崩落轉充填開采礦山的安全智能化監控預警技術研究

何曉武

(廣西華錫礦業有限公司 銅坑礦業分公司， 廣西 河池市 547207)

0 引言

隨著我國礦山開采深度增加和范圍擴大，普遍呈現出明顯的地應力復雜，地壓監測預警難度加大的狀態，礦山地壓控制和監測技術成為眾多金屬礦山安全生產的技術關鍵。改進監測預警技術，及時和準確地跟蹤并定位事故可能發生的危險區域，適時采取有效措施，是礦山安全、可持續開采及礦山企業生存發展的重要保障。

國內部分大型礦山在難采礦體大范圍開采的地壓監控方面進行了一定的技術研究與實踐，通過充填法開采對采場地壓進行有效控制實現大面積連續開采[1]。在地壓災害監測手段上，早期我國采用的微震監測系統大多數是進口設備，如加拿大ESG及南非 ISS的微震監測系統等[2?4]；近年來，國內學者進行了大量研究，除了采用應力應變觀測等技術手段外，通過自主開發微震監測設備，進行礦山壓力、采空區與礦柱穩定性微震監測[5?7]，如長沙礦山研究院等，開發了多通道巖體聲發射與礦山微震監測系統，應用于礦山地壓與采空區穩定性監測[8]。銅坑礦前期開采復雜采空區環境下產生多種隱患，在銅坑礦92號礦體崩落法轉充填法開采期間，為有效實現安全回采, 需要進行地壓監控和安全回采研究，針對礦山資源豐富但開采條件惡劣的情況，加強地壓管理和安全監測是關鍵。銅坑礦基于綠色礦山建設的發展理念，結合國內外礦山在充填法開采地壓監測方面的技術與經驗，前期進行了相關研究[9?10]。在此基礎上，針對崩落法及空場法嗣后處理空區的復雜情況，通過理論研究和現場試驗，結合井下與地表巖移與井下地壓活動的監測[11?12]，加強地壓監測預警，采取積極有效的安全措施[13]，實施科學有序回采，確保對礦區與周邊環境的擾動限制在可控制的范圍內[14?15]，實現了礦產資源安全高效開發。

1 礦山概況

銅坑礦位于廣西河池市南丹縣大廠鎮境內，自建設投產40年以來，礦區主要開采細脈帶、91號、92號3大礦體。礦區位于上部的細脈帶礦體和91號礦體已回采完，目前主要開采的92號礦體為緩傾斜似層狀厚大礦體。細脈帶礦體早期主要采用崩落法開采；91號礦體主要采取充填法開采，其大部分區域已進行膠結充填；91號與92號礦體有較大部分重疊區域，其間有圍巖隔離。92號礦體開采范圍將近1 km2，因前期主要采礦方法為組合式崩落法、留連續礦柱空場法，嗣后處理空區。92號礦體前期開采主采取人工崩落頂板、自然崩落或廢石充填，近年來92號礦體大部分區域逐步轉為采用廢石和尾砂膠結充填。

92號礦體主要開采區域采高達30m～50m以上，部分崩落頂板圍巖或用廢石充填，隨著開采范圍的不斷擴大，在沒有全面實施空區充填的情況下，空區周邊形成高應力集中區，隔離礦柱因地壓活動或爆破影響被破壞，若地壓控制不當，則可能產生垮塌沖擊，對井下作業及地表造成嚴重危害。由于盤區開采已形成很大的采動范圍，近期地壓活動顯現的區域有五盤區北面、深部201#線與202#線附近等，其中五盤區地壓趨向穩定、355中段202#線盤區礦柱應力集中明顯，440m 201#線盤區礦柱北面礦柱呈塑性變形逐步發展的趨勢。為保證采礦生產持續運行和后續礦量正常供給，加強了92號礦體采空區治理與地壓監控。

2 地壓監控技術路線

在銅坑礦92號礦體前期開采區域有部分空區未充分處理，余下千萬噸礦石資源若繼續采用空場或崩落法均難以回采，甚至可能引發大面積地壓活動，加劇礦石資源的損失。因此，需要改為充填法，在過渡期內關鍵區段先膠結充填，加強監控預警，有步驟地回采周邊積壓的礦石，為資源接替和持續發展創造條件。需要在理論分析和現場監測的前提下，有規劃有步驟地進行優化充填回采。實現連續性開采及保護性安全開采智能化監控，主要采用國產化和多數據融合的創新技術，有步驟地實施空區充填處理，對充填體穩定性進行理論分析和現場監測，結合井下地壓監控與巖層移動監測預警信息，提出有效的災害防治措施。

基于國內外礦山在崩落法轉充填法開采地壓監測方面的技術與經驗，進行有效的地壓管理和安全監測是技術關鍵，尤其在礦山崩落法和空場嗣后充填的過渡期，應強化開采地壓災害監測，加強地表巖移與地壓活動的監測，采取積極有效措施，確保安全。出于對充填體穩定性及地壓優化控制效果監控的需要，對于92號厚大礦體及多層采空區的充填處理及地壓監控技術需要深入研究，采用與國內膠結充填工藝配套且符合礦山技術條件的監控技術，從現場實際出發，研發和改進監控預警手段，深入開展采場地壓監測，根據監測結果針對性地提出切實可行的安全技術措施。

地壓監控與分析的基本技術路線：通過對開采區域進行工程地質調查，對圍巖穩固性進行評價，建立數值計算模型，對不同采場結構參數情況下的頂板和礦柱穩定性進行計算分析，進行開采過程中圍巖與充填體穩定性模擬，進行地壓活動區域預測分析和地壓災害預警，提出相應的安全對策與監測防護措施。

3 智能化監測與分析技術

采空區微震監測、巖層與礦柱穩定性監測、圍巖高應力高溫影響區域誘發巖體失穩危害等危險因素的監測監控，盡可能采用智能化監測設備和先進的綜合分析方法。

針對銅坑礦崩落轉充填法過渡期開采復雜環境條件，開展安全智能化監控預警工作，重點解決了以下幾項關鍵性的問題。

（1）監測信號接收問題。由于環境影響，信號傳輸易受干擾，通過對信號波的濾波降噪處理，實現了對礦區微震與地壓活動監測預警。

（2）多數據融合分析問題。針對礦井下傳感器分布范圍廣、監測數據多樣化的情況，提出地壓監測系統和地震監測臺網等多源數據的融合技術，構建多數據分析預測模型，對所收集的信息進行有效性識別和融合，實現綜合分析和險情判別預警。

（3）多災源環境條件下監測預警。針對井下多層空區和震源信號傳播復雜的特點，通過對信號波的波形、頻譜和能量、地震距等綜合分析，形成了多災源作業環境災源定位協同分析系統，提高了定位精度與可靠性。

此外，通過GPS 技術建立了地表巖移控制網，進行地表巖移監測，有效監控礦體開采與充填前后巖層移動及地壓活動的變化情況，監測預警技術得到了系統的發展。

根據銅坑礦技術條件和實際情況，進行了監測預警技術開發與改進。（1）加強圍巖充填體-圍巖應力監測，增加南北方向和東西方向監測網線，找出應力分布和地壓轉移規律。（2）增加井下全站儀器監測以提高位移、水準測量效率；增加收斂監測，頂底板移近量監測。（3）加強鉆孔位移及鉆孔電視（窺視儀）監測。（4）適當增加聲波測試手段。（5）設置充填體內聲發射探頭，結合應力-應變綜合監測分析。為了更方便有效地監控地壓活動，為提高監測精度，采取在現有監測網的基礎上，增加網絡授時器的方案，進行聲發射監測系統的聯網監測，通過采用專線改進同步授時精度，優化網絡，實現定位與預警。同時，將應力在線監測系統、頂板位移在線監測系統接入“地壓監測系統”中，建成綜合性地壓監測網絡，通過光纜與地面監測室電腦連線，實現遠程連接，實現多種數據的實時監測與分析。

針對厚大礦體充填開采過渡期地壓控制與監測優化研究，采取以上方法，優化監測系統，針對微震監測需解決的技術難點：噪聲濾置、智能波普分析、高精度定位計算、地震波與聲發射頻譜等多指標綜合分析，研發了自燃和破碎條件下礦井微震監測預警技術，解決了在信號準確采集和自動去噪等方面的關鍵技術問題，改進了自燃和破碎條件下礦井微震監測預警系統，建立了礦山地壓與微震在線遠程監測系統，開展了井下巖體聲發射及微震監測、巷道變形觀測、地表巖移觀測、多種氣體檢測、溫度檢測、近震監測等。已在井下505、455、405、355、305等中段建立了地壓監測硐室，現場安裝并在線運行6套聲發射監測定位系統，通過專用光纜把監測數據實時傳輸至地面監控中心進行分析處理，實現實時預警。

開發并應用地下多層空區礦井多數據融合預警技術：對所收集的信息進行狀態的統一、選擇和剔除、分類和融合，進行智能化分析處理，從而達到綜合準確判斷對象的效果。針對自燃、破碎礦井震源信號中夾雜著噪聲信號，首先提出了自適應去噪分析方法，并通過對微震信號進行分解，得到高頻和低頻兩部分信號，對分解得到的各階固有模態分量求出能量和能量熵值。多組數據采集及數據預處理與數據融合方法，在融合前需要對傳感器測量的數據進行有效性判斷。現采用群體支持度方法對采集數據做有效性判斷，將無效異常數據剔除，不進行數據融合，對各子系統收集到的數據進行融合處理，通過對融合結果的綜合分析得到最終的災害狀況。結合多數據融合進行危險預測，見圖1。

4 監測預警效果

銅坑礦地壓監測系統主要設備為STL-12型聲發射監測定位系統，目前地壓監控網絡由6套子系統組成，在井下各采區及周邊布置有多個聲發射監測點，監測范圍從505m至305m水平。由各子系統（子系統1～子系統8）組成監測系統，各中段監測基站由各子系統組成24通道及36通道同步監測，各子系統也可單獨監測。通過研究改進方法，在利用局域網情況下，安裝同步授時系統，實現兩基站之間的同步聯網，大大提高了監測精度。銅坑礦3大礦體開采范圍大，開采難度大，地壓監測設備配置要求高。近年來，針對復雜開采環境條件，開發整體安全控制與監測預警技術，采用覆蓋礦區全部生產區域的地壓監控系統，結合巖體應力、位移等多種監控手段實現綜合監測，對全礦區域有效實施了安全監測。目前主要采用多監測網站聯網監測，將多個系統組成整個礦區地壓監測網絡，實現遠程實時在線監測。地壓監測系統聯網示意如圖 2所示。

圖1 多數據融合分析進行危險預測示意

圖2 地壓監測網示意

（1）采空區圍巖與礦柱穩定性監測監控。已建成可實現全天候監測的通道總數達72通道的聲發射與微震監測預警系統，應用關鍵技術進行多種手段的去噪聲處理和自動識別有效信號，隨時掌握井下地壓活動動態。通過在前期研究基礎上改進和完善監測方法，逐步落實監測方案，主要針對采空區危害，重點監控主要采礦工程、礦柱破壞及頂板冒落等危險區域，對地壓活動進行監測分析和預警。

（2）采區地壓活動監測預警。通過采取多種監測手段對92號礦體充填開采過渡期地壓進行了全面監控。

對92號礦體二盤區等區域監測預警與預測分析：二盤區T2-1?T2-3采區自開采來頂板逐漸出現冒落，從連續跟蹤監測情況看，2019年上半年地壓顯現一直呈緩慢發展狀態，10月底受擾動等因素引起局部的頂板散體冒落，未造成對92號礦體生產區域影響，除局部有應力調整出現聲發射現象外，地表塌陷區沒有出現新的陷落。地壓監測數據結果表明，由于銅坑礦采取了采空區治理和封閉等措施，圍巖相對穩定，但要注意預防垮落區可能受其他因素影響松動后，引起的較大范圍的聯動破壞，另外，需針對垮落區周邊區域可能出現的高溫、有害氣體做好防護措施，并加強地表塌陷區煙氣治理。

圖3 405m 206#線T611-T610應力計應力變化曲線

對盤區礦柱的地壓監測分析：由于92號各盤區前期主要采取單元崩落和空場嗣后充填，前期二盤區與四盤區附近發生地壓活動，致使204#盤區礦柱等地段應力集中，造成運輸聯道等壓裂破壞，為此采取了相應的監控預警及對采空區優化充填等地壓治理措施。根據地壓監測結果分析，2019年四盤區、六盤區北部等采場回采，加之采空區充填滯后，現部分礦柱應力升高，四盤區、六盤區與204#線、206#線等區域巖體聲發射與微震事件劇增，應力升高，出現采空區附近局部地壓活動，造成該區域405m與355m等水平巖層破壞，運輸巷道多處壓裂。2019年，六盤區南部T611-T610附近12#及14#等應力計出現應力升高現象，如圖3所示，現場發現該區域附近巷道局部邊壁壓裂破壞。

根據監測預警情況，采取了膠結充填等措施，重點治理四盤區、六盤區關鍵區域采空區后，實施有效的巖層控制措施，抑制了地壓活動的進一步破壞。地壓監測系統監測結果顯示，2019年底以來，巖體聲發射事件率由高降低，如圖4所示；204#線盤區礦柱附近應力逐步往外圍轉移，頂板圍巖下沉速度變緩，如圖5所示。

根據安全生產需要，銅坑礦逐步建立與基本完善了地壓監測預警制度，應用現有技術手段較好地對92號礦體開采區域不斷變化的地壓現象實施了動態跟蹤和監控預警。應用聲發射與微震監測技術，提出了監測預警指標，多次對礦山安全開采進行了多次監測預警和應急指令，采取了有效的安全措施，確保了生產安全。

圖4 地壓監測系統206#線附近測點聲發射事件率

頂板沉降監測如圖5所示，監測結果表明：巷道頂板水準測量下沉20mm～50mm，明顯出現地壓活動；礦柱整體位移（礦柱內巷道頂板下沉）達到50mm～100mm則出現加速破壞；頂板下沉200mm以上，則加劇垮落，礦柱大部分發生屈服和塑性破壞。由于及時反饋了地壓活動監測情況，并采取了一系列有效措施，暫緩四盤區南部的開采，采取廢石加部分膠結充填治理了四盤區等區域采場，取得較好效果。

此外，結合大廠礦區現有8個基站共24通道的地震臺網，在銅坑礦建立了監測中心，將地壓監測系統與大廠礦區地震監測臺網監測數據融合，將礦區地震臺網監測到的周邊微震活動與礦山開采地壓監測數據相結合進行綜合分析，采取多套監測設備相互補充進行監測預警和加強安全警戒等相應措施，取得了較好的預警效果。

根據地壓監控反饋的信息，銅坑礦井下采取了尾砂膠結充填，對主要采空區進行了治理，采區周邊地壓活動情況得到了緩解。

圖5 505m水平204#線頂板沉降監測曲線

5 結論

（1）針對廣西華錫礦業有限公司銅坑礦業分公司礦產資源豐富但開采條件復雜的特點，構建了智能化地壓監測與分析系統，通過對信號波的濾波降噪處理，實現了對礦區微震與地壓活動的實時預警監測。

（2）通過地壓監測系統和地震監測臺網數據分析，能及早發現震源位置和危險區域。

（3）利用多數據融合算法，建立了地下多層空區礦井多數據融合的預警模型，通過應用該技術，實現了礦山動力災害預警，避免了地壓活動和微震事件對采礦生產的影響。

（4）在生產實際中，對201#線盤區礦柱及T2-1?T2-3等區域地壓活動進行了監測預警，及時采取了有效的防范措施，確保了井下人員作業和設備安全，在多災源礦井復雜條件下，實現了地壓活動實時監測和準確定位，為礦山安全生產高效和可持續發展提供技術支撐。