地壓監測在里伍銅礦的實際應用

龐易杰

摘 ?要：井下地壓監測自2014年9月開始，到2019年12月止，已經獲得了大量的觀測數據。利用這些監測數據，可以實際有效的了解里伍銅礦各采空區礦柱、巷道及采空區地壓活動情況，形成一套完整的監測系統，及時準確掌握采空區周邊圍巖變化情況及井下地壓變化情況完善礦山安全監測控制技術，預防災害事故，確保安全生產。

關鍵詞：里伍銅礦;地壓監測;應力計;聲發射

一、里伍銅礦礦山概況及地壓情況現狀

里伍銅礦床位于松潘甘孜地槽褶皺系的南部邊緣康滇地軸西側，江浪背斜東南翼近軸部的傾沒部位。礦體產于古生代志留泥盆紀里伍帶的一套泥砂質沉積中深變質巖中，共有26個工業礦體，成群出現。礦區內有上、下兩個主礦化蝕變帶，上部礦化蝕變帶主要產在SD12-2（5）和SD12-2（6）中，含A、B礦體;下部礦化蝕變帶主要產在SD12-2（4）中，含D、E礦體。兩礦化帶垂直間距20～400m，平面分布上A、B礦體在南，D、E礦體在北，間距700m。礦體形態多呈似層狀和透鏡狀，受層間裂隙、次級褶皺、巖層片理、巖性等綜合因素控制，致使礦體形態也有呈疊瓦狀、分枝復合狀;垂向上平行重疊，縱橫向上互相超覆;傾向南東，傾角20°～25°。

礦體厚度一般在1～3m之間，變化范圍為0.21～17.43m，平均厚度為2.43m，普氏硬度系數f=10～12，平均體重3.1t/m3;圍巖普氏硬度系數f=12～14，體重2.6t/m3。礦區范圍內出露的巖石主要有4種類型，加上礦石共5種巖性。圍巖主要為石英巖、石英片巖、斜長角閃巖、云母片巖;礦石類型主要有致密塊狀、條帶浸染狀、網脈團塊狀等。

該礦由蘭州有色院設計，采用平硐-盲斜井聯合開拓。設計生產規模25萬t/年，銅金屬量6000t/年。全礦共劃分24個中段，自2860m中段至2400m中段，中段高20m。采用中段壓入式對角通風及自然通風，自流排水，局部抽水。設計采用先上盤后下盤、自上而下、自西向東后退式回采，主要運用全面法、房柱法及底盤漏斗崩落法開采。自1994年試采B4礦體至今，里伍銅礦已生產近20年，累計采出礦石600余萬噸，日處理規模也由500噸/日提升到1200噸/日，截止2013年底，里伍銅礦井下采空區面積約為69萬平方米，并以每年6萬平方米的速度增加。

隨著開采范圍的增加，井下采空區不斷擴大并連成片，巖體初始的應力平衡狀態早已被打破，部分采空區周圍巖體中的次生應力已大于巖體的極限強度，導致巖體破裂及巖移活動，頻現各種地壓活動現象，并日趨加劇。目前主要表現為：巖體變形并發出響聲，礦柱壓裂破碎，礦房頂板下沉斷裂成層狀冒落，底板開裂鼓起，巖層沿弱面順走向或傾向滑移，開拓采切巷道片幫斷頂，地表開裂，山體沿海底溝和江浪溝向崩塌，造成一系列地壓災害。

地表懸浮破碎巖體及巖崩堆積區一直在不斷擴大，江浪溝巖崩區和海底溝側巖崩區在拖泥山尖交匯相連，井下2640～2680中段平巷多處冒頂片幫并造成堵塞，空區時常自然冒落，現生產中段及回采作業點頻現冒頂片幫現象，甚至新開采切工程亦出現斷頂片幫現象;地壓巖移活動頻率越來越高，已造成礦山貧化損失加大，給生產中段及整個礦山生產系統構成很大的安全威脅，是一個潛在的地壓災害安全隱患。

為了防止礦山大范圍巖體冒落或垮塌等災害性地壓事故的發生，保障井下生產安全，建立地壓監測網，開展地壓監測工作是十分必要的，對保障里伍銅礦安全生產和提高礦山安全生產管理水平，都是十分重要的。

地壓監測的目標是：盡可能掌握地表巖層移動規律和井下巖體穩定性的變化情況，對可能發生的采場地壓災害和大面積巖體失穩事件進行預測預報，以避免災害事故的發生，指導礦山安全生產。

二、地壓監測方式及選擇

2.1 常用地壓監測方式概述

常用的地壓監測方式包括應力監測、變形（位移）監測、光彈監測、聲發射監測、微震監測和彈性波測試等。

應力監測就是通過在現場布設監測點，也就是在現場布設壓力傳感器，礦柱或采場頂板中的應力將隨著回采進程不斷變化，壓力的變化引起壓力傳感器中的鋼弦張力發生變化（弦式傳感器）或液壓的變化，通過壓力表或特殊的讀數儀，可以確定測點的壓力變化量，從而掌握地壓的變化規律，可以實現提前預警的目的。常用的壓力監測儀器有鉆孔應力計、壓力盒、壓力枕等。

變形（位移）監測就是通過在現場布設監測點，監測巷道、采場周邊或巖體內部隨回采進程變形（位移）的變化情況。位移監測主要有機械式和電測式兩種類型。機械式位移計，如多點位移計，通過動點和不動點之間的長度變化，確定巖體或采場頂板的變形量，一般適用于變形量較大的情形。電測式位移計，如差動式多點變位計、弦式鉆孔位移計、頂板離層報警儀（或頂板沉降儀）等，通過弦式或電阻式傳感器，將位移（變形）信號轉化成電信號，采用專用的讀數儀（如電橋等）讀數，靈敏度高，精度也較高，適宜于小變形的精密測量。

另外，當井下存在大面積采礦活動，且埋藏不深時，可能影響上覆巖體甚至地表，因此，可以通過地表沉降觀測，監測地表沉降變形的速率，一般采用精密水準儀（如N3）、經緯儀（T3）、全站儀等，通過對一系列測點的長期觀測，繪制地面沉降曲線，也可以掌握地面沉降變形規律。近年來，全球定位系統（Global Positioning System，簡稱GPS）也被用來進行地表位移觀測，但要求的精度要高（目前，采用差分GPS靜態觀測可以達到毫米級），即使用高精度的GPS儀進行地表巖移觀測，不過單點的觀測時間至少需要半個小時以上。

光彈監測實際上是應力監測的一種，利用特殊玻璃材料在不同應力條件下顯示不同的應力條紋級別，從而確定應力變化的一種應力監測方法。過去多用于實驗室內的應力研究，也有用于井下應力監測的，主要儀器有光彈應力計配專用偏光鏡等，測量精度一般不高。此外，目前光彈應力計的生產廠家也很少。

聲發射技術（AE）用于井下地壓監測是利用巖石破裂過程中往往伴隨聲波信號的這一特點，根據聲發射事件的強度，判斷巖石破壞程度，確定巖石破裂地點，對大規模頂板冒落事件提供預警。國內巖體聲發射技術的應用始于上世紀70年代，我國已有多家單位開發過相關的監測儀器，目前該項技術已廣泛應用于硬巖礦山的地壓監測預報實踐中，并已積累了大量的較為成功的使用經驗。

微震監測是利用巖石破裂過程中由于彈性應變能的釋放，往往伴隨著彈性地震波的發生，采用多點監測，可對微震事件進行定位，進而確定巖石破裂部位，根據微震事件的強度，可對大規模地壓活動提供預警，特別是對巖爆事件的預警。一般采用光纖傳輸，可實現24小時全天候實時監測。

彈性波測試是利用彈性波在巖體內的傳播特性來測定巖體的彈性常數、了解巖體的某些物理力學性質、判斷巖體的完整性和破壞程度等的一種測試方法。由于彈性波在巖體中的傳播速度有某些規律可循，所以，彈性波測試已較為廣泛地用于采礦和地下工程的地壓觀測中。不過，由于在使用過程中需要有一定的技術，在一定程度上限制了該項測試方法的應用和發展。

2.2 里伍銅礦地壓監測項目和內容的確定

里伍銅礦礦體埋藏深度不大，約為20～350m，井下大面積的開采已經波及地表，造成地表出現多次塌陷。且由于礦體兩個面出露于陡崖，地表塌陷時往往引發陡崖崩落，危害極大。為了對地表大面積塌陷進行有效的預測預報，需要對地表巖移情況進行監測。

地表巖移監測也叫地表沉降觀測，一般采用精密水準儀、經緯儀和全站儀等，但使用這些觀測儀器時要求地表的通視條件要好，否則需要加密點位，增大工作量。里伍銅礦地表有大量的樹木和雜草，通視條件不佳，近年來發展的全球衛星定位系統（GPS）受地表通視條件的限制較小，且其測量精度已經達到毫米級，按說可使用GPS儀進行地表巖移觀測，但是，GPS靜態觀測需要的時間過長，動態觀測的精度又不夠，因而，目前GPS用于地表巖移觀測還不太成熟。相比較而言，全站儀更為合適。

礦區地層由一套中深沉積變質巖系組成。開采范圍內出露的巖石（圍巖）主要有4種類型，加上礦石共計5種巖性。4種圍巖分別是石英巖、石英片巖、斜長角閃巖和云母片巖。礦石的普氏硬度系數f=10～12，圍巖f=12～14。礦石和圍巖的穩定性良好，屬穩固類型的巖石。除斷裂帶及其兩側巖石以及近地表風化帶需支護外，一般不用支護。

聲發射技術（AE）在硬巖礦山的應用效果較好。里伍銅礦巖體堅硬，聲發射現象明顯，適宜采用該種監測方法。國內巖體聲發射技術的應用已有40年的歷史，國外的時間更長，目前該項技術已廣泛應用于硬巖礦山的地壓監測預報實踐中，并已積累了大量的使用經驗。根據里伍銅礦的巖體情況，應該優先使用巖體聲發射監測方法。

壓力監測使用的儀器通常有鉆孔應力計、壓力盒和壓力枕，但對于礦山巖體而言，一般采用的是鉆孔應力計。鉆孔應力計最初應用于煤礦，由于使用便利目前也廣泛應用于非煤礦山中。經過多年來的使用實踐，認為鉆孔應力計是非常適合金屬礦山的，特別是硬巖金屬礦山。里伍銅礦適宜使用鉆孔應力計監測。

由于光彈應力計精度略低，彈性波測試有一定的技術要求，而微震監測技術系統復雜，井下探頭和通訊電纜多，系統維護工作量大，所需專業水平較高，投資也大，考慮里伍銅礦較復雜的井下環境，不利于這些監測方法的實施。

根據里伍銅礦的具體情況，確定其地壓監測方針為：井下地壓監測和地表巖層移動觀測一并進行;以井下監測為主，地表觀測為輔;井下地壓監測以巖體聲發射監測為主，應力監測為輔。

巖體聲發射監測采用DYF-2型智能聲波監測多用儀。該儀器由長沙礦山研究院研制，技術先進，性能可靠，已有多年的應用歷史，且使用效果較好。應力監測則采用常規的鉆孔應力計。地表巖移觀測采用全站儀。

此外，當巖體出現明顯的開裂現象之后，可以對巖體裂縫開展宏觀觀測。地壓宏觀觀測通常包括裂縫觀測、聲撞擊和人工聽聲等，可作為儀器觀測的有益補充。

依據前述地壓監測方案制定的基本原則和地壓監測方針，確定里伍銅礦地壓監測的項目和內容如表1-1所示。

三、地壓監測在里伍銅礦的實際應用

3.1 聲發射監測

根據里伍銅礦井下條件，聲發射項目主要采用便攜式的聲發射儀進行采場巖體穩定性監測，通過監測礦山開采過程中巖體聲發射參數的變化情況，進而推斷采場頂板和礦柱的破壞狀況。

進行巖體聲發射監測時，一般是通過與巖體緊密接觸的探頭接收巖音信號。儀器以數字自動顯示巖音事件總頻度、大事件頻度和能率等監測結果。總頻度是巖體出現微觀和宏觀破裂速率的重要標志，破裂速率增長，總頻度必然激增;大事件占總頻度的比例預示巖體內部應力集中的程度及其變化趨勢;能率是巖體破裂速度和尺寸的重要衡量標志，是供綜合分析的一個最基本參量。

實際監聽現場作業中，生技部現場人員攜帶儀器至布設聲發射監測點。一個監聽孔每次監聽5分鐘以上，每5分鐘記錄一次結果。監聽時，除記錄巖音頻度外，還應注意聲響大小、音色差異以及其它地壓現象，以便綜合分析研究。根據現場地壓情況而定，通常情況下，15天監測一次，若地壓不明顯，監測周期可以適當延長，若地壓較明顯，特別是當能率顯示數值較大且有跳躍變化時，則應縮短監測周期，增加監測次數。

為使聲發射監測儀能準確地預報地壓事件，應采用合理的監聽網，建立合理的監聽制度，堅持長期、連續、定期的監聽，以便獲得預期的監聽效果。

監聽現場記錄的數據匯總到巖體聲發射監測記錄本，將其填入統計表中，然后可將統計表中的數據作成有關直方圖、曲線圖等。根據巖體聲發射監測數據的變化趨勢，判斷巖體的穩定性狀況。監測數據明顯趨于上升時應作出預報。

3.2 鉆孔應力監測

鉆孔應力監測主要用于測試巷道巖壁及礦柱內次生應力場的應力變化情況，其測試結果為相對應力（即應力變化值）。目前用于鉆孔應力監測的儀器主要有鉆孔應力計和光應力計兩類。考慮到目前光應力計很少生并結合里伍銅礦生產實際情況，確定采用鉆孔應力計。

在實際監測現場作業中，生技部現場人員攜帶應力計監測儀器至布設應力監測點。主要監測內容為礦柱及巷道（或采場）巖壁次生應力場的變化情況，記錄相對應力（應力變化值）。為方便監測需要，一般與聲發射監測周期相同。

監測現場記錄的相對應力（應力變化值）數據匯總到地壓監測應力計記錄表，根據相對應力的變化計算出應力增量。通過應力變化趨勢，判斷巖體的穩定性情況。

3.3 宏觀監測

地壓宏觀觀測通常包括裂縫觀測、聲撞擊和人工聽聲等。

（1）裂縫觀測

巖體裂縫觀測是地壓宏觀監測的最直接方法，通常用肉眼觀察，也可使用相應儀器。地壓來臨前，通常會在其附近產生裂縫，觀察裂縫變化可以最直觀地了解地壓的發展動態。可在裂縫處埋設玻璃片，以便于量測和判斷巖層的移動方向。

（2）聲撞擊

即礦山常用的“敲幫問頂”法。其原理是：巖石受到外來撞擊時，由于振動而發聲，脫離母體的危巖，其振動頻率較低，發出的聲音比較沙啞、低沉;而整體巖石則發出清脆響亮的聲音。

（3）人工聽聲

是我國礦山對地壓進行現場調查的主要方法之一。根據聲響的頻度、音量和音色等情況可以判斷地壓顯現的危險程度。巖體破壞時的聲響，根據湖南錫礦山南礦對地壓觀測資料的分析總結，大體可分為以下三種情況：① 聲響由疏到密，巖音頻度逐漸增加，并夾雜著零星掉塊，這是地壓顯現即將來臨的前奏期;② 巖音頻度劇增，聲響由清脆炮聲到悶雷聲，掉碴頻繁，這是地壓顯現即將發生的高潮期;③ 聲響由密到疏，巖音頻度逐漸減小，直到正常狀態，這是地壓顯現逐漸穩定的尾聲期。

（4）觀測周期

地壓宏觀觀測作為基本的重要監測項目，可以定期或不定期進行。對于重要的危險地段，一般要求每天查看;對于一般地段，可以不定期地查看，最低巡檢頻率與儀器觀測頻率一致。每次按統一表格填寫巡檢記錄。

四、結語

為了掌握里伍銅礦地表巖層移動的規律和井下巖體穩定性的變化情況，對大面積采空區失穩事件進行預測預報，根據礦山現場實際情況設計了地表與井下地壓監測方案。由于條件不成熟，未開展地表巖移觀測，只進行了井下地壓監測。井下地壓監測自2014年9月開始，到2019年12月止，已經獲得了大量的觀測數據。利用這些監測數據，可以實際有效的了解里伍銅礦各采空區礦柱、巷道及采空區地壓活動情況，形成一套完整的監測系統，及時準確掌握采空區周邊圍巖變化情況及井下地壓變化情況完善礦山安全監測控制技術，預防災害事故，確保安全生產。

參考文獻

[1] ?《里伍銅礦地壓監測報告2019》