聲發射監測技術用于采空區地壓災害預測

李示波 李占金 張 洋 盧宏建

(河北聯合大學礦業工程學院 河北 唐山 063009)

聲發射監測技術用于采空區地壓災害預測

李示波 李占金 張 洋 盧宏建

(河北聯合大學礦業工程學院 河北 唐山 063009)

東河灣鐵礦經過多年開采，存在采空區多、滯留時間長、安全隱患大等問題。為了在采空區發生重大地壓災害前能夠提前預警，以便采取必要的安全措施，預防采空區重大災害發生，須建立預警預報系統。以巖石力學試驗及采空區有限元穩定性分析為基礎，分析最易發生重大災害的區域，確定必要的監測范圍。選用國內先進的STL-12型聲發射監測系統，針對危險區域建立了完善的聲發射在線實時監測體系。利用室內聲發射試驗以及現場震動波形實測，構建了巖石聲發射及其他震動波形庫，總結了該礦巖石破壞過程的聲發射特征。通過波形分析及時掌握了采空區圍巖地壓活動的聲發射信息變化規律，制定了完善的預警預報制度。近2 a的現場實踐表明，該系統可為東河灣鐵礦采空區塌陷的預測預警提供技術支撐。

聲發射 采空區 地壓災害 預測

河北省鐵礦資源豐富，是全國著名的三大鐵礦區之一?；诤颖笔〉胤借F礦床的賦存特點，80%以上的地下礦山都使用生產工藝簡單、成本較低的空場采礦法。但是應用空場法開采的礦山，在礦房回采完畢后,應及時回收礦柱并處理采空區[1-2]。然而,一方面由于技術落后，處理空區難度大、成本較高，另一方面由于單純追求經濟利益，不愿投入，所以在礦床回采后，滯留了大量的空區，這些空區一旦陷落將對下部生產中段構成嚴重威脅，甚至會導致災難性后果，為礦山的安全生產留下了嚴重的安全隱患，東河灣鐵礦便是其中一例[3]。

1 東河灣鐵礦開采現狀

東河灣鐵礦三礦體礦區2001年投產，采用豎井盲豎井聯合開拓。主井底至-130 m水平，回風井底至+20 m水平，共分為-20、-85、-130、-175 m，4個主要開采水平，至2010年8月-85 m以上礦體基本采空,現有采空區共49個。主要開拓系統及空區分布情況如圖1，采空區總體積58.4萬m3，采空區體積大小不一，1萬m3以上21個，其中最大單個采空區體積達4.68萬m3。

圖1 東河灣礦區開拓系統及空區分布Fig.1 Development system and distribution of mined-out areas in Donghewan Mine

東河灣三礦體經多年開采，形成的采空區規模大，滯留時間長，容易冒落坍塌。一旦大范圍塌陷，采空區內的空氣會突然涌出，形成強烈沖擊波，嚴重威脅井下工作人員的生命安全[4]。為避免空區突然塌陷造成災難性后果，應盡快安設完善的空區地壓活動監測系統，對東河灣鐵礦空區地壓進行全天候監測，及時掌握空區圍巖地壓活動狀態，研究和分析空區地壓活動規律，能準確地預測和預警，避免造成礦山企業生命和財產損失[5]。

STL-12型聲發射監測系統是國內較為先進的巖石聲發射監測系統，通過該系統可對某一區域巖體實施全天24 h連續監測[6]。對監測到的微震信號的產生機理進行處理、分析，可準確預測巖體的破壞范圍、破壞強度、生源位置等，及時掌握空區巖體地壓發展的動態規律，從而預報巖體塌陷、冒頂等破壞現象[7]。

2 監測區域穩定性數值模擬分析

礦山經過十幾年開采，留下大量采空區，空區分布范圍廣，很難做到全方位監測[8]。為了充分發揮微震監測系統的預警作用，根據STL-12型聲發射監測系統特點，將有限的傳感器應用于穩定性差、危險性大的采空區[9]。借助于有限元軟件建立礦山三維開采模型，對采空區的穩定情況進行數值分析，確定地壓活動敏感區域[10]。

根據東河灣礦區空區分布情況，考慮邊界效應，最終確定模型長和寬均為1 500 m，高800 m，劃分為40 907個節點，354 531個單元。三維模型見圖2，模擬結果見圖3～圖5(以水平方向應力云圖為例)。

圖2 東河灣礦區模型網格Fig.2 Model Grid of Donghewan Mine

圖3 -20 m水平方向應力云圖Fig.3 Horizontal stress contours of -20 m level

圖4 -85 m水平方向應力云圖Fig.4 Horizontal stress contours of -85 m level

圖5 -130 m水平方向應力云圖Fig.5 Horizontal stress contours of -130 m level

根據對-20、-85和-130 m 水平3個開采中段模擬計算結果可知，-20 m水平應力分布值相對較小，應力集中區分布較少，這主要是因為首采中段，空區數量相對較少，且空區相對孤立，說明空區對本水平圍巖影響較小。而-85 m水平和-130 m水平應力值較大，應力集中區明顯增多，這主要是因為-85和-130 m中段是該礦開采的主要中段，空區規模大、數量多，分布較為集中，在空間上形成上下中段應力疊加效應，應力集中程度大，容易塌陷冒落形成空區地壓災害，故-85 m水平和-130 m水平屬地壓活動的敏感區域，且-130 m水平設有生產采場、泵房、提升硐室，運行著運輸設備，行人較為頻繁，一旦空區塌陷冒落，會對生產區及運輸巷道、硐室等造成嚴重的空區地壓災害，故本中段空區頂底板水平屬于監測的敏感區域，是重點監測的對象。

3 建立在線生發射監測系統

根據有限元法模擬的敏感區域分析，同時結合礦山已有水平巷道工程，根據監測點布置接近敏感區域和施工方便的原則，經過充分考查和應用現場調研，監測系統采用了國內比較先進的STL-12多通道聲發射自動監測系統。監測系統構成如圖6所示。該系統共計布置了12個傳感器，分別布置在-85m水平和-130 m水平采空區附近，其中-85 m水平布置1號～6號傳感器，-130 m水平布置7號～12號傳感器，每個傳感器監測范圍為直徑60～80 m，監測布置見圖7。井下數據采集站布置在-130 m水平，負責所有傳感器的數據采集，傳感器采集的數據經光纜傳送至地面的監控站。

圖6 12通道聲發射自動監測系統構成Fig.6 Structure of 12-channel acoustic emission

現場監測可收集到典型的單通道和多通道聲發射波形圖(從略)，用于地壓監測的預報分析。

4 預報預警制度的建立

東河灣鐵礦自2011年8月建立了聲發射在線監測系統，對空區地壓活動進行了全天候監測，并從現場取樣進行了室內巖石破壞過程的聲發射實驗，建立了東河灣鐵礦巖石破壞過程聲發射波形特征數據庫，總結了該礦的巖石破壞過程的聲發射參數信息特征，并建立了完善預警制度。

圖7 監測點布置三維圖Fig.7 3D Drawing of monitoring points distribution

地壓監測人員若發現以下地壓活動時，應立即向主管領導和有關部門匯報，以便及時采取措施。

(1)當監測到“巖音”事件率平均達到3次/min，局部時段達到5次/min以上，周邊巷道存在明顯的新開或舊裂隙擴展，或發現空區頂板大、小能量事件率平均達到2次/min，局部時段聲發射總數達到5次/min以上，大能量聲發射事件率連續5 min達到5次/min(即25次/5 min)以上，應提出該區域安全警戒。

(2)若發現監測數據前3 d平均事件率有明顯的上升趨勢，測點周邊無爆破作業，儀器系統監測到多測點事件多為聲發射大能量事件，各測點同時監測到的聲發射事件很多，局部時段聲發射大能量事件率連續5 min平均達到5次/min(即25次/5 min)以上，可確認為地壓活動異常，應立即作以下匯報處理:①單測點異常，聲發射事件多為小能量事件，相鄰測點無異常時，向調度室和安全部門匯報；②多測點異常，聲發射事件多為小能量事件，各測點同時觸發的事件很少時，立即向主管領導、安全部門和調度室匯報；③多測點異常，局部時段事件率連續10 min平均達到2.5次/min(即25次/10 min)，聲發射事件多為大能量事件，各測點同時觸發的事件很多，立即向礦長、主管領導、安全部門和調度室匯報，并估計活動范圍和進行現場撤離。

5 結 論

(1)根據東河灣鐵礦空區賦存特點，利用大型三維有限元軟件建立礦山開采模型，對采空區的穩定情況進行數值分析，確定地壓活動敏感區域，為有效監測空區地壓活動提供了技術支持。

(2)在數值模擬空區地壓敏感性分區的基礎上，利用國內先進的STL-12 型聲發射監測系統，為東河灣鐵礦建立了完善的空區地壓監測系統。通過該系統可實現東河灣鐵礦空區地壓活動的全天候監測，及時掌握空區圍巖地壓活動狀態。

(3)在室內聲發射試驗的基礎上，結合現場聲發射監測信息特征建立了東河灣鐵礦的波形數據庫，總結了巖石破壞過程的聲發射參數信息特征，確定了空區塌陷征兆及塌陷前巖石聲發射信號特征，并建立了完善的預報預警制度，為東河灣鐵礦空區塌陷事故的預防提供了科學指導。

[1] 張成良，楊緒祥，李 風.大型采空區下持續開采空區穩定性研究[J].武漢理工大學學報，2010，32(8)：117-120. Zhang Chengliang，Yang Xuxiang，Li Feng，Stability study on mined-out area with continuous mining under the large scale mined-out area[J].Journal of Wuhan University of Technology，2010,32(8):117-120.

[2] 解世俊.礦床地下開采理論與實踐[M].北京：冶金工業出版社，1990. Xie Shijun.Theories and Practice in Underground Mines[M].Beijing:Metallurgical Industry Press，1990.

[3] 李占金.金屬礦山地下采空區處理方案的優化研究[D].唐山：河北理工大學，2004. Li Zhanjin.Study on Disposal Optimizing Project of Underground Gob Area of Metal Mine[D].Tangshan:Hebei University of Technology,2004.

[4] 徐必根，王春來，唐紹輝,等.特大采空區處理及監測方案設計研究[J].中國安全科學學報，2007，17(12)：147-151. Xu Bigen，Wang Chunlai，Tang Shaohui，et al.Study on large goaf management and its monitoring scheme design[J].China Safety Science Journal，2007,17(12):147-151.

[5] 韓瑞亮.基于微震監測技術的露天轉地下開采巖體穩定性分析[D].唐山：河北聯合大學，2011. Han Ruiliang.Stability Analysis on Rock Mass from Open Pit to Underground Mining Based on Micro-seismic Monitoring Technique[D].Tangshan:Hebei United University，2011.

[6] 何春林，崔棟梁.多通道聲發射監測系統在井下采空區穩定性監測中的應用[J].有色金屬，2008，60(1)：34-37. He Chunlin，Cui Dongliang.Application of multichannel acoustic emission system in the monitoring of mined-out area stability[J].Nonferrous Metals，2008,60(1):34-37.

[7] 陳炳瑞，馮夏庭，肖亞勛,等.深埋隧洞TBM施工過程圍巖損傷演化聲發射試驗[J].巖石力學與工程學報，2010，29(8)：1562-1569. Chen Bingrui，Feng Xiating，Xiao Yaxun.et al.Acoustic emission tset on damage evolution of surrounding rock in deep-buried tunnel during TBM excavation[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010,29(8):1562-1569.

[8] 成云海，姜福興，張興民,等.微震監測揭示的C 型采場空間結構及應力場[J].巖石力學與工程學報，2007,26(1):102-107. Cheng Yunhai，Jiang Fuxing，Zhang Xingmin，et al.C-shaped strata spatial structure and stress field in longwall face monitored by microseismic monitoring[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2007,26(1):102-107.

[9] 劉培正，胡永泉，張傳信,等.殘留礦柱回采及監測點布置的研究[J].金屬礦山，2009(12)：56-60. Liu Peizheng，Hu Yongquan，Zhang Chuanxin，et al.Research on recovery of residual pillar and layout of the monitoring points[J].Metal Mine，2009(12):56-60.

[10] 王清來，許振華，朱利平,等.復雜采空區條件下殘礦回收與采區穩定性的有限元數值模擬研究[J].金屬礦山，2010(7)：37-40. Wang Qinglai，Xu Zhenhua，Zhu Liping,et al.Finite element simulation study on stoping of remnant ores and stability for complicated mine area[J].Metal Mine，2010(7):37-40.

(責任編輯 徐志宏)

Application of Acoustic Emission Monitoring Techniques in Geostress Hazard Prediction of Mined-out Areas

Li Shibo Li Zhanjin Zhang Yang Lu Hongjian

(CollegeofMiningEngineering，HebeiUnitedUniversity，Tangshan063009，China)

After many years exploration in Donghewan Iron Mine，complex mining status appears，such as lots of mined-out areas，long remained time，and big security risk. In order to make early-warning before the geo-stress disasters occur in the mined-out area to take necessary security measures and to prevent major disasters，the early warning and forecasting system was established. Based on the rock mechanics test and the finite element stability analysis on mined-out area，the regions that are prone to generate major disasters are analyzed and the necessary monitoring scope is determined. With the selection of the advanced STL-12-type acoustic emission monitoring system，a complete acoustic emission on-line real-time monitoring system for hazardous areas is built. According to the indoor acoustic emission testing and on-site vibration waveform measurement，the rock acoustic emission database and other vibration waveform database are established，and the acoustic emission characteristics during the destruction process of rocks are summarized. By waveform analysis，the variety rule of acoustic emission information at geostress activities of mined-out area is grasped，and a comprehensive early warning and forecasting system is made. The 2-year practice showed that the system could provide technical support for pre-warning of mined-out subsidence in Donghewan Iron Mine.

Acoustic emission，Mined-out area，Geostress hazard，Prediction

2013-12-11

國家自然科學基金項目(編號：51174071),河北省自然科學基金項目(編號：E2014209093)。

李示波(1969—)，男，副教授，博士。

TD77+1

A

1001-1250(2014)-03-152-04