聲發射在線地壓監測系統在東柏樹礦的應用*

王亞軍，李向東, ，李強

(1.長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 長沙 410012；2.金屬礦山安全技術國家重點實驗室，湖南 長沙 410012)

0 引言

近年來，為了確保礦山經濟效益，滿足生產任務要求，東柏樹礦部分采場開采完畢后未能及時進行充填，采空區暴露時間長，礦體上盤圍巖受地應力及開采擾動影響，采空區頂板發生了一定程度的冒落，部分未處理采空區的頂板及兩側的礦柱也存在一定程度的破壞，采空區頂板垮塌，礦柱失穩，導致相鄰采空區互相貫通，礦山存在較大的地壓災害隱患。

隨著礦山開采深度的增加，應力水平不斷增大，由于受開采擾動及斷層的影響，采空區面積不斷加大，采空區頂板巖體存在繼續冒落的風險。突然冒落產生的巖石沖擊和氣浪會影響井下作業人員及設備安全，再加上空區頂板巖體冒落時間及冒落規模的不確定性[1-3]，空區上覆巖層及周邊礦柱給礦山安全生產造成了極大的威脅。

1 地壓監測的必要性

東柏樹礦開采深度超過1000 m，368 m 中段及以上各個中段大部分礦石資源已經開采完畢，只留下了一些頂底柱和間柱以及貧礦資源，現在只在零星區域進行殘礦回收，深部還有大量礦石資源待采。318 m 中段、268 m 中段、218 m 中段及188 m中段這4 個井深生產中段為東柏樹礦如今主要的供礦中段。雖然井下采空區群暫時處于相對穩定狀態，但是隨著時間的推移和后續礦體的回采，局部可能會產生小規模冒頂現象，會對礦山安全生產造成一定的威脅，故應盡快對井下采空區制定治理措施[4-5]，妥善進行處理。

隨著生產的進行，在采空區未處理前礦山生產安全隱患大，亟需開展井下地壓在線監測系統建設，為井下重點生產區域可能產生的地壓災害活動進行預報預警，保障井下安全生產。

由于淺部開采區域采空區數量多、規模較大，存在大跨度多中段疊層空區現象，垮冒風險高，且部分相鄰空區之間的礦柱已經失穩垮塌，空區之間已貫通。由于礦柱垮塌連帶破壞了采空區周邊主要運輸通道，這部分貫通采空區現已無法進入現場查看，淺部開采區域暫時大多進行殘礦回收作業，生產采場不集中，作業人員較為分散，若在這部分區域安裝地壓監測系統，則地壓監測探頭安裝較為分散，且現場維護工作復雜，難以保證監測效果。而東柏樹坑口深部開采區域礦產資源豐富，生產采場集中，生產作業人員較為密集，大部分采場最近才開始生產，且嚴格按照設計規范布置采場，采場結構尺寸合理，頂底柱和間柱均保存完好，采空區及其周邊巷道暫時穩定，為地壓監測設備的安裝創造了良好的客觀條件[6-7]。

現階段東柏樹礦充填站正在建設當中，深部開采區域由于沒有采取較好的采空區治理措施，隨著生產的進行，采空區的暴露空間和暴露時間將進一步加大。深部開采區域地應力大，地壓活動將更為頻繁，為了預防地壓災害事故發生，保障井下人員及設備安全，需要在深部開采區域安裝地壓在線監測系統，對該區域開采過程中發生的地壓災害活動進行預報預警。

應急管理部在《非煤礦山領域遏制重特大事故工作方案的通知》《金屬非金屬礦山“六打六治”打非治違專項行動方案的通知》《非煤礦山安全生產“十三五”規劃通知》等通知中都明確提出：開采深度超過800 m 的地下礦山必須安裝地壓在線監測系統[8-10]。

綜上所述，東柏樹礦深部開采區域必須安裝地壓在線監測系統。

2 地壓監測方案設計

2.1 井下監測總體目標及原則

2.1.1 監測總體目標

通過建立東柏樹礦深部開采區域地壓在線監測系統，對礦山井下318 m 中段、268 m 中段、218 m 中段和188 m 中段的采空區和礦柱穩定性情況進行長期監測，為深部開采區域礦石資源安全回采及開拓工程的安全施工提供技術與科學理論支撐。

2.1.2 監測總體原則

（1）地壓監測應為礦山深部開采區域安全回采及開拓工程服務。東柏樹礦368 m 中段及以上各個中段的大部分礦石資源基本開采完畢，現在部分區域正進行殘礦回收，礦山現已轉入深部開采階段，主要供礦中段為318 m 中段、268 m 中段、218 m 中段和188 m 中段。深部開采區域地應力大，為保證深部開采區域的生產安全，需對東柏樹礦318m中段及以下各個中段的采空區及礦柱開展在線地壓監測。

（2）安全隱患大的區域優先監測。對東柏樹礦深部開采區域的地壓活動進行監測和預測是整個項目的研究重點，目前深部主要開采中段為318 m 中段、268 m 中段、218 m 中段和188 m 中段，該區域暫未發生較為明顯的地壓顯現現象。隨著開采深度的增加，地應力隨之增大，該區域內礦石資源的回收及開拓工程的施工對相鄰采空區帶來的開采擾動影響缺乏量化的評估指標，因此，為了盡快給深部開采區域的安全生產提供技術支撐，采空區連續分布安全隱患較大的區域需要優先監測。

2.2 監測方法

對礦山進行地壓監測的方法有很多，國內金屬礦山普遍采用應力和位移監測、多通道聲發射、微震（AE/MS）監測其中的一種或多種手段同時實施[11-12]，采用多種地壓監測方法對礦區的地壓災害進行預警，指導礦山采取正確、及時的災害控制措施。通過對比應力和位移監測系統、多通道聲發射監測系統以及微震監測系統的監測原理與實際應用情況，立足于東柏樹礦地質條件、開采現狀等情況，初步確定以下3 種在設備、技術和組織管理上可行的地壓監測方案。

3 種地壓監測方案的優缺點見表1。

表1 地壓監測方案優缺點比較

從表1 可以看出，方案一的建設投入最少，監測方案也較為簡單，但考慮到該方案的監測范圍小，無法實時監測，每天或者隔一天就得去監測元件安裝地點收集數據，耗費人力且存在安全隱患，故不予考慮。東柏樹礦地壓監測方案宜從方案二和方案三中進行選擇。

方案三與方案二相比較，方案二所能達到的監測效果方案三都能滿足，而且監測效果更佳，數據的分析處理也更為快捷，但是方案三動輒百萬以上的設備購入費用，前期投資太大，整體投入成本大概為方案二的2～3 倍，后期維護運營的成本較高，且方案三的系統及軟件為全英文界面，上手難度大，操作不方便。因此，從經濟及實用性兩方面來考慮，方案二比方案三更有優勢。

基于上述分析，為實現本次地壓監測的目的，結合監測總體原則和礦山回采、開拓現狀需要，決定選用“多通道聲發射監測”的監測方案，實時對東柏樹礦深部開采區域采空區和礦柱的地壓變化狀況進行系統監測、分析和預測預報[13-14]，從而為礦山深部礦產資源的安全回采和深部開采區域開拓工程的安全施工提供技術支撐和決策依據。

聲發射在線監測方案設計的基本技術路線為：現場調查與監測方案的制定→地壓監測網建立（設備儀器采購、安裝與調試）→實時監測數據分析→預測預警。

2.3 多通道聲發射監測系統

根據東柏樹礦深部開采區域地壓在線監測的總體目標，結合國內外在多通道聲發射地壓監測方面的有關技術，開展地壓監測方案設計。

為了實現對東柏樹礦深部開采區域地壓災害活動的預報和預警，在東柏樹礦深部開采區域建立一套全數字型多通道全波、寬頻帶聲發射監測系統，將監測數據由井下監測硐室輸送至地表監控室進行處理分析。該系統包括聲發射信號拾震（通過埋設的聲發射傳感器實現）、信號采集（在井下建立聲發射監測硐室）和計算機監控三大部分。該系統可實現信號的遠程輸送，計算機監控室建在地表。地壓監測系統部分操作頁面見圖1。

圖1 地壓監測系統部分操作界面

2.3.1 系統傳感器布置

為確保能實時觀測到深部開采區域采空區及礦柱的穩定性情況，保障地壓災害事故不會對井下生產人員、設備及主要生產系統造成安全威脅，提前對失穩采空區及礦柱實現預警預報。根據聲發射地壓監測探頭的性能及在類似礦山條件下所能覆蓋的范圍，結合東柏樹坑口深部開采區域地質情況及開采現狀，設計在318 m 中段、268 m 中段、218 m中段脈外運輸巷及部分穿脈內布設聲發射地壓監測探頭，對318 m 中段、268 m 中段、218 m 中段和188 m 中段的重點采空區和礦柱穩定性情況實施在線監測，傳感器坐標位置見表2。

表2 傳感器坐標位置

2.3.2 系統儀器設備清單及投資估算

結合東柏樹礦深部開采區域開采技術條件及開采現狀，該區域采空區和礦柱地壓監測選用多通道聲發射監測進行設備選型及預算，具體設備及預算金額見表3。

表3 多通道聲發射監測設備及預算

2.3.3 系統安裝主要輔助工程

多通道聲發射監測傳感器利用礦山現有的巷道工程，通過在巷道內施工緩傾斜鉆孔及施工監測硐室，安裝在預定位置，鉆孔直徑為42 mm，鉆孔深度為2.5～2.8 m，監測硐室的尺寸為3m×3m×2.5 m。

3 聲發射地壓監測數據分析

3.1 信號辨識方法

開展地壓監測相關工作時，必須熟練辨識監測到的信號，針對監測目標剔除噪音，提取有用信號，為進一步的巖體穩定性和地壓災害評價提供基礎數據。

根據監測操作人員的經驗、設備的性能和對軟件功能的分析，可對聲發射信號進行辨識和分析。應充分利用操作人員的經驗，根據不同信號發生時間、地點、總事件數、大事件數等特征來辨識并區別不同信號，同時也應充分了解井下生產現狀，結合生產實際情況和人員工作安排，合理區分人員及設備活動產生的信號，以及監測到的巖體自身地應力信號。

3.1.1 經驗方法

經驗方法是監測人員根據自己在長期監測分析中積累的經驗來辨識監測信號。這種經驗既包括對接收到的信號本身的認識，也包括對井下實際生產情況的了解[15-16]。實際上經驗方法是一種非常有效的綜合分析方法。經驗法是在監測的同時及時分析監測到的事件，根據所獲得監測事件的時間和空間位置，結合井下實際生產作業情況進行辨識。

3.1.2 理論分析法

理論分析是借助于對巖石破裂性質、震源機理、不同震源的波動特性，對信號的波形、頻率和能量進行分析，確定監測事件的類型。本次聲發射地壓監測所用系統后臺對聲發射所測波形和頻率進行了預處理，監測數據的表現為總事件數和大事件數數據統計。一般而言，理論分析在時間上都滯后于實際監測，它是在經驗法難以區分時采用的方法。

3.1.3 綜合分析方法

在實際應用中，單純采用上述的某一種方法有時不易對聲發射監測信號進行區分，而采用綜合分析方法有助于對聲發射監測信號進行更有效的辨識[17-18]。該方法就是采用經驗與理論相結合的方法，兩者之間相互彌補，達到區分信號的目的。

3.2 聲發射地壓監測數據及地壓活動分析

對東柏樹礦深部的318 m 中段、268 m 中段、218 m 中段分別監測聲發射地壓數據，此次聲發射地壓監測數據記錄從2021 年7 月1 日開始，2021年9 月30 日結束，地壓監測系統在監測過程中遇到井下停電或檢修等情況，導致部分時間段內監測數據不完整。地壓監測數據記錄期間各探頭獲得的大事件數和總事件數見表4。

表4 地壓監測數據

由現場地壓監測數據和地壓活動情況分析可知，1#和2#聲發射探頭在本段監測時間內接收到的聲發射事件數較少，3#聲發射探頭接收到的聲發射事件數略多一些，且在個別時間段內大事件數和總事件數高于日常平均值，待接收到的事件數趨于平穩后，安全管理員及現場技術人員到該探頭周邊觀察井巷工程地壓活動情況，發現該區域礦巖整體穩固型較好，僅臨近巷道頂部存在輕微掉塊現象，塊體體積小，沒有大規模的地壓活動顯現。

4#、5#、6#、7#聲發射探頭在本段監測時間內接收到的聲發射事件數較少，8#聲發射探頭接收到的聲發射事件數較多，結合現場生產情況可知，該探頭附近這段時間一直有施工人員在施工作業，鑿巖、爆破及車輛經過等活動產生的振動都被探頭記錄為地壓事件，故該探頭記錄的事件數較多。經過現場觀察，該探頭周邊礦巖整體穩固性較好，井巷工程這段時間沒有明顯的地壓活動顯現，保存完好。

9#、10#和11#聲發射探頭在本段監測時間內接收到的聲發射事件數較少，12#聲發射探頭在本段監測時間內接收到的聲發射事件數略多一些，且在個別時間段內大事件數和總事件數高于日常平均值，待接收到的事件數趨于平穩后，安全管理員及現場技術人員到該探頭周邊觀察井巷工程地壓活動情況，發現該區域礦巖整體穩固型較好，僅臨近巷道頂部存在輕微掉塊現象，塊體體積小，沒有大規模的地壓活動顯現。

從各個聲發射探頭接收到的時間-大事件數曲線、時間-總事件數曲線的變化趨勢來看，這兩類曲線的變化趨勢基本一致。關注并及時分析各個聲發射探頭收集到的聲發射數據變化情況，將地壓變化情況反饋給井下管理和施工人員，指導井下安全生產，防止地壓災害事故發生。

4 結論

（1）根據東柏樹礦地質條件及開采現狀以及相關政策要求，結合采空區冒落規律及危害情況，確定東柏樹礦必須要建立地壓在線監測系統，并確定監測位置為深部開采區域318 m 中段、268 m 中段和218 m 中段。

（2）從各個聲發射探頭接收到的時間-大事件數曲線、時間-總事件數曲線的變化趨勢來看，這兩類曲線的變化趨勢基本一致。關注并及時分析各個聲發射探頭收集到的聲發射數據變化情況，將地壓變化情況反饋給井下管理和施工人員，可指導井下安全生產，防止地壓災害事故發生。

（3）地壓監測過程必須緊密結合采礦生產實際，掌握采礦生產過程和進展情況，及時了解現場地壓顯現狀況。只有這樣才能更好地用好聲發射地壓監測技術。