付占宇，彭府華

(1.河源市紫金天鷗礦業(yè)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(qū)上覆巖層穩(wěn)定性聲發(fā)射監(jiān)測可行性研究

付占宇1，彭府華2

(1.河源市紫金天鷗礦業(yè)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(qū)規(guī)模及地壓特點(diǎn)，論述了采用多通道聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行采空區(qū)上覆懸頂巖層穩(wěn)定性監(jiān)測的必要性，介紹多通道聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)方案和特點(diǎn)。針對(duì)下告鐵礦采空區(qū)分布、斷層影響和地壓活動(dòng)等情況，確定了采用12通道聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行地壓監(jiān)測，并對(duì)傳感器的布置進(jìn)行了優(yōu)化，給出了傳感器的合理分布位置。

懸頂巖層;巖層穩(wěn)定性;多通道聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng);傳感器布置優(yōu)化

廣東天鷗礦業(yè)有限責(zé)任公司下告鐵礦位于廣東省河源市境內(nèi)，屬低山丘陵地貌，地表植被較發(fā)育，以灌木、幼松為主。礦床采用主井、副井、斜坡道聯(lián)合開拓。自2008年投產(chǎn)以來，下告鐵礦初期曾采用分段空?qǐng)霾傻V法開采，后來由于礦山擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模的需要，改用無底柱分段崩落法開采。初期空?qǐng)龇ㄩ_采遺留了較大規(guī)模的采空區(qū)，在改用無底柱分段崩落法過程中，對(duì)間柱、頂柱及采空區(qū)進(jìn)行了處理。由于采空區(qū)頂板巖層比較穩(wěn)固，沒有形成連續(xù)的崩塌覆蓋巖層，產(chǎn)生了較大規(guī)模的懸頂，地壓比較明顯，威脅到了當(dāng)前的采礦生產(chǎn)安全。因此，必須開展必要的地壓監(jiān)測研究工作。

1 空區(qū)上覆巖層與地壓特點(diǎn)

1.1 空區(qū)上覆巖層

空區(qū)上覆巖層由上至下為第四系表土層和灰?guī)r。第四系(Q)按其成因類型及物質(zhì)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(fā)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(zhì)粘土、砂、巖屑及基巖風(fēng)化碎塊等組成，表層受腐殖質(zhì)影響，呈灰色、黃灰色，含植物碎屑等，植被發(fā)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?guī)r?；液谏?，見磷片不等粒花崗變晶結(jié)構(gòu)，薄層—條帶狀構(gòu)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?guī)r巖性較好，節(jié)理裂隙不太發(fā)育。

1.2 采空區(qū)地壓特點(diǎn)

下告鐵礦經(jīng)過前期的采礦后，全礦共有4個(gè)采空區(qū)(6001、6005、6009 和6013)，且僅有 +47，+60，+75 m和+90 m 4個(gè)水平有采空區(qū)存在，空區(qū)底板標(biāo)高最低為+46.7 m，頂板標(biāo)高為+107 m，凈空區(qū)高度 25.8～60.3 m，凈空區(qū)總面積為 1891 m2，總體積約為8.28萬m3，根據(jù)規(guī)劃，礦山+47 m以下改用崩落采礦法。因此對(duì)采空區(qū)進(jìn)行了處理并對(duì)礦柱進(jìn)行回采，在對(duì)空區(qū)間柱及空區(qū)上部巖體崩落后，預(yù)計(jì)形成面積約為5850 m2的新空區(qū)。

由于礦體上覆巖層比較穩(wěn)固，頂板巖層出現(xiàn)了較大范圍的懸頂現(xiàn)象。由于受到下盤F5斷層的影響和采空區(qū)的共同作用，上部開采導(dǎo)致地壓顯現(xiàn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

(1)近年來，懸頂?shù)纳细矌r層產(chǎn)生過兩次較大規(guī)模的冒頂現(xiàn)象，對(duì)井下采場產(chǎn)生了明顯的沖擊，破壞了采場下盤鑿巖巷道的巖體結(jié)構(gòu)，還造成過人員受傷事故;

(2)回收采空區(qū)內(nèi)礦柱的過程中，上覆巖層沿著F5斷層錯(cuò)動(dòng)和崩塌，發(fā)展到地表，并產(chǎn)生了較大規(guī)模的塌陷地質(zhì)災(zāi)害;

(3)由于上覆巖層巖性好，節(jié)理裂隙不太發(fā)育，在進(jìn)行礦柱回收和人工放頂處理時(shí)，頂板不能自然冒落，到目前為止采空區(qū)上覆巖層形成了較大規(guī)模的懸頂，這對(duì)未來的井下安全生產(chǎn)帶來了很大的地壓災(zāi)害隱患。

2 空區(qū)上覆巖層監(jiān)測方案選擇

由于受采動(dòng)及斷層的影響，新空區(qū)面積不斷加大，空區(qū)頂板巖體可能還會(huì)繼續(xù)冒落至地表。突然冒落產(chǎn)生的沖擊和氣浪會(huì)對(duì)采礦作業(yè)產(chǎn)生影響，再加上空區(qū)頂板巖體冒落時(shí)間及冒落規(guī)模的不確定性，空區(qū)上覆巖層給礦山安全產(chǎn)生帶來了極大的隱患。因此對(duì)采空區(qū)上覆巖層穩(wěn)定性進(jìn)行全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測是非常必要的。但是，傳統(tǒng)的監(jiān)測方法都有明顯的缺陷，如井下應(yīng)力計(jì)、應(yīng)變計(jì)監(jiān)測、地表巖移監(jiān)測等都不是實(shí)時(shí)監(jiān)測、不能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地反映巖體的穩(wěn)定性，不能全面反映巖體內(nèi)部的變形和破壞情況，且監(jiān)測的勞動(dòng)強(qiáng)度大等。特別是下告鐵礦+47 m以上的采空區(qū)上盤沒有通道，人員不可能進(jìn)入上盤接近懸頂頂板進(jìn)行常規(guī)監(jiān)測。另外，僅僅采用地表巖移監(jiān)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(fā)性崩塌的前兆特性。因此，選擇一種可以實(shí)現(xiàn)全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測的地壓監(jiān)測方法，克服上述傳統(tǒng)監(jiān)測方法的缺點(diǎn)，對(duì)于下告鐵礦上覆巖層地壓監(jiān)測是十分必要的。

多通道聲發(fā)射與微震監(jiān)測技術(shù)有其自身的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)［1，2］，可以克服傳統(tǒng)監(jiān)測方法的弊端，近年來在國內(nèi)礦山地壓監(jiān)測中得到了推廣應(yīng)用，并在硬巖金屬礦山的地壓監(jiān)測應(yīng)用中取得了較好的效果［1～3］。針對(duì)下告鐵礦采空區(qū)地壓特點(diǎn)，采用多通道聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)上覆巖層進(jìn)行全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測，可以及時(shí)了解和掌握懸頂巖體的地壓活動(dòng)情況和發(fā)展趨勢，及時(shí)捕捉巖體破裂的前兆信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)可能發(fā)生的大面積頂板冒頂災(zāi)害的安全預(yù)警，從而給礦山安全生產(chǎn)提供可靠的依據(jù)。

3 多通道聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)及其技術(shù)特點(diǎn)

3.1 系統(tǒng)組成

根據(jù)下告鐵礦上覆懸頂巖層的范圍和規(guī)模，以及上覆巖層的厚度等，確定采用12通道聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)采空區(qū)上覆懸頂巖層穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測。該系統(tǒng)主要由12通道數(shù)據(jù)采集儀、12個(gè)單軸傳感器和數(shù)據(jù)監(jiān)控處理站3部分組成，數(shù)據(jù)處理站建在地表辦公樓內(nèi)，系統(tǒng)組成如圖1所示。在每個(gè)傳感器與數(shù)據(jù)采集儀之間為模擬信號(hào)傳送，采用信號(hào)電纜線相連;數(shù)據(jù)采集儀與監(jiān)控處理站之間先從數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，經(jīng)光纜傳輸至數(shù)據(jù)處理站，再由光信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)達(dá)到監(jiān)控分析計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)傳輸送。

圖1 多通道聲發(fā)射系統(tǒng)

3.2 系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)［4，5］

(1)實(shí)時(shí)監(jiān)測。多通道AE監(jiān)測系統(tǒng)，一般是通過以陣列的形式把傳感器固定安裝在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域內(nèi)巖體因受應(yīng)力作用而產(chǎn)生的聲發(fā)射信息的有效采集。該技術(shù)的一個(gè)重要特點(diǎn)是它可實(shí)現(xiàn)對(duì)聲發(fā)射事件的全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測。

(2)全范圍立體監(jiān)測。聲發(fā)射技術(shù)突破了傳統(tǒng)監(jiān)測方法力(應(yīng)力)、位移(應(yīng)變)中的“點(diǎn)”或“線”意義上的監(jiān)測模式，通過系統(tǒng)優(yōu)化布局，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)監(jiān)測范圍內(nèi)的巖體聲發(fā)射過程在空間概念上的時(shí)間過程監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)常規(guī)方法人不可達(dá)到巖體內(nèi)部的監(jiān)測。

(3)全數(shù)字化數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)及處理。多通道聲發(fā)射技術(shù)采用全數(shù)字化技術(shù)，克服了模擬信號(hào)系統(tǒng)的缺點(diǎn)，對(duì)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)和處理更加方便，使得計(jì)算機(jī)監(jiān)控成為可能。系統(tǒng)的高速采樣以及P波的全波形顯示，使得對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的頻譜分析和事件的判別直觀方便。

4 傳感器布置與監(jiān)測效果方案優(yōu)化

4.1 地壓監(jiān)測區(qū)域

根據(jù)采空區(qū)空間分布范圍和分布狀況、上覆懸頂巖層的厚度，監(jiān)測的對(duì)象主要是采空區(qū)上覆懸頂巖層。由于傳感器有較大的觸探范圍，本系統(tǒng)的實(shí)際監(jiān)測范圍是從采空區(qū)懸頂巖體頂板直到地表、跨0～4勘探線之間的、包括F5在內(nèi)的上覆巖層區(qū)域，見圖2。

圖2 監(jiān)測區(qū)域

4.2 傳感器的優(yōu)化布置

如果將傳感器布置在采空區(qū)下面的巖體中，采空區(qū)上覆巖體失穩(wěn)產(chǎn)生的應(yīng)力波穿過較大的采空區(qū)到達(dá)井下傳感器，這個(gè)過程由于波的幾何擴(kuò)張和散射，導(dǎo)致應(yīng)力波衰減嚴(yán)重，從而影響系統(tǒng)的監(jiān)測效果。因此考慮將傳感器布置在采空區(qū)上覆巖層中。

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

圖3 地表監(jiān)測范圍圈

圖4 +34 m監(jiān)測范圍圈

圖5 立體范圍圈包絡(luò)面

5 結(jié)語

根據(jù)下告鐵礦空區(qū)分布情況和礦山地壓特點(diǎn)，提出了采用12通道AE技術(shù)對(duì)空區(qū)上覆巖層進(jìn)行地壓監(jiān)測。采用仿真模擬的方法，并結(jié)合地表地形情況給出了傳感器位置的優(yōu)化結(jié)果。這只是對(duì)多通道AE監(jiān)測系統(tǒng)在下告鐵礦的應(yīng)用進(jìn)行了一個(gè)可行性的論述，12通道聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)建立起來之后，如何有效的監(jiān)測空區(qū)上覆巖層的穩(wěn)定性，以確保礦山安全生產(chǎn)，還需要做大量的工作。

［1］ 李庶林，尹賢剛，鄭文達(dá)，等.凡口鉛鋅礦多通道微震監(jiān)測系統(tǒng)及其應(yīng)用研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24(12):2048－2053.

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

［3］ 胡靜云，林 峰，彭府華，等.香爐山鎢礦殘采空區(qū)地壓災(zāi)害微震監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用分析［J］.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2010，21(4):109－115.

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［5］ 國防科技工業(yè)無損檢測人員資格鑒定與論證培訓(xùn)教材編審委員會(huì).聲發(fā)射檢測［M］.北京:機(jī)械工業(yè)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(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29(5):996－1002.

2011－03－29)

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