地壓在線監(jiān)測(cè)在卡房1-9礦體中的應(yīng)用及分析

孔學(xué)偉，彭朝智，楊八九

(1.云南錫業(yè)股份有限公司，云南 個(gè)舊 661000；2.云南亞融礦業(yè)科技有限公司，昆明 650093)

礦山地壓是一種很常見的地質(zhì)災(zāi)害，其顯現(xiàn)方式是在地下開采過(guò)程中，不斷出現(xiàn)采場(chǎng)冒頂、礦柱、巷道變形破壞、采場(chǎng)結(jié)構(gòu)破壞、斷層錯(cuò)動(dòng)及地表塌陷和建筑物破壞等現(xiàn)象[1-2]。應(yīng)力、應(yīng)變、位移是地壓顯現(xiàn)的主要特征，其變化規(guī)律在采動(dòng)過(guò)程中較為復(fù)雜，與采場(chǎng)布置形式、礦體賦存條件、采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)、回采順序等都密切相關(guān)，所以監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建是非常復(fù)雜的，但有關(guān)巖體應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)的有價(jià)值的結(jié)論通?？捎幂^直觀的傳感器得到，位移和應(yīng)力兩個(gè)基本物理量均可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)得到[3-5]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析不同開采階段巖體應(yīng)力應(yīng)變的變化特征，從而對(duì)開采過(guò)程巖體穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)判。

卡房1-9礦體多年來(lái)一直采用普通全面法開采，采場(chǎng)內(nèi)形成了很多大小、形態(tài)不一的點(diǎn)柱及空區(qū)，隨著開采的不斷進(jìn)行，空區(qū)范圍不斷擴(kuò)大，應(yīng)力也逐漸增大，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)力超過(guò)礦巖體自身的強(qiáng)度時(shí)，大部分礦柱將出現(xiàn)失穩(wěn)破壞，失去支撐作用，從而導(dǎo)致空區(qū)頂板的冒落[6-7]。因此，為了弄清楚該礦體不同開采時(shí)期應(yīng)力應(yīng)變的變化特征，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，對(duì)部分地壓顯現(xiàn)特征較明顯的區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)地壓監(jiān)測(cè)，掌握回采過(guò)程中礦柱、頂板的受力狀況，對(duì)存在安全隱患的區(qū)域及時(shí)處理，確保礦體開采過(guò)程的安全。

1 地壓監(jiān)測(cè)的內(nèi)容

隨著開采的不斷深入，礦巖體原始平衡應(yīng)力遭到破壞，出現(xiàn)新的應(yīng)力集中，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)力超過(guò)礦巖體自身的強(qiáng)度時(shí)，大部分礦柱出現(xiàn)失穩(wěn)破壞，失去支撐作用，從而導(dǎo)致空區(qū)頂板的冒落。為了掌握回采過(guò)程中礦柱、頂板的受力特征，在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、有限元分析及礦柱力學(xué)穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)上，考慮直觀、便捷、經(jīng)濟(jì)等因素，采用頂板下沉拉繩位移傳感器、礦柱變形拉繩位移傳感器及鉆孔應(yīng)力傳感器對(duì)卡房1-9礦體頂板、礦柱的穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測(cè)。并對(duì)整套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及組件進(jìn)行了研發(fā)。

2 地壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

礦山地下開采中，房柱采礦法會(huì)形成較大暴露面積和暴露空間，回采作業(yè)過(guò)程中人員、設(shè)備均需進(jìn)入采場(chǎng)，安全隱患極大。該地壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)礦柱開裂，頂板冒落等現(xiàn)象提供檢測(cè)手段及方案。

整個(gè)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由傳感器(頂板下沉拉繩位移傳感器、礦柱變形拉繩位移傳感器、鉆孔應(yīng)力傳感器)、數(shù)據(jù)采集站、無(wú)線模塊、通信端、上位機(jī)、RS485總線和計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心等組成，系統(tǒng)工作原理見圖1。

圖1 系統(tǒng)工作原理圖Fig.1 Schematic diagram of system operation

各數(shù)據(jù)采集站點(diǎn)采集的相關(guān)數(shù)據(jù)，通過(guò)通信接口及無(wú)線信道傳送到上位機(jī)，經(jīng)處理后，可實(shí)時(shí)顯示礦柱變形位移、頂板下沉位移及鉆孔內(nèi)應(yīng)力變化相關(guān)參數(shù)，并存儲(chǔ)。

3 監(jiān)測(cè)設(shè)備的安裝

3.1 頂板下沉拉繩位移傳感器

將拉線式位移傳感器3安裝于安裝板6上，再將安裝板6固定于采場(chǎng)或巷道底板2上，將拉線式位移傳感器3的拉線外端頭連接于拉繩4的一端，拉繩4的另一端固定連接在錨頭7上(若采場(chǎng)或巷道空間高度較多地小于拉線式位移傳感器3本身的量程，可不需另配拉繩4，而直接將拉線式位移傳感器3的拉線外端與錨頭7固定連接)，錨頭7錨固于采場(chǎng)或巷道頂板1上的錨頭安裝孔8中，5為拉線式位移傳感器電源輸入及信號(hào)輸出線。具體安裝見圖2。

圖2 頂板下沉位移傳感器安裝示意圖Fig.2 Schematic diagram of roof subsidence displacement sensor installation

由于該裝置利用了拉線式位移傳感器3的拉線自動(dòng)回縮功能監(jiān)測(cè)頂板下沉位移，因此，裝置安裝時(shí)應(yīng)使拉線式位移傳感器3拉線的初始狀態(tài)為拉出一段的狀態(tài)，其初始拉出長(zhǎng)度應(yīng)大于待監(jiān)測(cè)頂板在可能的跨塌前的可能下沉量。

3.2 礦柱變形拉繩位移傳感器

將拉線式位移傳感器3固定于點(diǎn)式礦柱1的適當(dāng)高度和徑向位置，在點(diǎn)式礦柱1的相應(yīng)高度上用拉繩2環(huán)繞礦柱，并將其一端與拉線式位移傳感器3的拉線外端相連，拉繩2的另一端頭固定于礦柱上。環(huán)繞于礦柱上的拉繩全長(zhǎng)應(yīng)盡可能地與礦柱接觸。為減少拉繩與礦柱的摩擦，可于整個(gè)拉繩長(zhǎng)度上套以塑料管或在拉繩與礦柱的接觸段(點(diǎn))套以塑料管，4是位移傳感器電源輸入及信號(hào)輸出線。具體安裝見圖3。

圖3 礦柱變形位移傳感器安裝示意圖Fig.3 Installation diagram of pillar deformation and displacement sensor

3.3 鉆孔應(yīng)力傳感器

將連接好的承壓液壓(或氣壓)球2和連接管3置入事先鉆鑿好的鉆孔1中設(shè)定位置，打開三通閥5，用電動(dòng)加壓泵，通過(guò)三通閥，注入設(shè)定初始?jí)毫Φ囊后w(或氣體)，關(guān)閉三通閥，連接壓力變送器4的電纜信號(hào)線8(插入)。監(jiān)測(cè)過(guò)程中，通過(guò)壓力變送器4將應(yīng)力變化情況轉(zhuǎn)換為電信號(hào)供后續(xù)二次儀表或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)處理。6是高壓連接管，7是電動(dòng)加壓泵，具體安裝見圖4。

圖4 鉆孔應(yīng)力計(jì)傳感器安裝示意圖Fig.4 Schematic diagram of borehole stress meter sensor installation

4 地壓監(jiān)測(cè)對(duì)象

由于云錫卡房1-9礦群范圍較大、中段較多，且采場(chǎng)內(nèi)不規(guī)則礦柱較多，在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、數(shù)值模擬、力學(xué)模型對(duì)采空區(qū)、礦柱穩(wěn)定性研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合采場(chǎng)工程布置、采場(chǎng)結(jié)構(gòu)、現(xiàn)階段主要生產(chǎn)區(qū)域等，選取1800～1870中段6個(gè)地壓顯現(xiàn)特征較明顯區(qū)域的礦柱及空區(qū)頂板作為監(jiān)測(cè)對(duì)象，每個(gè)區(qū)域包括礦柱變形位移(上中下三個(gè)點(diǎn))、頂板下沉位移、鉆孔應(yīng)力變化，各區(qū)域共計(jì)30個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。各區(qū)域數(shù)據(jù)采集站點(diǎn)采集的相關(guān)數(shù)據(jù)，通過(guò)通信接口及無(wú)線信道傳送到計(jì)算機(jī)，經(jīng)處理后，可實(shí)時(shí)顯示礦柱變形位移、頂板下沉位移、鉆孔應(yīng)力變化及聲發(fā)射相關(guān)參數(shù)，并存儲(chǔ)。計(jì)算機(jī)安放位置及6個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域位置見圖5。井下地壓監(jiān)測(cè)站及現(xiàn)場(chǎng)部分監(jiān)測(cè)儀器安裝后照片見圖6。

圖5 計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心及6個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域位置圖Fig.5 Location map of computer monitoring center and 6 monitoring areas

圖6 地壓監(jiān)測(cè)站及現(xiàn)場(chǎng)部分監(jiān)測(cè)儀器安裝后照片F(xiàn)ig.6 Photos of ground pressure monitoring station and some on-site monitoring instruments after installation

5 監(jiān)測(cè)儀器數(shù)據(jù)處理及分析

5.1 頂板下沉位移數(shù)據(jù)處理分析

由于現(xiàn)場(chǎng)施工條件限制，僅在2、5、6號(hào)區(qū)域頂板上布置了下沉拉繩傳感器，根據(jù)需求，對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)7個(gè)多月礦柱的位移變化趨勢(shì)進(jìn)行了分析。從圖7監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，2號(hào)區(qū)域頂板最大下沉量為0.283 mm，5號(hào)區(qū)域頂板最大下沉量為0.804 mm，6號(hào)區(qū)域頂板最大下沉2.187 mm。所以從三個(gè)區(qū)域監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，頂板整體位移變化較小，最大下沉量?jī)H為2.187 m，不會(huì)出現(xiàn)大的垮塌，頂板整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖7 頂板位移傳感器位移-時(shí)間變化曲線圖Fig.7 Displacement-time variation curves of roof displacement sensor

5.2 礦柱變形位移數(shù)據(jù)處理分析

從圖8監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，1號(hào)礦柱變形量最大為2.382 mm，2號(hào)礦柱最大變形量為0.503 mm，3號(hào)礦柱最大變形量為1.186 mm，4號(hào)礦柱最大變形量為1.914 mm，5號(hào)礦柱最大變形量為0.698 mm，6號(hào)礦柱最大變形量為3.712 mm。從六個(gè)區(qū)域礦柱變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，所有礦柱變形量都比較小，最大僅為3.712 mm，所以礦柱不會(huì)出現(xiàn)大的破壞，整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖8 礦柱位移傳感器位移-時(shí)間變化曲線圖Fig.8 Displacement-time variation curves of pillar displacement sensor

5.3 鉆孔應(yīng)力計(jì)數(shù)據(jù)處理分析

監(jiān)測(cè)過(guò)程中，通過(guò)壓力變送器將應(yīng)力變化情況轉(zhuǎn)換為電信號(hào)供后續(xù)二次儀表或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)處理，軟件開發(fā)過(guò)程中，系統(tǒng)內(nèi)部已將數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換應(yīng)力值。因此，計(jì)算機(jī)度數(shù)即為應(yīng)力計(jì)傳感器在礦柱內(nèi)部所受的應(yīng)力。由于現(xiàn)場(chǎng)打孔設(shè)備限制，僅在3、4、5、6號(hào)礦柱上安放了鉆孔應(yīng)力計(jì)。從圖9可以看出，除3、4、5號(hào)礦柱在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)出現(xiàn)波動(dòng)外，其余時(shí)間段鉆孔內(nèi)傳感器受力比較均衡，沒(méi)有出現(xiàn)波動(dòng)或持續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，整體監(jiān)測(cè)到的應(yīng)力變化絕對(duì)值小于0.315 MPa，說(shuō)明這段時(shí)間開采過(guò)程應(yīng)力沒(méi)有持續(xù)增長(zhǎng)，而是趨于平穩(wěn)，礦柱整體是穩(wěn)定的。

圖9 鉆孔應(yīng)力計(jì)應(yīng)力-時(shí)間變化曲線圖Fig.9 Stress-time variation curves of borehole stress meter

6 結(jié)論

1)兼顧經(jīng)濟(jì)性、靈敏性、簡(jiǎn)便性和可靠性的原則，采用頂板下沉拉繩位移傳感器、礦柱變形拉繩位移傳感器及鉆孔應(yīng)力傳感器對(duì)卡房1-9礦體頂板、礦柱的穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測(cè)。并對(duì)整套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及組件進(jìn)行了研發(fā)。

2)在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、數(shù)值模擬、力學(xué)模型對(duì)采空區(qū)、礦柱穩(wěn)定性研究的基礎(chǔ)上，選取1800～1870中段6個(gè)地壓顯現(xiàn)特征較明顯區(qū)域的礦柱及空區(qū)頂板作為監(jiān)測(cè)對(duì)象。

3)通過(guò)監(jiān)測(cè)區(qū)域空區(qū)頂板、礦柱位移和應(yīng)力變化的監(jiān)測(cè)及分析，認(rèn)為空區(qū)頂板、礦柱位移最大變形量?jī)H為3.712 mm，且礦柱最大應(yīng)力變化絕對(duì)值僅為0.315 MPa，頂板和礦柱不會(huì)出現(xiàn)大的破壞，整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，為礦山后續(xù)開采的生產(chǎn)安全提供了理論和技術(shù)支撐。