形態(tài)也有呈疊瓦狀、分枝復(fù)合狀;垂向上平行重疊，縱橫向上互相超覆;傾向南東，傾角20°～25°。

礦體厚度一般在1～3m之間，變化范圍為0.21～17.43m，平均厚度為2.43m，普氏硬度系數(shù)f=10～12，平均體重3.1t/m3;圍巖普氏硬度系數(shù)f=12～14，體重2.6t/m3。礦區(qū)范圍內(nèi)出露的巖石主要有4種類型，加上礦石共5種巖性。圍巖主要為石英巖、石英片巖、斜長角閃巖、云母片巖;礦石類型主要有致密塊狀、條帶浸染狀、網(wǎng)脈團塊狀等。

該礦由蘭州有色院設(shè)計，采用平硐-盲斜井聯(lián)合開拓。設(shè)計生產(chǎn)規(guī)模25萬t/年，銅金屬量6000t/年。全礦共劃分24個中段，自2860m中段至2400m中段，中段高20m。采用中段壓入式對角通風(fēng)及自然通風(fēng)，自流排水，局部抽水。設(shè)計采用先上盤后下盤、自上而下、自西向東后退式回采，主要運用全面法、房柱法及底盤漏斗崩落法開采。自1994年試采B4礦體至今，里伍銅礦已生產(chǎn)近20年，累計采出礦石600余萬噸，日處理規(guī)模也由500噸/日提升到1200噸/日，截止2013年底，里伍銅礦井下采空區(qū)面積約為69萬平方米，并以每年6萬平方米的速度增加。

隨著開采范圍的增加，井下采空區(qū)不斷擴大并連成片，巖體初始的應(yīng)力平衡狀態(tài)早已被打破，部分采空區(qū)周圍巖體中的次生應(yīng)力已大于巖體的極限強度，導(dǎo)致巖體破裂及巖移活動，頻現(xiàn)各種地壓活動現(xiàn)象，并日趨加劇。目前主要表現(xiàn)為：巖體變形并發(fā)出響聲，礦柱壓裂破碎，礦房頂板下沉斷裂成層狀冒落，底板開裂鼓起，巖層沿弱面順走向或傾向滑移，開拓采切巷道片幫斷頂，地表開裂，山體沿海底溝和江浪溝向崩塌，造成一系列地壓災(zāi)害。

地表懸浮破碎巖體及巖崩堆積區(qū)一直在不斷擴大，江浪溝巖崩區(qū)和海底溝側(cè)巖崩區(qū)在拖泥山尖交匯相連，井下2640～2680中段平巷多處冒頂片幫并造成堵塞，空區(qū)時常自然冒落，現(xiàn)生產(chǎn)中段及回采作業(yè)點頻現(xiàn)冒頂片幫現(xiàn)象，甚至新開采切工程亦出現(xiàn)斷頂片幫現(xiàn)象;地壓巖移活動頻率越來越高，已造成礦山貧化損失加大，給生產(chǎn)中段及整個礦山生產(chǎn)系統(tǒng)構(gòu)成很大的安全威脅，是一個潛在的地壓災(zāi)害安全隱患。

為了防止礦山大范圍巖體冒落或垮塌等災(zāi)害性地壓事故的發(fā)生，保障井下生產(chǎn)安全，建立地壓監(jiān)測網(wǎng)，開展地壓監(jiān)測工作是十分必要的，對保障里伍銅礦安全生產(chǎn)和提高礦山安全生產(chǎn)管理水平，都是十分重要的。

地壓監(jiān)測的目標是：盡可能掌握地表巖層移動規(guī)律和井下巖體穩(wěn)定性的變化情況，對可能發(fā)生的采場地壓災(zāi)害和大面積巖體失穩(wěn)事件進行預(yù)測預(yù)報，以避免災(zāi)害事故的發(fā)生，指導(dǎo)礦山安全生產(chǎn)。

二、地壓監(jiān)測方式及選擇

2.1 常用地壓監(jiān)測方式概述

常用的地壓監(jiān)測方式包括應(yīng)力監(jiān)測、變形（位移）監(jiān)測、光彈監(jiān)測、聲發(fā)射監(jiān)測、微震監(jiān)測和彈性波測試等。

應(yīng)力監(jiān)測就是通過在現(xiàn)場布設(shè)監(jiān)測點，也就是在現(xiàn)場布設(shè)壓力傳感器，礦柱或采場頂板中的應(yīng)力將隨著回采進程不斷變化，壓力的變化引起壓力傳感器中的鋼弦張力發(fā)生變化（弦式傳感器）或液壓的變化，通過壓力表或特殊的讀數(shù)儀，可以確定測點的壓力變化量，從而掌握地壓的變化規(guī)律，可以實現(xiàn)提前預(yù)警的目的。常用的壓力監(jiān)測儀器有鉆孔應(yīng)力計、壓力盒、壓力枕等。

變形（位移）監(jiān)測就是通過在現(xiàn)場布設(shè)監(jiān)測點，監(jiān)測巷道、采場周邊或巖體內(nèi)部隨回采進程變形（位移）的變化情況。位移監(jiān)測主要有機械式和電測式兩種類型。機械式位移計，如多點位移計，通過動點和不動點之間的長度變化，確定巖體或采場頂板的變形量，一般適用于變形量較大的情形。電測式位移計，如差動式多點變位計、弦式鉆孔位移計、頂板離層報警儀（或頂板沉降儀）等，通過弦式或電阻式傳感器，將位移（變形）信號轉(zhuǎn)化成電信號，采用專用的讀數(shù)儀（如電橋等）讀數(shù)，靈敏度高，精度也較高，適宜于小變形的精密測量。

另外，當(dāng)井下存在大面積采礦活動，且埋藏不深時，可能影響上覆巖體甚至地表，因此，可以通過地表沉降觀測，監(jiān)測地表沉降變形的速率，一般采用精密水準儀（如N3）、經(jīng)緯儀（T3）、全站儀等，通過對一系列測點的長期觀測，繪制地面沉降曲線，也可以掌握地面沉降變形規(guī)律。近年來，全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，簡稱GPS）也被用來進行地表位移觀測，但要求的精度要高（目前，采用差分GPS靜態(tài)觀測可以達到毫米級），即使用高精度的GPS儀進行地表巖移觀測，不過單點的觀測時間至少需要半個小時以上。

光彈監(jiān)測實際上是應(yīng)力監(jiān)測的一種，利用特殊玻璃材料在不同應(yīng)力條件下顯示不同的應(yīng)力條紋級別，從而確定應(yīng)力變化的一種應(yīng)力監(jiān)測方法。過去多用于實驗室內(nèi)的應(yīng)力研究，也有用于井下應(yīng)力監(jiān)測的，主要儀器有光彈應(yīng)力計配專用偏光鏡等，測量精度一般不高。此外，目前光彈應(yīng)力計的生產(chǎn)廠家也很少。

聲發(fā)射技術(shù)（AE）用于井下地壓監(jiān)測是利用巖石破裂過程中往往伴隨聲波信號的這一特點，根據(jù)聲發(fā)射事件的強度，判斷巖石破壞程度，確定巖石破裂地點，對大規(guī)模頂板冒落事件提供預(yù)警。國內(nèi)巖體聲發(fā)射技術(shù)的應(yīng)用始于上世紀70年代，我國已有多家單位開發(fā)過相關(guān)的監(jiān)測儀器，目前該項技術(shù)已廣泛應(yīng)用于硬巖礦山的地壓監(jiān)測預(yù)報實踐中，并已積累了大量的較為成功的使用經(jīng)驗。

微震監(jiān)測是利用巖石破裂過程中由于彈性應(yīng)變能的釋放，往往伴隨著彈性地震波的發(fā)生，采用多點監(jiān)測，可對微震事件進行定位，進而確定巖石破裂部位，根據(jù)微震事件的強度，可對大規(guī)模地壓活動提供預(yù)警，特別是對巖爆事件的預(yù)警。一般采用光纖傳輸，可實現(xiàn)24小時全天候?qū)崟r監(jiān)測。

彈性波測試是利用彈性波在巖體內(nèi)的傳播特性來測定巖體的彈性常數(shù)、了解巖體的某些物理力學(xué)性質(zhì)、判斷巖體的完整性和破壞程度等的一種測試方法。由于彈性波在巖體中的傳播速度有某些規(guī)律可循，所以，彈性波測試已較為廣泛地用于采礦和地下工程的地壓觀測中。不過，由于在使用過程中需要有一定的技術(shù)，在一定程度上限制了該項測試方法的應(yīng)用和發(fā)展。

2.2 里伍銅礦地壓監(jiān)測項目和內(nèi)容的確定

里伍銅礦礦體埋藏深度不大，約為20～350m，井下大面積的開采已經(jīng)波及地表，造成地表出現(xiàn)多次塌陷。且由于礦體兩個面出露于陡崖，地表塌陷時往往引發(fā)陡崖崩落，危害極大。為了對地表大面積塌陷進行有效的預(yù)測預(yù)報，需要對地表巖移情況進行監(jiān)測。

地表巖移監(jiān)測也叫地表沉降觀測，一般采用精密水準儀、經(jīng)緯儀和全站儀等，但使用這些觀測儀器時要求地表的通視條件要好，否則需要加密點位，增大工作量。里伍銅礦地表有大量的樹木和雜草，通視條件不佳，近年來發(fā)展的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）受地表通視條件的限制較小，且其測量精度已經(jīng)達到毫米級，按說可使用GPS儀進行地表巖移觀測，但是，GPS靜態(tài)觀測需要的時間過長，動態(tài)觀測的精度又不夠，因而，目前GPS用于地表巖移觀測還不太成熟。相比較而言，全站儀更為合適。

礦區(qū)地層由一套中深沉積變質(zhì)巖系組成。開采范圍內(nèi)出露的巖石（圍巖）主要有4種類型，加上礦石共計5種巖性。4種圍巖分別是石英巖、石英片巖、斜長角閃巖和云母片巖。礦石的普氏硬度系數(shù)f=10～12，圍巖f=12～14。礦石和圍巖的穩(wěn)定性良好，屬穩(wěn)固類型的巖石。除斷裂帶及其兩側(cè)巖石以及近地表風(fēng)化帶需支護外，一般不用支護。

聲發(fā)射技術(shù)（AE）在硬巖礦山的應(yīng)用效果較好。里伍銅礦巖體堅硬，聲發(fā)射現(xiàn)象明顯，適宜采用該種監(jiān)測方法。國內(nèi)巖體聲發(fā)射技術(shù)的應(yīng)用已有40年的歷史，國外的時間更長，目前該項技術(shù)已廣泛應(yīng)用于硬巖礦山的地壓監(jiān)測預(yù)報實踐中，并已積累了大量的使用經(jīng)驗。根據(jù)里伍銅礦的巖體情況，應(yīng)該優(yōu)先使用巖體聲發(fā)射監(jiān)測方法。

壓力監(jiān)測使用的儀器通常有鉆孔應(yīng)力計、壓力盒和壓力枕，但對于礦山巖體而言，一般采用的是鉆孔應(yīng)力計。鉆孔應(yīng)力計最初應(yīng)用于煤礦，由于使用便利目前也廣泛應(yīng)用于非煤礦山中。經(jīng)過多年來的使用實踐，認為鉆孔應(yīng)力計是非常適合金屬礦山的，特別是硬巖金屬礦山。里伍銅礦適宜使用鉆孔應(yīng)力計監(jiān)測。

由于光彈應(yīng)力計精度略低，彈性波測試有一定的技術(shù)要求，而微震監(jiān)測技術(shù)系統(tǒng)復(fù)雜，井下探頭和通訊電纜多，系統(tǒng)維護工作量大，所需專業(yè)水平較高，投資也大，考慮里伍銅礦較復(fù)雜的井下環(huán)境，不利于這些監(jiān)測方法的實施。

根據(jù)里伍銅礦的具體情況，確定其地壓監(jiān)測方針為：井下地壓監(jiān)測和地表巖層移動觀測一并進行;以井下監(jiān)測為主，地表觀測為輔;井下地壓監(jiān)測以巖體聲發(fā)射監(jiān)測為主，應(yīng)力監(jiān)測為輔。

巖體聲發(fā)射監(jiān)測采用DYF-2型智能聲波監(jiān)測多用儀。該儀器由長沙礦山研究院研制，技術(shù)先進，性能可靠，已有多年的應(yīng)用歷史，且使用效果較好。應(yīng)力監(jiān)測則采用常規(guī)的鉆孔應(yīng)力計。地表巖移觀測采用全站儀。

此外，當(dāng)巖體出現(xiàn)明顯的開裂現(xiàn)象之后，可以對巖體裂縫開展宏觀觀測。地壓宏觀觀測通常包括裂縫觀測、聲撞擊和人工聽聲等，可作為儀器觀測的有益補充。

依據(jù)前述地壓監(jiān)測方案制定的基本原則和地壓監(jiān)測方針，確定里伍銅礦地壓監(jiān)測的項目和內(nèi)容如表1-1所示。

三、地壓監(jiān)測在里伍銅礦的實際應(yīng)用

3.1 聲發(fā)射監(jiān)測

根據(jù)里伍銅礦井下條件，聲發(fā)射項目主要采用便攜式的聲發(fā)射儀進行采場巖體穩(wěn)定性監(jiān)測，通過監(jiān)測礦山開采過程中巖體聲發(fā)射參數(shù)的變化情況，進而推斷采場頂板和礦柱的破壞狀況。

進行巖體聲發(fā)射監(jiān)測時，一般是通過與巖體緊密接觸的探頭接收巖音信號。儀器以數(shù)字自動顯示巖音事件總頻度、大事件頻度和能率等監(jiān)測結(jié)果。總頻度是巖體出現(xiàn)微觀和宏觀破裂速率的重要標志，破裂速率增長，總頻度必然激增;大事件占總頻度的比例預(yù)示巖體內(nèi)部應(yīng)力集中的程度及其變化趨勢;能率是巖體破裂速度和尺寸的重要衡量標志，是供綜合分析的一個最基本參量。

實際監(jiān)聽現(xiàn)場作業(yè)中，生技部現(xiàn)場人員攜帶儀器至布設(shè)聲發(fā)射監(jiān)測點。一個監(jiān)聽孔每次監(jiān)聽5分鐘以上，每5分鐘記錄一次結(jié)果。監(jiān)聽時，除記錄巖音頻度外，還應(yīng)注意聲響大小、音色差異以及其它地壓現(xiàn)象，以便綜合分析研究。根據(jù)現(xiàn)場地壓情況而定，通常情況下，15天監(jiān)測一次，若地壓不明顯，監(jiān)測周期可以適當(dāng)延長，若地壓較明顯，特別是當(dāng)能率顯示數(shù)值較大且有跳躍變化時，則應(yīng)縮短監(jiān)測周期，增加監(jiān)測次數(shù)。

為使聲發(fā)射監(jiān)測儀能準確地預(yù)報地壓事件，應(yīng)采用合理的監(jiān)聽網(wǎng)，建立合理的監(jiān)聽制度，堅持長期、連續(xù)、定期的監(jiān)聽，以便獲得預(yù)期的監(jiān)聽效果。

監(jiān)聽現(xiàn)場記錄的數(shù)據(jù)匯總到巖體聲發(fā)射監(jiān)測記錄本，將其填入統(tǒng)計表中，然后可將統(tǒng)計表中的數(shù)據(jù)作成有關(guān)直方圖、曲線圖等。根據(jù)巖體聲發(fā)射監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化趨勢，判斷巖體的穩(wěn)定性狀況。監(jiān)測數(shù)據(jù)明顯趨于上升時應(yīng)作出預(yù)報。

3.2 鉆孔應(yīng)力監(jiān)測

鉆孔應(yīng)力監(jiān)測主要用于測試巷道巖壁及礦柱內(nèi)次生應(yīng)力場的應(yīng)力變化情況，其測試結(jié)果為相對應(yīng)力（即應(yīng)力變化值）。目前用于鉆孔應(yīng)力監(jiān)測的儀器主要有鉆孔應(yīng)力計和光應(yīng)力計兩類。考慮到目前光應(yīng)力計很少生并結(jié)合里伍銅礦生產(chǎn)實際情況，確定采用鉆孔應(yīng)力計。

在實際監(jiān)測現(xiàn)場作業(yè)中，生技部現(xiàn)場人員攜帶應(yīng)力計監(jiān)測儀器至布設(shè)應(yīng)力監(jiān)測點。主要監(jiān)測內(nèi)容為礦柱及巷道（或采場）巖壁次生應(yīng)力場的變化情況，記錄相對應(yīng)力（應(yīng)力變化值）。為方便監(jiān)測需要，一般與聲發(fā)射監(jiān)測周期相同。

監(jiān)測現(xiàn)場記錄的相對應(yīng)力（應(yīng)力變化值）數(shù)據(jù)匯總到地壓監(jiān)測應(yīng)力計記錄表，根據(jù)相對應(yīng)力的變化計算出應(yīng)力增量。通過應(yīng)力變化趨勢，判斷巖體的穩(wěn)定性情況。

3.3 宏觀監(jiān)測

地壓宏觀觀測通常包括裂縫觀測、聲撞擊和人工聽聲等。

（1）裂縫觀測

巖體裂縫觀測是地壓宏觀監(jiān)測的最直接方法，通常用肉眼觀察，也可使用相應(yīng)儀器。地壓來臨前，通常會在其附近產(chǎn)生裂縫，觀察裂縫變化可以最直觀地了解地壓的發(fā)展動態(tài)。可在裂縫處埋設(shè)玻璃片，以便于量測和判斷巖層的移動方向。

（2）聲撞擊

即礦山常用的“敲幫問頂”法。其原理是：巖石受到外來撞擊時，由于振動而發(fā)聲，脫離母體的危巖，其振動頻率較低，發(fā)出的聲音比較沙啞、低沉;而整體巖石則發(fā)出清脆響亮的聲音。

（3）人工聽聲

是我國礦山對地壓進行現(xiàn)場調(diào)查的主要方法之一。根據(jù)聲響的頻度、音量和音色等情況可以判斷地壓顯現(xiàn)的危險程度。巖體破壞時的聲響，根據(jù)湖南錫礦山南礦對地壓觀測資料的分析總結(jié)，大體可分為以下三種情況：① 聲響由疏到密，巖音頻度逐漸增加，并夾雜著零星掉塊，這是地壓顯現(xiàn)即將來臨的前奏期;② 巖音頻度劇增，聲響由清脆炮聲到悶雷聲，掉碴頻繁，這是地壓顯現(xiàn)即將發(fā)生的高潮期;③ 聲響由密到疏，巖音頻度逐漸減小，直到正常狀態(tài)，這是地壓顯現(xiàn)逐漸穩(wěn)定的尾聲期。

（4）觀測周期

地壓宏觀觀測作為基本的重要監(jiān)測項目，可以定期或不定期進行。對于重要的危險地段，一般要求每天查看;對于一般地段，可以不定期地查看，最低巡檢頻率與儀器觀測頻率一致。每次按統(tǒng)一表格填寫巡檢記錄。

四、結(jié)語

為了掌握里伍銅礦地表巖層移動的規(guī)律和井下巖體穩(wěn)定性的變化情況，對大面積采空區(qū)失穩(wěn)事件進行預(yù)測預(yù)報，根據(jù)礦山現(xiàn)場實際情況設(shè)計了地表與井下地壓監(jiān)測方案。由于條件不成熟，未開展地表巖移觀測，只進行了井下地壓監(jiān)測。井下地壓監(jiān)測自2014年9月開始，到2019年12月止，已經(jīng)獲得了大量的觀測數(shù)據(jù)。利用這些監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以實際有效的了解里伍銅礦各采空區(qū)礦柱、巷道及采空區(qū)地壓活動情況，形成一套完整的監(jiān)測系統(tǒng)，及時準確掌握采空區(qū)周邊圍巖變化情況及井下地壓變化情況完善礦山安全監(jiān)測控制技術(shù)，預(yù)防災(zāi)害事故，確保安全生產(chǎn)。

參考文獻

[1] ?《里伍銅礦地壓監(jiān)測報告2019》