采空區上覆巖層穩定性聲發射監測可行性研究

付占宇，彭府華

(1.河源市紫金天鷗礦業有限公司， 廣東河源市 517463;2.長沙礦山研究院， 湖南長沙 410012)

采空區上覆巖層穩定性聲發射監測可行性研究

付占宇1，彭府華2

(1.河源市紫金天鷗礦業有限公司， 廣東河源市 517463;2.長沙礦山研究院， 湖南長沙 410012)

簡要介紹了下告鐵礦的開采背景、采空區規模及地壓特點，論述了采用多通道聲發射監測技術進行采空區上覆懸頂巖層穩定性監測的必要性，介紹多通道聲發射監測技術方案和特點。針對下告鐵礦采空區分布、斷層影響和地壓活動等情況，確定了采用12通道聲發射監測系統進行地壓監測，并對傳感器的布置進行了優化，給出了傳感器的合理分布位置。

懸頂巖層;巖層穩定性;多通道聲發射監測系統;傳感器布置優化

廣東天鷗礦業有限責任公司下告鐵礦位于廣東省河源市境內，屬低山丘陵地貌，地表植被較發育，以灌木、幼松為主。礦床采用主井、副井、斜坡道聯合開拓。自2008年投產以來，下告鐵礦初期曾采用分段空場采礦法開采，后來由于礦山擴大生產規模的需要，改用無底柱分段崩落法開采。初期空場法開采遺留了較大規模的采空區，在改用無底柱分段崩落法過程中，對間柱、頂柱及采空區進行了處理。由于采空區頂板巖層比較穩固，沒有形成連續的崩塌覆蓋巖層，產生了較大規模的懸頂，地壓比較明顯，威脅到了當前的采礦生產安全。因此，必須開展必要的地壓監測研究工作。

1 空區上覆巖層與地壓特點

1.1 空區上覆巖層

空區上覆巖層由上至下為第四系表土層和灰巖。第四系(Q)按其成因類型及物質成分，可分為第四系殘坡積層及第四系沖積層。

(1)第四系殘坡積層。主要發育于山坡，山脊的地表，呈大面積面狀分布。由土黃色、灰白色、褐紅色砂質粘土、砂、巖屑及基巖風化碎塊等組成，表層受腐殖質影響，呈灰色、黃灰色，含植物碎屑等，植被發育，一般厚度2～5 m。

(2)第四系沖積層。主要分布于下告至寶山公路以南，下告河的河床、漫灘及山溝等低洼地段，大部分已被開墾成稻田。分布面積約0.75 km2，一般厚度10～30 m，主要由粘土、亞粘土、砂、礫石、卵石及磁鐵礦等組成。

(3)灰巖。灰黑色，見磷片不等粒花崗變晶結構，薄層—條帶狀構造。礦物成分以方解石為主，含量約70%，呈微粒狀;石英、絹云母含量約30%。厚度10～30 m。灰巖巖性較好，節理裂隙不太發育。

1.2 采空區地壓特點

下告鐵礦經過前期的采礦后，全礦共有4個采空區(6001、6005、6009 和6013)，且僅有 +47，+60，+75 m和+90 m 4個水平有采空區存在，空區底板標高最低為+46.7 m，頂板標高為+107 m，凈空區高度 25.8～60.3 m，凈空區總面積為 1891 m2，總體積約為8.28萬m3，根據規劃，礦山+47 m以下改用崩落采礦法。因此對采空區進行了處理并對礦柱進行回采，在對空區間柱及空區上部巖體崩落后，預計形成面積約為5850 m2的新空區。

由于礦體上覆巖層比較穩固，頂板巖層出現了較大范圍的懸頂現象。由于受到下盤F5斷層的影響和采空區的共同作用，上部開采導致地壓顯現主要體現在以下幾個方面:

(1)近年來，懸頂的上覆巖層產生過兩次較大規模的冒頂現象，對井下采場產生了明顯的沖擊，破壞了采場下盤鑿巖巷道的巖體結構，還造成過人員受傷事故;

(2)回收采空區內礦柱的過程中，上覆巖層沿著F5斷層錯動和崩塌，發展到地表，并產生了較大規模的塌陷地質災害;

(3)由于上覆巖層巖性好，節理裂隙不太發育，在進行礦柱回收和人工放頂處理時，頂板不能自然冒落，到目前為止采空區上覆巖層形成了較大規模的懸頂，這對未來的井下安全生產帶來了很大的地壓災害隱患。

2 空區上覆巖層監測方案選擇

由于受采動及斷層的影響，新空區面積不斷加大，空區頂板巖體可能還會繼續冒落至地表。突然冒落產生的沖擊和氣浪會對采礦作業產生影響，再加上空區頂板巖體冒落時間及冒落規模的不確定性，空區上覆巖層給礦山安全產生帶來了極大的隱患。因此對采空區上覆巖層穩定性進行全天候實時監測是非常必要的。但是，傳統的監測方法都有明顯的缺陷，如井下應力計、應變計監測、地表巖移監測等都不是實時監測、不能實時動態地反映巖體的穩定性，不能全面反映巖體內部的變形和破壞情況，且監測的勞動強度大等。特別是下告鐵礦+47 m以上的采空區上盤沒有通道，人員不可能進入上盤接近懸頂頂板進行常規監測。另外，僅僅采用地表巖移監測，不能很好地反映懸頂巖體的受力狀況，更不能捕捉懸頂巖層的突發性崩塌的前兆特性。因此，選擇一種可以實現全天候實時監測的地壓監測方法，克服上述傳統監測方法的缺點，對于下告鐵礦上覆巖層地壓監測是十分必要的。

多通道聲發射與微震監測技術有其自身的優點和特點［1，2］，可以克服傳統監測方法的弊端，近年來在國內礦山地壓監測中得到了推廣應用，并在硬巖金屬礦山的地壓監測應用中取得了較好的效果［1～3］。針對下告鐵礦采空區地壓特點，采用多通道聲發射監測系統對上覆巖層進行全天候實時監測，可以及時了解和掌握懸頂巖體的地壓活動情況和發展趨勢，及時捕捉巖體破裂的前兆信息，實現對可能發生的大面積頂板冒頂災害的安全預警，從而給礦山安全生產提供可靠的依據。

3 多通道聲發射監測系統及其技術特點

3.1 系統組成

根據下告鐵礦上覆懸頂巖層的范圍和規模，以及上覆巖層的厚度等，確定采用12通道聲發射監測系統對采空區上覆懸頂巖層穩定性進行監測。該系統主要由12通道數據采集儀、12個單軸傳感器和數據監控處理站3部分組成，數據處理站建在地表辦公樓內，系統組成如圖1所示。在每個傳感器與數據采集儀之間為模擬信號傳送，采用信號電纜線相連;數據采集儀與監控處理站之間先從數字信號轉換成光信號，經光纜傳輸至數據處理站，再由光信號轉換成數字信號達到監控分析計算機，實現監測數據的遠傳輸送。

圖1 多通道聲發射系統

3.2 系統技術特點［4，5］

(1)實時監測。多通道AE監測系統，一般是通過以陣列的形式把傳感器固定安裝在監測區域內，實現對區域內巖體因受應力作用而產生的聲發射信息的有效采集。該技術的一個重要特點是它可實現對聲發射事件的全天候實時監測。

(2)全范圍立體監測。聲發射技術突破了傳統監測方法力(應力)、位移(應變)中的“點”或“線”意義上的監測模式，通過系統優化布局，實現對設計監測范圍內的巖體聲發射過程在空間概念上的時間過程監測，實現常規方法人不可達到巖體內部的監測。

(3)全數字化數據采集和存儲及處理。多通道聲發射技術采用全數字化技術，克服了模擬信號系統的缺點，對數據的采集、存儲和處理更加方便，使得計算機監控成為可能。系統的高速采樣以及P波的全波形顯示，使得對聲發射信號的頻譜分析和事件的判別直觀方便。

4 傳感器布置與監測效果方案優化

4.1 地壓監測區域

根據采空區空間分布范圍和分布狀況、上覆懸頂巖層的厚度，監測的對象主要是采空區上覆懸頂巖層。由于傳感器有較大的觸探范圍，本系統的實際監測范圍是從采空區懸頂巖體頂板直到地表、跨0～4勘探線之間的、包括F5在內的上覆巖層區域，見圖2。

圖2 監測區域

4.2 傳感器的優化布置

如果將傳感器布置在采空區下面的巖體中，采空區上覆巖體失穩產生的應力波穿過較大的采空區到達井下傳感器，這個過程由于波的幾何擴張和散射，導致應力波衰減嚴重，從而影響系統的監測效果。因此考慮將傳感器布置在采空區上覆巖層中。

傳感器的布置位置是多通道聲發射監測的重要技術問題，直接影響到監測效果的好壞。傳感器布置優化采用仿真模擬定位精度的方法，不斷調整傳感器的布置位置，使系統監測效果達到最優［6］。傳感器布置優化的效果如圖3、圖4和圖5所示，圖3為地表平面監測效果云圖，圖4是+34 m水平的監測效果云圖，圖5所示是監測效果的立體云圖。通過傳感的優化分析，使得在傳感器包圍區域具有較好的監測效果，同時井下+90，+60，+34，0 m分層基本都在其監測包絡范圍以內。

圖3 地表監測范圍圈

圖4 +34 m監測范圍圈

圖5 立體范圍圈包絡面

5 結語

根據下告鐵礦空區分布情況和礦山地壓特點，提出了采用12通道AE技術對空區上覆巖層進行地壓監測。采用仿真模擬的方法，并結合地表地形情況給出了傳感器位置的優化結果。這只是對多通道AE監測系統在下告鐵礦的應用進行了一個可行性的論述，12通道聲發射監測系統建立起來之后，如何有效的監測空區上覆巖層的穩定性，以確保礦山安全生產，還需要做大量的工作。

［1］ 李庶林，尹賢剛，鄭文達，等.凡口鉛鋅礦多通道微震監測系統及其應用研究［J］.巖石力學與工程學報，2005，24(12):2048－2053.

［2］ 袁節平.試論柿竹園多通道微震監測技術研究的必要性［J］.采礦技術，2009，9(1):66－69.

［3］ 胡靜云，林 峰，彭府華，等.香爐山鎢礦殘采空區地壓災害微震監測技術應用分析［J］.中國地質災害與防治學報，2010，21(4):109－115.

［4］ 李庶林.試論微震監測技術在地下工程中的應用［J］.地下空間與工程學報，2009，5(1):122－128.

［5］ 國防科技工業無損檢測人員資格鑒定與論證培訓教材編審委員會.聲發射檢測［M］.北京:機械工業出版社，2004.

［6］ 林 峰，李庶林，薛云亮，等.基于不同初值的微震震源定位方法研究［J］.巖石力學與工程學報，2010，29(5):996－1002.

2011－03－29)

付占宇(1966－)，男，遼寧鐵嶺人，高級工程師，主要從事采礦技術研究，Email:fuzhanyu468@sohu.com。