某鐵礦采空區地壓監控及穩定性分析*

張 洋 李占金 李示波 張艷博

(河北聯合大學礦業工程學院)

某鐵礦屬于河北省地方礦山，采用空場法進行地下開采已有十幾年的歷史。礦床回采后，由于技術落后和單純追求經濟利益，一直沒有對采空區進行處理，已形成49個大小不等的采空區，空區總體積達58.4萬m3，其中最大單個采空區頂板暴露面積達1 100 m2，體積為4.68萬m3。隨著采礦活動向深部發展和空區體積的增加，綜合治理和管理采空區成為了該礦山企業必須解決的重大安全生產問題。因此，必須采用一種先進的地壓監測技術，對采空區地壓進行監測，并對采空區穩定性進行分析預測，為礦山的安全生產提供保障。

聲發射監測技術是利用巖體在發生破裂、滑動過程中會產生一定頻率的聲發射信號的原理來進行工程巖體穩定性分析的技術方法，可以確定巖體的荷載水平、評定危險等級，發現潛在的不穩定區，對巖體破壞進行預報，從而可以以監測數據為依據提出必要的預防和處理措施。相比之前的光測法和電測法，聲發射技術更為先進和方便。20世紀70年代初該技術被引入我國，并將其應用到礦山礦柱巖體穩定性和巖爆監測中，解決了許多礦山技術難題。目前，逐漸把此技術作為一種地壓監測手段，確保地下工程及礦井生產安全［1-3］。

1 聲發射地壓監測系統

該礦山引進長沙礦山研究院開發的STL－12多通道聲發射監測定位系統(如圖1)，該系統是利用聲發射技術監測采場或者空區圍巖地壓的先進設備，通過軟件、硬件的有機結合，極大地提高了現場噪音抑制能力，較好地解決了被測體各向異性對定位精度的影響，從而大幅度提高了分析結果的準確性。該系統可用于對大范圍巖體工程進行巖體分類、巖體穩定性分析、冒頂片幫預測預報、礦山大面積地壓綜合分析，以及各種振動頻率與聲波測試、地質結構和空區探測等方面。通過電話撥號，可以實現遠程啟動、關閉數據采集機、遠程采集數據、遠程設置參數;具有操作簡單、經濟實用、實時監測和提前預報的特點。利用這套系統可以對采空區地壓進行有效的監測，便于技術人員對空區穩定性進行分析，及時處理安全隱患，避免災害事故的發生［4-8］。

圖1 監測系統

2 地壓監控方法

通過對礦山采空區賦存現狀的調查和數值模擬分析，確定在－85 m水平和－130 m水平各布置6個測點(如圖2～圖3)，充分利用聲發射監測系統，對采空區地壓進行全天候24 h監測。

在監測過程中，監測人員每天需要整理1次監測數據，發現監測數據異常時，注意觀測數據變化，結合波型數據庫分析變化原因，對空區地壓引起的數據變化及時匯報。每月對地壓活動區的監測情況進行2～4次分析總結，結合采空區安全等級劃分標準，判斷當前采空區穩定性狀況。

由于受地質條件、巖石性質、開采年限等多種因素影響，空區塌陷地壓災害有很多的不確定性，而且塌陷過程往往是突發的，其造成的嚴重后果很難預料。必須加強空區地壓的日常監測工作，及時對監測數據進行分析，當監測數據出現異常，巖石破壞的聲發射事件增多，平均事件率達到3次/min，局部時段達到5次/min以上，連續幾天全天平均事件率有明顯的上升趨勢，測點周邊無爆破作業，多測點監測到大量高能量事件，各測點同時監測到的聲發射事件很多且持續時間較長，或周期性出現時，應及時分析產生原因，并進行現場勘查，若發現有“巖音”現象(即巖層發響，大響如炸雷是巖層深部離層和斷裂，小響如鞭炮聲表明巖層淺部受壓破壞)，頻率由低向高增大，巷道及采場出現裂縫、掉塊，是空區塌陷前兆，應及時匯報并通知井下人員撤出。

3 監測數據和空區穩定性分析

利用STL－12多通道聲發射監測定位系統對空區地壓進行全天候24 h監測。系統經過1 a左右的正常運行，實時地監測存儲了地壓聲發射數據，通過整理分析數據，得到了如下結果。

3.1 巖石破壞聲發射數據特征

巖石在受力變形過程中以彈性波形式釋放應變能產生聲發射信號，其攜帶了有關巖體特性的信息，根據這些信息可以判斷巖體的破壞程度，評價采空區穩定性，對地壓災害進行提前預報。通過對1 a監測數據的分析，得出該礦巖石破壞聲發射波形和參數特征如表1所示。

表1 巖石破壞聲發射特征

3.2 典型波形事件的判斷與采空區穩定性分析

通過整理分析監測數據發現，一些波形有規律地在某段時間內或只在某些通道出現，因此，需要確定這些波形的產生原因，判斷是否與巖石聲發射存在關系，為分析采空區穩定性提供依據。各種典型波形和分析結果如圖4～圖9所示。

圖4中1～8號通道沒有波形，9～12號通道出現低頻小能量波形，數目極少，說明此時12個測點附近沒有巖石聲發射事件，空區周圍的巖石處于穩定狀態，地壓活動不明顯，未發生開裂、斷裂現象。

圖9 2012年6月9日257號波形

圖5中12個通道同時監測到聲發射事件，這些事件呈現衰減快、頻率小、能量大的特點，持續時間不長，事件率達到0.6次/min(3次/5 min)，頻率100 Hz以下，能量分布在60～128，該波形屬于低頻波形，不符合巖石變形破壞發生的聲發射波形特征，且發生時間為凌晨4點左右，處于井下爆破采礦時間段，因此可以確定此波形為井下爆破波形，對采空區的穩定性影響不大。

圖6中顯示只有6號通道監測到波形，事件發生在10點左右(采場爆破剛剛完成后)，主要頻率為185 Hz，能量為56，持續時間短，事件少，屬于巖石聲發射事件。判斷是測點附近有局部巖石掉塊現象，從聲發射的能量和頻率來看，能量較小，可以斷定只是局部掉塊，且掉塊較小。

圖7中5#、6#、11#、12#測點同時監測到波形，發生在9點11分左右，能量在100～128，主要頻率較大為333 Hz，屬于典型的巖石聲發射信號特征，該聲發射過程持續幾分鐘過后波形消失。聲發射過程持續發生在9點11分左右，此時正處在溜井放礦時間段內，這4個測點距離溜井很近，根據巖石聲發射持續時間和波形特征，通過和井下詢問放礦時間，可以確定此種波形是由于溜井放礦而產生的。

圖8中7#、8#測點出現波形，最大能量為17，主要頻率為26 Hz，不是巖石聲發射波形，屬于低頻小能量事件，持續時間很長，頻率能量基本無變化。調查發現7#、8#測點附近2臺水泵一直在工作，噪聲很大，周圍無其他影響且之前水泵不工作時沒有出現過類似波形，所以判斷此為受水泵工作影響而產生的波形。

圖9中相距較近的9#、10#、11#、12#這4個測點監測到波形(11#測點處有一振動放礦機)，最大能量為127，主要頻率為278 Hz，持續時間幾秒鐘后消失且11#測點首先觸發，通過與井下工人核對時間，分析是由于大塊礦石不便于裝車而在11#測點附近對其進行爆破而產生的波形。

通過對采空區地壓監測典型聲發射數據的分析可知，巖石破壞引起的聲發射事件較少，事件率沒有出現突增現象，能率也處于較低水平，通過分析得知大多數事件是由于采礦活動或周邊設備干擾引起的，巖石破壞的聲發射事件數很少，經過井下現場的調查，圍巖和礦柱沒有出現大的開裂和掉塊現象，可以斷定目前采空區穩定性較好。

4 結論

(1)結合礦山采空區的實際賦存情況，引進了一套STL－12型多通道聲發射監測定位系統，對空區地壓進行全天候實時監測，通過分析地壓監測數據和查看采空區巖石實際情況的方法，確保監測系統充分發揮作用，保障礦山的安全生產。

(2)整理分析了1 a以來的監測數據，總結出了巖石破壞聲發射的特征和受采礦活動影響或周邊設備影響而產生的聲發射波形特征，確定目前采空區穩定性較好，地壓活動不明顯，可以作為礦山安全生產的依據。

［1］ 李爭榮，余賢斌，劉 洋，等.巖體失穩過程中的聲發射監測研究［J］.金屬礦山，2012(1):28-32.

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