某銅礦深部在線地壓監測系統構建

熊國雄，尹東升，周科禮，沈維華，張為星

(1.大冶有色金屬有限責任公司礦業分公司， 湖北 大冶市 435102； 2.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012)

0 引言

某銅礦開采井深已達千米，開采地壓危害預警研究以及現場實際情況表明：埋深1110 m以下的范圍具有發生強烈巖爆的傾向，而-1010 m以上的范圍大部分區域具有中等巖爆傾向。據此，為了有效預防和控制巖爆災害，礦山引入深部在線地壓監測系統，對井下深部巖爆災害進行預警預報[1]。2019年5月30日完成監測系統的安裝，2019年6月15日完成調試，并正式投入生產使用。深部在線地壓監測系統由微震監測系統及應力位移監測系統構成，本文對微震監測系統及應力位移監測系統的技術參數，以及針對礦山深部巖爆災害的防控措施作了較為詳細的介紹。

1 微震監測系統及調試

整個微震監測系統硬件采用2套微震監測分站（采集儀）、總共16個通道，1套微震授時服務器，1套微震數據服務器，10個單向速度型傳感器，2個三向速度型傳感器及對應的速度型信號保真盒，以及配套的遠距離數據通訊設備；軟件采用自主開發的微震系統數據轉發軟件（MDC）、波形實時動態監測軟件（WDM）、采集儀通訊信息轉發軟件（ACC）、采集儀配置軟件（MAC）、微震系統配置與監控軟件（MMC）、微震監測系統信號分析軟件（GMS）、微震監測系統三維顯示軟件（GMD）。

微震監測系統中的采集儀、數據交換中心與微震監測系統服務器間遠距離通訊網絡拓撲結構如圖1所示，采集儀到數據交換機的通信設備為微震專用DSL，實時數據信號通過專用DSL將數據通過交換機匯合后傳輸至-845中段牽引變電所入口的交換機，再將微震數據并入井下工業環網，上傳至地表調度中心的微震服務器，放至-845中段牽引變電所的授時服務器，將時間同步數據信號通過交換機和專用DSL下發至各采集儀。

圖1 微震監測系統網絡拓撲結構

現場安裝調試完成后，地表調度室內的SSS監測服務器運行正常，井下微震監測系統中的1臺授時服務器、2臺采集儀、2臺DSL、2臺數據交換機、12個速度型傳感器均運行正常。

開展微震監測系統小爆破定位試驗，依據爆破試驗數據進行波速校正，得到校正波速為P波：6573.4 m/s；S波：3900 m/s。微震監測放炮調試參數見表1，爆破事件定位情況如圖2所示。

從表1及圖2可以看出，爆破事件具有較好的定位精度，此次爆破定位結果：單方向上精度為15 m左右，空間精度基本在20 m以內。

圖2 爆破事件平面定位情況

表1 爆破試驗事件定位情況

2 應力位移監測系統

整個應力位移監測系統硬件采用3套采集儀，17個鉆孔應力傳感器及配套的鉆孔應力處理器，17 個位移傳感器，以及配套的遠距離數據通訊設備，軟件采用數采軟件（LA90-A01）。

應力位移監測系統中的采集儀臺站、數據交換中心與SSS監測系統服務器間遠距離通訊網絡拓撲結構如圖3所示，-845 m中段3臺采集儀通過專用屏蔽電纜連接至編號1的數據交換機，實時監測數據，再通過以太網并入井下工業環網，然后通過混合井內的工業光纖將監測數據傳輸至地面調度室，最后解碼調取至SSS監測服務器內進行數據的采集與分析。

圖3 應力位移監測系統網絡拓撲結構

現場安裝調試完成后，地表調度室內的SSS監測服務器運行正常，井下應力位移監測系統中的3臺采集儀、17個鉆孔應力計、17個位移計均運行正常。

3 深部巖爆災害防控措施

結合礦山工程實況，提出采用巖爆監測技術與巖爆控制措施相結合的方案來預防并降低巖爆造成的危害[2]。

3.1 巖爆監測手段

實時監測巖體的應力、變形和聲發射特征，則可對該礦山巖爆發生的傾向性進行系統評價[3]。結合礦山工程實況，提出適宜的巖爆在線監測方案為：區域監測與位點監測相結合。區域監測擬采用微震監測系統，以監測巖體內部的損傷破裂情況，位點監測擬采用應力位移監測系統。

在-785 m中段安裝1臺微震監測分站，布置6支速度型傳感器，其中高靈敏度單向速度型傳感器5支，高靈敏度三向速度型傳感器1支。

在-845 m中段安裝1臺微震監測分站，布置6 支速度型傳感器，其中高靈敏度單向速度型傳感器5支，高靈敏度三向速度型傳感器1支；并在該中段布置3臺應力位移監測分站，分為東、中、西監測分站，布置17組應力、位移傳感器。

3.2 監測數據耦合分析及預警

僅憑單一監測方法的結果分析，很難對巖體的穩定性做出準確而客觀的判斷。圍巖應力、位移、微震事件必然存在某種耦合關系，通過對這3種監測結果的融合處理，可以對巖體穩定性演化做出較為準確的判斷[4]。

為了保證后期軟件的二次開發，通過對井下監測數據的長期觀測，運用多種歸納分析手段，經Origin等分析軟件分析研究監測數據之間存在的耦合關系，需進行以下幾類分析：應力-位移變化模式分析；應力-微震變化模式分析；位移-微震變化模式分析；應力-位移-微震變化模式分析[5]。

因監測數據分析對專業技術要求較高，培訓學習和實踐練習周期要求較長，不利于礦山操作人員學習和使用。在分析總結出監測數據之間的耦合關系后，開展對監測數據的預警值研究，并對相應軟件進行二次開發。以此簡化軟件操作的復雜程度，降低操作人員對圍巖穩定性分析及巖爆災害危險性分析的專業性要求。需進行以下幾類研究：應力、位移監測系統的預警值判定；微震監測系統的預警值判定；兩套監測系統的綜合預警值判定；區域危險程度及預警閾值研究[6]。

3.3 巖爆控制措施[7]

（1）優化開拓布置及回采工藝。井巷布置使其盡量沿最大水平主應力方向；嚴格控制礦房尺寸，及時充填采空區；制定合理的開采順序，盡量確保連續開采。

（2）高應力巖體卸壓。選擇打卸壓孔、開卸壓槽或爆破卸壓的方式卸壓，使得高應力集中向巖體深部轉移。采用爆破卸壓時，應嚴格控制炸藥用量，避免對巖體形成較大擾動。

（3）圍巖加固與支護。根據深部圍巖情況選擇“徑向錨桿+素噴混凝土”、“徑向錨桿+鋼筋網+噴混凝土”、“徑向錨桿+鋼纖維噴混凝土”或“型鋼支撐+模筑護壁混凝土”等不同的方案進行圍巖加固。此外，對于有大變形的巖體部位可以考慮采用柔性材料支護。

（4）組織與管理措施。對圍巖情況進行定期檢查；深部開采時，避免爆破排煙后立即安排人員撬毛清渣，應適當降低施工速度并合理進行施工組織；編制應急救援預案等。

4 結論

（1）深部在線地壓監測系統由微震監測系統及應力位移監測系統構成，微震監測系統安裝布置于中段內，經安裝調試后，系統各項技術參數均滿足現場在線監測使用要求。

（2）采用巖爆監測與巖爆控制相結合的方案進行巖爆防治，在線監測系統以區域監測為主，位點監測為輔；區域監測采用微震監測系統，同時布置應力和位移監測系統進行位點監測。根據現場監測結果，可確定具有巖爆發生傾向性的巖體地段，對該地段應采取一定的巖爆控制措施。主要包括：優化開拓布置及回采工藝、高應力巖體卸壓和圍巖加固與支護等。

（3）針對單一監測預警準確性尚不能滿足現場需要的技術難題，確定了耦合分析的方法，研究3種監測數據的耦合關系，提出了“微震應力位移-應力位移動態監測”綜合判定深部巖爆危險區的 方法。