基于聲發射預警準則的柿竹園礦地壓預警研究＊

尹彥波,李愛兵

(長沙礦山研究院, 湖南長沙 410012)

基于聲發射預警準則的柿竹園礦地壓預警研究＊

尹彥波,李愛兵

(長沙礦山研究院, 湖南長沙 410012)

為確保柿竹園礦井下中深孔特大爆破的安全,建立了專項地壓監測網及地壓預警系統。介紹了特大爆破地壓監測方法和監測重點區域的測點布置,采用自主開發的監測預警軟件分析監測數據,對特大爆破裝藥前、特大爆破后的礦巖體的穩定性進行了預警分析,為下一步礦山的工程布置和回采提供了技術基礎,有效地指導了礦山安全生產。

地壓監測;聲發射;監測預警;穩定性分析

柿竹園多金屬礦區自 2006年以來實施了多次大爆破,本次特大爆破范圍為 558～603 m中段,區域為 K2-4、k3-2/3、k3-3/4和 k4-3/4。由于K3-4/5和 K4-3/4大空區緊鄰,爆破區域及周邊的地壓顯現越來越顯著,礦柱片幫、剝離和開裂等地壓顯現增多,進行特大爆破區域及周邊的地壓監測預警工作勢在必行,因此,圍繞爆破區域周邊進行地壓監測網的設計和施工,實時采集監測數據,采用預警準則及先進的預警模型進行預警分析,得出監測區穩定性預警結果,有效指導了礦山安全生產。

1 特大爆破地壓監測設計

為了確保特大型爆破施工過程和爆破前后的安全,也為獲取爆破后礦巖體穩固性和確定應力轉移區域及大小,本次地壓監測設計圍繞特大爆破而進行。其監測方法主要為聲發射和鉆孔應力計監測兩種,以聲發射監測為主。

為確保特大爆破安全、順利進行,在爆破區域及周邊進行了專項地壓監測及預警研究,在爆破區域及周邊詳細設計了地壓監測控制點 (聲發射監測點、應力監測點),并實時監測數據,進行預警分析。重點區域典型地壓監測控制點布置見圖1、表1。

2 柿竹園礦特大爆破地壓監測預警

特大爆破前,設計建立了完善的地壓監測網,運用便攜式聲發射儀、應力監測儀進行數據的實時監測與采集,通過柿竹園地壓監測預警軟件將監測數據導入 SQL2000數據庫,并經由預警軟件對監測數據進行預警分析,提出預警指標,指導礦山安全生產。

表1 爆破區域及周邊重點監測點

圖1 536 m中段特大爆破地壓監測重點區域

作者對柿竹園多金屬礦地壓活動規律進行了多年研究總結和地壓監測數據的統計分析,得出了在柿竹園礦條件下的礦巖體穩固性聲發射監測預警臨界值,圖2為柿竹園多金屬礦巖體失穩聲發射事件率判斷準則線,圖3為柿竹園多金屬礦巖體失穩破壞聲發射事件率預警值區間圖。

圖2 巖體失穩聲發射事件率判斷準則線

圖3 巖體失穩破壞聲發射事件率預警值區間

2.1 特大爆破裝藥前的地壓監測預警

根據特大爆破的重點監測區域,選取重點監測控制點,由自主開發的預警軟件,調取每個監測控制點的監測數據進行預警分析。

圖4為特大爆破裝藥前 536 m中段地壓監測各點聲發射事件監測值曲線,從圖4可知最大事件為5次 /10 min。綜合對比圖2和圖3,事件率小于 1次/min的片幫臨界值。因此得出目前 536 m中段爆破區域內礦巖體是相對穩定的,巷道圍巖體不會產生大的冒落。

圖4 536 m中段爆破區域內聲發射監測事件值曲線

特大爆破裝藥前,558 m中段地壓監測各點聲發射最大事件為 5次/10 min,586 m中段聲發射最大事件為 3次 /10 min。由圖2、圖3可以判斷得出其巷道圍巖體不會產生大的冒落。

通過爆破裝藥前,即 2009年 11月 19日～2010年 1月 5日,對本次特大爆破區域內的聲發射監測數據的整理與統計分析,得出的結論為:裝藥前爆破區域內礦巖體的穩定性較好,不會產生大的冒落。實際狀態與統計分析的結果一致,在現場未產生任何礦柱垮塌或頂板冒落事故。

2.2 特大爆破后礦巖體聲發射預警分析

特大爆破后,對監測數據進行分析得出:爆破區域范圍外的監測點事件數較少且接近于 0次/16 min,因此選取爆破區域臨近周邊的有代表性的、聲發射信號明顯的監測點進行分析。

558 m中段選取的聲發射監測控制點為 S1756(P5/K4-3)、S1825(P3/K2-5)、S1784(P4/K4-5)、S1785(P4/K4-6);586 m中段選取的聲發射監測控制點為 S868(P4/C6)、S1917(P3/K3-6)、S881(P5/K4-3)、S1920(K2-5/6)。

通過柿竹園多金屬礦地壓監測預警軟件,查詢并導出將要分析的監測控制點的數據 (見圖5)。通過對爆破區域周邊聲發射監測點事件率的統計,得出聲發射事件率變化曲線,如圖6、圖7所示。根據本次特大爆破后的聲發射監測結果,結合前期地壓研究的聲發射監測預警準則,558 m、586 m中段的預警結果為:

圖5 地壓監測預警軟件實時查詢和導出監測點數據

圖6 558 m中段爆破區域聲發射事件率曲線

(1)558 m中段。其聲發射監測結果表明:周邊大部分區域的聲發射次數較低,礦巖體的穩定性較好,但是周邊部分礦柱在大的構造、應力轉移及結構面作用下會片幫冒落。如 P3/K2-5的 S1825聲發射監測點數據處于片幫范圍內,P5/K4-3的S1756處在破壞準則邊緣,其余監測點數據均在片幫準則線之下。

圖7 586 m中段爆破區域聲發射事件率曲線

(2)586 m中段。各監測點數據均在片幫準則線之下。

從監測預警結果來看:558 m、586 m中段周邊大部分區域的聲發射次數較低,礦巖體的穩固性較好,不會有大的垮塌、冒落等地壓災害。但是,綜上所述,特大爆破后,在應力集中和應力轉移作用下,局部會產生片幫及小冒落,受大的構造、應力轉移及結構面作用,個別礦柱會片幫冒落,甚至垮塌。

3 結 論

結合作者前期在柿竹園多金屬礦地壓研究中所得出的聲發射監測預警準則,對柿竹園多金屬礦本次特大爆破前、后的地壓變化及監測預警進行了研究,分別提出了特大爆破前的預警及特大爆破裝藥期間的監測及預警分析結果,預警分析結果與現場地壓顯現實際情況一致,對柿竹園特大爆破的安全工作起到了積極的指導作用,確保了本次特大爆破安全、順利實施,消除了各級人員對地壓災害隱患的擔憂,為礦山下一步開采的工程布置及地壓控制提供了依據。

[1] 柿竹園連續開采特大爆破專項地壓監測報告[R].長沙:長沙礦山研究院,2010.

[2] 尹彥波.基于預警模型機制的礦山地壓災害預警程序系統研究[J].礦業研究與開發,2010,30(2):86～89.

[3] 李愛兵.基于 GIS的金屬礦山地質災害預警系統研究與開發[J].礦業研究與開發,2006,26(S1):131～135.

[4] 尹彥波.巖石失穩與地壓災害預測的非線性動力學分析研究[D].長沙:長沙礦山研究院,2006.

[5] 王來貴,黃潤秋,張悼元,等.滑坡災害發生的動力學模型[J].自然科學學報,1998,8(3):224～227.

[6] 李天斌,陳明東,王蘭生.滑坡實時跟蹤預報[M].成都:成都科技大學出版社,1999.

國家“十一五”科技支撐計劃課題(2006BAB02B05);科技部科研院所社會公益研究專項(2005D I B3J233).

2010-06-21)

尹彥波 (1980-),男,湖南新化人,碩士,工程師,主要從事巖土工程研究、礦山地壓災害預警研究,地質災害治理與設計工作,Email:yyb@cimr.com.cn。