地壓在線監測在卡房1-9礦體中的應用及分析

孔學偉，彭朝智，楊八九

(1.云南錫業股份有限公司，云南 個舊 661000；2.云南亞融礦業科技有限公司，昆明 650093)

礦山地壓是一種很常見的地質災害，其顯現方式是在地下開采過程中，不斷出現采場冒頂、礦柱、巷道變形破壞、采場結構破壞、斷層錯動及地表塌陷和建筑物破壞等現象[1-2]。應力、應變、位移是地壓顯現的主要特征，其變化規律在采動過程中較為復雜，與采場布置形式、礦體賦存條件、采場結構參數、回采順序等都密切相關，所以監測系統的構建是非常復雜的，但有關巖體應力應變狀態的有價值的結論通常可用較直觀的傳感器得到，位移和應力兩個基本物理量均可以通過現場監測得到[3-5]。根據現場監測數據，分析不同開采階段巖體應力應變的變化特征，從而對開采過程巖體穩定性進行評判。

卡房1-9礦體多年來一直采用普通全面法開采，采場內形成了很多大小、形態不一的點柱及空區，隨著開采的不斷進行，空區范圍不斷擴大，應力也逐漸增大，當現場實際應力超過礦巖體自身的強度時，大部分礦柱將出現失穩破壞，失去支撐作用，從而導致空區頂板的冒落[6-7]。因此，為了弄清楚該礦體不同開采時期應力應變的變化特征，結合現場實際，對部分地壓顯現特征較明顯的區域進行現場地壓監測，掌握回采過程中礦柱、頂板的受力狀況，對存在安全隱患的區域及時處理，確保礦體開采過程的安全。

1 地壓監測的內容

隨著開采的不斷深入，礦巖體原始平衡應力遭到破壞，出現新的應力集中，當現場實際應力超過礦巖體自身的強度時，大部分礦柱出現失穩破壞，失去支撐作用，從而導致空區頂板的冒落。為了掌握回采過程中礦柱、頂板的受力特征，在現場調查、有限元分析及礦柱力學穩定性分析的基礎上，考慮直觀、便捷、經濟等因素，采用頂板下沉拉繩位移傳感器、礦柱變形拉繩位移傳感器及鉆孔應力傳感器對卡房1-9礦體頂板、礦柱的穩定性進行監測。并對整套監測系統及組件進行了研發。

2 地壓監測系統簡介

礦山地下開采中，房柱采礦法會形成較大暴露面積和暴露空間，回采作業過程中人員、設備均需進入采場，安全隱患極大。該地壓監測系統針對現場礦柱開裂，頂板冒落等現象提供檢測手段及方案。

整個在線監測系統由傳感器(頂板下沉拉繩位移傳感器、礦柱變形拉繩位移傳感器、鉆孔應力傳感器)、數據采集站、無線模塊、通信端、上位機、RS485總線和計算機監控中心等組成，系統工作原理見圖1。

圖1 系統工作原理圖Fig.1 Schematic diagram of system operation

各數據采集站點采集的相關數據，通過通信接口及無線信道傳送到上位機，經處理后，可實時顯示礦柱變形位移、頂板下沉位移及鉆孔內應力變化相關參數，并存儲。

3 監測設備的安裝

3.1 頂板下沉拉繩位移傳感器

將拉線式位移傳感器3安裝于安裝板6上，再將安裝板6固定于采場或巷道底板2上，將拉線式位移傳感器3的拉線外端頭連接于拉繩4的一端，拉繩4的另一端固定連接在錨頭7上(若采場或巷道空間高度較多地小于拉線式位移傳感器3本身的量程，可不需另配拉繩4，而直接將拉線式位移傳感器3的拉線外端與錨頭7固定連接)，錨頭7錨固于采場或巷道頂板1上的錨頭安裝孔8中，5為拉線式位移傳感器電源輸入及信號輸出線。具體安裝見圖2。

圖2 頂板下沉位移傳感器安裝示意圖Fig.2 Schematic diagram of roof subsidence displacement sensor installation

由于該裝置利用了拉線式位移傳感器3的拉線自動回縮功能監測頂板下沉位移，因此，裝置安裝時應使拉線式位移傳感器3拉線的初始狀態為拉出一段的狀態，其初始拉出長度應大于待監測頂板在可能的跨塌前的可能下沉量。

3.2 礦柱變形拉繩位移傳感器

將拉線式位移傳感器3固定于點式礦柱1的適當高度和徑向位置，在點式礦柱1的相應高度上用拉繩2環繞礦柱，并將其一端與拉線式位移傳感器3的拉線外端相連，拉繩2的另一端頭固定于礦柱上。環繞于礦柱上的拉繩全長應盡可能地與礦柱接觸。為減少拉繩與礦柱的摩擦，可于整個拉繩長度上套以塑料管或在拉繩與礦柱的接觸段(點)套以塑料管，4是位移傳感器電源輸入及信號輸出線。具體安裝見圖3。

圖3 礦柱變形位移傳感器安裝示意圖Fig.3 Installation diagram of pillar deformation and displacement sensor

3.3 鉆孔應力傳感器

將連接好的承壓液壓(或氣壓)球2和連接管3置入事先鉆鑿好的鉆孔1中設定位置，打開三通閥5，用電動加壓泵，通過三通閥，注入設定初始壓力的液體(或氣體)，關閉三通閥，連接壓力變送器4的電纜信號線8(插入)。監測過程中，通過壓力變送器4將應力變化情況轉換為電信號供后續二次儀表或數據采集系統處理。6是高壓連接管，7是電動加壓泵，具體安裝見圖4。

圖4 鉆孔應力計傳感器安裝示意圖Fig.4 Schematic diagram of borehole stress meter sensor installation

4 地壓監測對象

由于云錫卡房1-9礦群范圍較大、中段較多，且采場內不規則礦柱較多，在現場調查、數值模擬、力學模型對采空區、礦柱穩定性研究的基礎上，結合采場工程布置、采場結構、現階段主要生產區域等，選取1800～1870中段6個地壓顯現特征較明顯區域的礦柱及空區頂板作為監測對象，每個區域包括礦柱變形位移(上中下三個點)、頂板下沉位移、鉆孔應力變化，各區域共計30個監測點。各區域數據采集站點采集的相關數據，通過通信接口及無線信道傳送到計算機，經處理后，可實時顯示礦柱變形位移、頂板下沉位移、鉆孔應力變化及聲發射相關參數，并存儲。計算機安放位置及6個監測區域位置見圖5。井下地壓監測站及現場部分監測儀器安裝后照片見圖6。

圖5 計算機監控中心及6個監測區域位置圖Fig.5 Location map of computer monitoring center and 6 monitoring areas

圖6 地壓監測站及現場部分監測儀器安裝后照片Fig.6 Photos of ground pressure monitoring station and some on-site monitoring instruments after installation

5 監測儀器數據處理及分析

5.1 頂板下沉位移數據處理分析

由于現場施工條件限制，僅在2、5、6號區域頂板上布置了下沉拉繩傳感器，根據需求，對各監測點7個多月礦柱的位移變化趨勢進行了分析。從圖7監測數據來看，2號區域頂板最大下沉量為0.283 mm，5號區域頂板最大下沉量為0.804 mm，6號區域頂板最大下沉2.187 mm。所以從三個區域監測數據來看，頂板整體位移變化較小，最大下沉量僅為2.187 m，不會出現大的垮塌，頂板整體處于穩定狀態。

圖7 頂板位移傳感器位移-時間變化曲線圖Fig.7 Displacement-time variation curves of roof displacement sensor

5.2 礦柱變形位移數據處理分析

從圖8監測數據來看，1號礦柱變形量最大為2.382 mm，2號礦柱最大變形量為0.503 mm，3號礦柱最大變形量為1.186 mm，4號礦柱最大變形量為1.914 mm，5號礦柱最大變形量為0.698 mm，6號礦柱最大變形量為3.712 mm。從六個區域礦柱變形監測數據來看，所有礦柱變形量都比較小，最大僅為3.712 mm，所以礦柱不會出現大的破壞，整體處于穩定狀態。

圖8 礦柱位移傳感器位移-時間變化曲線圖Fig.8 Displacement-time variation curves of pillar displacement sensor

5.3 鉆孔應力計數據處理分析

監測過程中，通過壓力變送器將應力變化情況轉換為電信號供后續二次儀表或數據采集系統處理，軟件開發過程中，系統內部已將數據直接轉換應力值。因此，計算機度數即為應力計傳感器在礦柱內部所受的應力。由于現場打孔設備限制，僅在3、4、5、6號礦柱上安放了鉆孔應力計。從圖9可以看出，除3、4、5號礦柱在某個時間點出現波動外，其余時間段鉆孔內傳感器受力比較均衡，沒有出現波動或持續增長的趨勢，整體監測到的應力變化絕對值小于0.315 MPa，說明這段時間開采過程應力沒有持續增長，而是趨于平穩，礦柱整體是穩定的。

圖9 鉆孔應力計應力-時間變化曲線圖Fig.9 Stress-time variation curves of borehole stress meter

6 結論

1)兼顧經濟性、靈敏性、簡便性和可靠性的原則，采用頂板下沉拉繩位移傳感器、礦柱變形拉繩位移傳感器及鉆孔應力傳感器對卡房1-9礦體頂板、礦柱的穩定性進行監測。并對整套監測系統及組件進行了研發。

2)在現場調查、數值模擬、力學模型對采空區、礦柱穩定性研究的基礎上，選取1800～1870中段6個地壓顯現特征較明顯區域的礦柱及空區頂板作為監測對象。

3)通過監測區域空區頂板、礦柱位移和應力變化的監測及分析，認為空區頂板、礦柱位移最大變形量僅為3.712 mm，且礦柱最大應力變化絕對值僅為0.315 MPa，頂板和礦柱不會出現大的破壞，整體處于穩定狀態，為礦山后續開采的生產安全提供了理論和技術支撐。