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）

下告鐵礦采空區(qū)上覆懸頂巖層穩(wěn)定性研究

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)形成過程及上覆巖層工程地質(zhì)特征，基于DIPS軟件描述了采空區(qū)和礦區(qū)主要斷層之間的空間幾何關(guān)系，利用塊體理論分析了上覆巖層的穩(wěn)定性。同時利用12通道聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)對上覆巖層進(jìn)行監(jiān)測，認(rèn)為上覆懸頂巖層暫時處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。

采空區(qū)；塊體理論；聲發(fā)射監(jiān)測；穩(wěn)定性分析

1 下告鐵礦礦區(qū)概況

下告鐵礦隸屬河源市紫金天鷗礦業(yè)有限公司，礦區(qū)位于河源市的東南部、紫金縣城的西南部。下告礦區(qū)地形起伏較大，最低高程159.63m，最高高程為北部的帽子棟（531.90m），相對高差372.27 m。地形坡度10°～20°，北部地段坡度大于20°，屬低山丘陵地貌。

下告鐵礦自投產(chǎn)以來，一直采用分段空場采礦法采礦，經(jīng)過幾年的采礦后，全礦共有6001、6005、6009和6013四個采空區(qū)，且僅有＋47m、＋60m、＋75m和＋90m四個水平有采空區(qū)存在，空區(qū)底板標(biāo)高最低為＋46.7m，頂板標(biāo)高為＋107m，凈空區(qū)高度25.8～60.3m，凈空區(qū)總面積為1891m2，總體積約為8.28萬m3。根據(jù)公司規(guī)劃，礦山＋47m以下改用崩落采礦法，因此對采礦區(qū)進(jìn)行了處理并對礦柱進(jìn)行回采?？諈^(qū)間柱及空區(qū)上部巖體崩落后，形成面積約為5850m2的新空區(qū)。該礦區(qū)頂板距地表約30m，礦區(qū)第四系厚度為20m左右，新空區(qū)頂板巖體極可能會自然冒落至地表，形成9000 m2的陷落區(qū)。且在對下告鐵礦采空區(qū)間柱和上部巖體崩落后，采空區(qū)處于活動狀態(tài)，斷層F5附近出現(xiàn)了大范圍的崩塌。突然冒落產(chǎn)生的巖石沖擊和氣浪會對采礦作業(yè)產(chǎn)生影響，同時空區(qū)頂板巖體冒落時間及冒落規(guī)模的不確定性給礦山安全生產(chǎn)帶來了極大的隱患。因此，對上覆懸頂巖層的監(jiān)測就顯得非常必要，對空區(qū)上覆懸頂巖層穩(wěn)定性的實時監(jiān)測可以及時了解和掌握空區(qū)上覆懸頂巖層及圍巖的地壓活動情況和發(fā)展趨勢，從而給礦山安全生產(chǎn)提供可靠的依據(jù)。

2 基于塊體理論的采空區(qū)上覆巖層穩(wěn)定性分析

在實際工程中一般利用塊體理論分析法來分析巖體穩(wěn)定性。其是根據(jù)結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀等參數(shù)直接判斷相應(yīng)巖體的可動性，是“幾何法”分析，而且其過程完全是三維的，所得到的結(jié)果能直接用于工程需要。

2.1 上覆巖層工程地質(zhì)特征

下告礦段鐵礦床由矽卡巖所控制的16個礦體組成，主要分布在0～8號勘探線之間。礦床北東部以F5斷裂為界，南西以F4斷裂為界，東部以F2斷裂為界，西部以F4斷裂為界，頂部以大理巖，底部以花崗巖為界，總體分布在740m×310m×650m空間范圍內(nèi)。賦礦處為花崗巖外接觸帶的凹陷部位。礦體總體走向295°左右，傾向SW。本區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育，影響較大的斷裂構(gòu)造主要有F5、F6、F2。

（1）F5斷裂。F5切割了上三疊統(tǒng)和石炭系地層，是下告礦體的北部和西部邊界。F5斷裂為具有多期活動的張扭性斷裂。F5斷裂以石英斑巖貫入改造為特征，－100m高程以上主要充填物為石英斑巖，寬10～36m；產(chǎn)狀較陡，在1～8號勘探線總體走向294°～298°，傾向NE或SW，傾角60°～83°；在傾向剖面上呈彎曲狀，－100m高程以下主要構(gòu)造巖為擠壓破碎巖、角礫巖、硅質(zhì)膠結(jié)的角礫巖、石英脈，次為石英斑巖等，寬3～12m，走向275°～305°，傾向NE，傾角55°～65°。

（2）F6斷裂。F6見于礦段中部，帽子棟南側(cè)，在礦段內(nèi)呈舒緩波狀延伸，出露長度3.4km，以擠壓破碎帶的形式產(chǎn)出，寬2～18m，局部達(dá)20多米。斷裂帶傾向345°，傾角70°。破碎帶內(nèi)見傾向為290°的裂隙甚為發(fā)育。F6早期顯示壓性，后期顯示壓扭性。

（3）F2斷裂。為區(qū)域性北東向合水?dāng)嗔褞е鞲蓴嗔阎?，見于下告礦段南東側(cè)、錫坑寨東側(cè)，礦段內(nèi)出露長約1.5km，沿走向呈舒緩波狀，延伸出礦區(qū)，破碎帶寬約1.5～15m。破碎帶以褐鐵礦化碎裂構(gòu)造巖、糜棱巖及擠壓透鏡體組成。沿斷裂帶常見石英斑巖、花崗斑巖等巖脈貫入。斷裂傾向120°～130°，傾角60°～80°。斷裂兩側(cè)圍巖角巖化強(qiáng)烈，斷裂南東盤的北西向派生裂隙中，常充填石英球粒斑巖脈，巖脈膨縮、尖滅變化明顯，故原裂隙具張性特征。該斷裂應(yīng)為南東盤相對北西盤向北東斜沖屬壓扭性。

2.2 塊體穩(wěn)定性分析

影響下告鐵礦采空區(qū)上覆懸頂巖層穩(wěn)定性的斷層主要為F5、F6、F2，利用DIPS軟件作出斷層與采空區(qū)邊界的赤平投影圖，如圖1所示，并繪出空間關(guān)系示意圖（見圖2）。

圖1 采空區(qū)邊界與斷層赤平投影

圖2 采空區(qū)邊界與斷層局部空間示意

從圖1和圖2可以看到，斷層面和采空區(qū)邊界面之間切割成了若干個塊體，由塊體理論可知圖2中陰影部分為可能失穩(wěn)塊體。可能失穩(wěn)塊體是指在工程作用力和自重作用下，由于滑動面有足夠的抗剪強(qiáng)度才保持穩(wěn)定的塊體，若滑動面上的抗剪強(qiáng)度減低，這類塊體可能失穩(wěn)。礦山地壓實際顯現(xiàn)的情況正好說明這一點，斷層F5中有強(qiáng)度相對較弱的充填物，在受采動影響、斷層活動和雨水沖刷等影響后，滑動面上的抗剪強(qiáng)度減弱，導(dǎo)致可能失穩(wěn)塊體發(fā)生滑移剪切破壞，如圖3所示。

圖3 可能失穩(wěn)塊體的滑移剪切破壞

由上述分析可知：采空區(qū)上覆懸頂巖層受斷層（F5）影響，在局部已經(jīng)出現(xiàn)滑移破壞。但是采空區(qū)上覆懸頂巖層整體性較好，目前并沒有大規(guī)模的冒落，但隨著地下采礦的進(jìn)行，塌陷區(qū)范圍不斷增大，采空區(qū)上覆巖層也可能會發(fā)生大規(guī)模冒落。

3 基于多通道聲發(fā)射監(jiān)測的采空區(qū)上覆巖層穩(wěn)定性分析

上述是從理論上分析了采空區(qū)上覆懸頂巖層的穩(wěn)定性，具有一定的指導(dǎo)作用，但是要準(zhǔn)確地了解采空區(qū)上覆巖層的變化情況，就必須對采空區(qū)上覆懸頂巖層進(jìn)行實時監(jiān)測?；诖耍赂骅F礦建立了1套12通道聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)。

3.1 多通道聲發(fā)射系統(tǒng)組成

天鷗礦業(yè)下告鐵礦采用STL－12型多通道聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)，如圖4所示，該系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集儀和12個傳感器組成，數(shù)據(jù)處理站建在地表。在每個傳感器與數(shù)據(jù)采集儀之間為模擬信號傳送，采用信號電纜線相連；數(shù)據(jù)采集站與井口數(shù)據(jù)處理站之間數(shù)據(jù)先從數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成光信號，經(jīng)光纜傳輸至井口數(shù)據(jù)處理站，再由光信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號到達(dá)處理器。

3.2 AE監(jiān)測研究

3.2.1 AE信號辨識研究

AE監(jiān)測主要是監(jiān)測采區(qū)巖體在開挖時圍巖體內(nèi)應(yīng)力集中導(dǎo)致巖體破裂而產(chǎn)生的震動信號，利用這些監(jiān)測到的前兆信號來評價巖體的穩(wěn)定性。因此，必須掌握監(jiān)測到的信號的辨識，針對我們要監(jiān)測的目標(biāo)，剔除噪音，提取有用信號，為進(jìn)一步的巖體穩(wěn)定性和地壓災(zāi)害評價提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖4 系統(tǒng)組成

對下告鐵礦聲發(fā)射波形的辨識主要分為3類：巖體破裂波形、爆破波形和其它噪音波形。

（1）巖體破裂事件波形的振幅一般都較小，巖體破裂事件主要為高頻成分，主要的頻率段都是在幾百到兩千赫茲左右，波形如圖5所示。

圖5 巖體破裂波形

（2）爆破波形信號的特點是：波形振幅大，觸發(fā)較多傳感器且部分信號幅值到達(dá)幅值；爆破持續(xù)事件長，形成單一連續(xù)波形，如圖6所示。

圖6 爆破波形

（3）鑿巖具有連續(xù)性，沖擊頻率比較固定，因此，波形圖沖擊部分具有明顯的規(guī)律性。進(jìn)、出鉆時，由于鉆桿只和部分孔壁摩擦，這部分的振幅較小，如圖7所示。

圖7 鑿巖波形

（4）低頻干擾時（如井下電機(jī)車運行）的波形和其它波形相比頻率明顯更低，比較容易區(qū)分，如圖8所示。

圖8 低頻干擾時的聲音波形

3.2.2 AE日常監(jiān)測研究

AE監(jiān)測是一項長期的工作，必須每天堅持記錄聲發(fā)射事件、定期統(tǒng)計并了解事件的變化情況，同時緊密結(jié)合生產(chǎn)實際及時掌握地壓顯現(xiàn)狀況。

（1）事件記錄。每天堅持按聲發(fā)射監(jiān)測記錄表按時記錄，發(fā)現(xiàn)有異常情況及時處理并查明原因。圖9為系統(tǒng)每天統(tǒng)計的事件數(shù)圖。

圖9 事件數(shù)統(tǒng)計

（2）對單個通道事件進(jìn)行定期統(tǒng)計。對12個通道的事件進(jìn)行定期統(tǒng)計，根據(jù)礦山實際情況，可每月統(tǒng)計一次，并觀察各個通道在統(tǒng)計時間范圍內(nèi)是否有事件異常增加的情況。

3.3 懸頂穩(wěn)定性分析

下告鐵礦多通道聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)于2011年7月11號建立并調(diào)試成功，經(jīng)過一段時間的監(jiān)測，系統(tǒng)運行正常，并且能夠?qū)Σ煽諈^(qū)上覆巖層穩(wěn)定性進(jìn)行有效的實時監(jiān)測。從這幾個月的巖石聲發(fā)射事件數(shù)來看（見圖10、圖11），每個通道每天事件數(shù)在幾到幾十不等，并沒有特別異常的變化。說明目前采空區(qū)上覆懸頂巖層并沒有大規(guī)模的地壓顯現(xiàn)，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。監(jiān)測還發(fā)現(xiàn)靠近采空區(qū)附近的傳感器（如1～6號傳感器）事件數(shù)明顯多于遠(yuǎn)離采空區(qū)的其它傳感器。這和實際的地壓顯現(xiàn)特點相吻合。

圖10 7月份事件數(shù)統(tǒng)計

圖11 8月份事件數(shù)統(tǒng)計

4 結(jié) 論

本文針對下告鐵礦采空區(qū)及空區(qū)上覆巖層特征，利用DIPS軟件和塊體理論分析了空區(qū)上覆懸頂巖層的穩(wěn)定性，并利用建立的12通道聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)對上覆懸頂巖層進(jìn)行監(jiān)測。目前多通道聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)在下告鐵礦開展了初步的運用研究工作，取得了初步成果。

（1）根據(jù)上覆巖層的工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)特點，采用DIPS軟件和塊體理論分析了上覆懸頂巖層的穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)斷層F5與采空區(qū)邊界在空間上切割成可能失穩(wěn)塊體，對上覆懸頂巖層的穩(wěn)定性產(chǎn)生了較大的影響。

（2）建立調(diào)試好的12通道聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對上覆懸頂巖層的全天候?qū)崟r監(jiān)測。

（3）通過幾個月的實際聲發(fā)射監(jiān)測，得到各個通道的巖石聲發(fā)射事件表現(xiàn)不一，但變化不大，說明上覆懸頂巖層暫時處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。

（4）隨著采礦的進(jìn)行，崩落范圍會越來越大，采空區(qū)上覆懸頂巖層可能會發(fā)生大規(guī)模塌陷，因此需要堅持監(jiān)測。

［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，2005，24（12）：2048－2053.

［2］付占宇，彭府華.采空區(qū)上覆巖層穩(wěn)定性聲發(fā)射監(jiān)測可行性研究［J］.采礦技術(shù)，2011，11（4）：77－79.

［3］劉國清.基于聲發(fā)射的巖體工程災(zāi)害微震監(jiān)測系統(tǒng)［J］.采礦技術(shù)，2005，5（1）：37－38.

［4］劉錦華.塊體理論在工程巖體穩(wěn)定分析中的應(yīng)用［M］.北京：水利電力出版社，1986.

［5］李建勇，等.巖體穩(wěn)定性分析的塊體理論方法研究［J］.計算機(jī)工程與應(yīng)用，2010，46（21）：4－8.

［6］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，2010，21（4）：109－115.

［7］李庶林.試論微震監(jiān)測技術(shù)在地下工程中的應(yīng)用［J］.地下空間與工程學(xué)報，2009，5（1）：122－128.

［8］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.聲發(fā)射檢測［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

2011－11－23）

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