張 洋 李占金 李示波 張艷博

(河北聯合大學礦業(yè)工程學院)

某鐵礦屬于河北省地方礦山，采用空場法進行地下開采已有十幾年的歷史。礦床回采后，由于技術落后和單純追求經濟利益，一直沒有對采空區(qū)進行處理，已形成49個大小不等的采空區(qū)，空區(qū)總體積達58.4萬m3，其中最大單個采空區(qū)頂板暴露面積達1 100 m2，體積為4.68萬m3。隨著采礦活動向深部發(fā)展和空區(qū)體積的增加，綜合治理和管理采空區(qū)成為了該礦山企業(yè)必須解決的重大安全生產問題。因此，必須采用一種先進的地壓監(jiān)測技術，對采空區(qū)地壓進行監(jiān)測，并對采空區(qū)穩(wěn)定性進行分析預測，為礦山的安全生產提供保障。

聲發(fā)射監(jiān)測技術是利用巖體在發(fā)生破裂、滑動過程中會產生一定頻率的聲發(fā)射信號的原理來進行工程巖體穩(wěn)定性分析的技術方法，可以確定巖體的荷載水平、評定危險等級，發(fā)現潛在的不穩(wěn)定區(qū)，對巖體破壞進行預報，從而可以以監(jiān)測數據為依據提出必要的預防和處理措施。相比之前的光測法和電測法，聲發(fā)射技術更為先進和方便。20世紀70年代初該技術被引入我國，并將其應用到礦山礦柱巖體穩(wěn)定性和巖爆監(jiān)測中，解決了許多礦山技術難題。目前，逐漸把此技術作為一種地壓監(jiān)測手段，確保地下工程及礦井生產安全［1-3］。

1 聲發(fā)射地壓監(jiān)測系統(tǒng)

該礦山引進長沙礦山研究院開發(fā)的STL－12多通道聲發(fā)射監(jiān)測定位系統(tǒng)(如圖1)，該系統(tǒng)是利用聲發(fā)射技術監(jiān)測采場或者空區(qū)圍巖地壓的先進設備，通過軟件、硬件的有機結合，極大地提高了現場噪音抑制能力，較好地解決了被測體各向異性對定位精度的影響，從而大幅度提高了分析結果的準確性。該系統(tǒng)可用于對大范圍巖體工程進行巖體分類、巖體穩(wěn)定性分析、冒頂片幫預測預報、礦山大面積地壓綜合分析，以及各種振動頻率與聲波測試、地質結構和空區(qū)探測等方面。通過電話撥號，可以實現遠程啟動、關閉數據采集機、遠程采集數據、遠程設置參數;具有操作簡單、經濟實用、實時監(jiān)測和提前預報的特點。利用這套系統(tǒng)可以對采空區(qū)地壓進行有效的監(jiān)測，便于技術人員對空區(qū)穩(wěn)定性進行分析，及時處理安全隱患，避免災害事故的發(fā)生［4-8］。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)

2 地壓監(jiān)控方法

通過對礦山采空區(qū)賦存現狀的調查和數值模擬分析，確定在－85 m水平和－130 m水平各布置6個測點(如圖2～圖3)，充分利用聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)，對采空區(qū)地壓進行全天候24 h監(jiān)測。

在監(jiān)測過程中，監(jiān)測人員每天需要整理1次監(jiān)測數據，發(fā)現監(jiān)測數據異常時，注意觀測數據變化，結合波型數據庫分析變化原因，對空區(qū)地壓引起的數據變化及時匯報。每月對地壓活動區(qū)的監(jiān)測情況進行2～4次分析總結，結合采空區(qū)安全等級劃分標準，判斷當前采空區(qū)穩(wěn)定性狀況。

由于受地質條件、巖石性質、開采年限等多種因素影響，空區(qū)塌陷地壓災害有很多的不確定性，而且塌陷過程往往是突發(fā)的，其造成的嚴重后果很難預料。必須加強空區(qū)地壓的日常監(jiān)測工作，及時對監(jiān)測數據進行分析，當監(jiān)測數據出現異常，巖石破壞的聲發(fā)射事件增多，平均事件率達到3次/min，局部時段達到5次/min以上，連續(xù)幾天全天平均事件率有明顯的上升趨勢，測點周邊無爆破作業(yè)，多測點監(jiān)測到大量高能量事件，各測點同時監(jiān)測到的聲發(fā)射事件很多且持續(xù)時間較長，或周期性出現時，應及時分析產生原因，并進行現場勘查，若發(fā)現有“巖音”現象(即巖層發(fā)響，大響如炸雷是巖層深部離層和斷裂，小響如鞭炮聲表明巖層淺部受壓破壞)，頻率由低向高增大，巷道及采場出現裂縫、掉塊，是空區(qū)塌陷前兆，應及時匯報并通知井下人員撤出。

3 監(jiān)測數據和空區(qū)穩(wěn)定性分析

利用STL－12多通道聲發(fā)射監(jiān)測定位系統(tǒng)對空區(qū)地壓進行全天候24 h監(jiān)測。系統(tǒng)經過1 a左右的正常運行，實時地監(jiān)測存儲了地壓聲發(fā)射數據，通過整理分析數據，得到了如下結果。

3.1 巖石破壞聲發(fā)射數據特征

巖石在受力變形過程中以彈性波形式釋放應變能產生聲發(fā)射信號，其攜帶了有關巖體特性的信息，根據這些信息可以判斷巖體的破壞程度，評價采空區(qū)穩(wěn)定性，對地壓災害進行提前預報。通過對1 a監(jiān)測數據的分析，得出該礦巖石破壞聲發(fā)射波形和參數特征如表1所示。

表1 巖石破壞聲發(fā)射特征

3.2 典型波形事件的判斷與采空區(qū)穩(wěn)定性分析

通過整理分析監(jiān)測數據發(fā)現，一些波形有規(guī)律地在某段時間內或只在某些通道出現，因此，需要確定這些波形的產生原因，判斷是否與巖石聲發(fā)射存在關系，為分析采空區(qū)穩(wěn)定性提供依據。各種典型波形和分析結果如圖4～圖9所示。

圖4中1～8號通道沒有波形，9～12號通道出現低頻小能量波形，數目極少，說明此時12個測點附近沒有巖石聲發(fā)射事件，空區(qū)周圍的巖石處于穩(wěn)定狀態(tài)，地壓活動不明顯，未發(fā)生開裂、斷裂現象。

圖9 2012年6月9日257號波形

圖5中12個通道同時監(jiān)測到聲發(fā)射事件，這些事件呈現衰減快、頻率小、能量大的特點，持續(xù)時間不長，事件率達到0.6次/min(3次/5 min)，頻率100 Hz以下，能量分布在60～128，該波形屬于低頻波形，不符合巖石變形破壞發(fā)生的聲發(fā)射波形特征，且發(fā)生時間為凌晨4點左右，處于井下爆破采礦時間段，因此可以確定此波形為井下爆破波形，對采空區(qū)的穩(wěn)定性影響不大。

圖6中顯示只有6號通道監(jiān)測到波形，事件發(fā)生在10點左右(采場爆破剛剛完成后)，主要頻率為185 Hz，能量為56，持續(xù)時間短，事件少，屬于巖石聲發(fā)射事件。判斷是測點附近有局部巖石掉塊現象，從聲發(fā)射的能量和頻率來看，能量較小，可以斷定只是局部掉塊，且掉塊較小。

圖7中5#、6#、11#、12#測點同時監(jiān)測到波形，發(fā)生在9點11分左右，能量在100～128，主要頻率較大為333 Hz，屬于典型的巖石聲發(fā)射信號特征，該聲發(fā)射過程持續(xù)幾分鐘過后波形消失。聲發(fā)射過程持續(xù)發(fā)生在9點11分左右，此時正處在溜井放礦時間段內，這4個測點距離溜井很近，根據巖石聲發(fā)射持續(xù)時間和波形特征，通過和井下詢問放礦時間，可以確定此種波形是由于溜井放礦而產生的。

圖8中7#、8#測點出現波形，最大能量為17，主要頻率為26 Hz，不是巖石聲發(fā)射波形，屬于低頻小能量事件，持續(xù)時間很長，頻率能量基本無變化。調查發(fā)現7#、8#測點附近2臺水泵一直在工作，噪聲很大，周圍無其他影響且之前水泵不工作時沒有出現過類似波形，所以判斷此為受水泵工作影響而產生的波形。

圖9中相距較近的9#、10#、11#、12#這4個測點監(jiān)測到波形(11#測點處有一振動放礦機)，最大能量為127，主要頻率為278 Hz，持續(xù)時間幾秒鐘后消失且11#測點首先觸發(fā)，通過與井下工人核對時間，分析是由于大塊礦石不便于裝車而在11#測點附近對其進行爆破而產生的波形。

通過對采空區(qū)地壓監(jiān)測典型聲發(fā)射數據的分析可知，巖石破壞引起的聲發(fā)射事件較少，事件率沒有出現突增現象，能率也處于較低水平，通過分析得知大多數事件是由于采礦活動或周邊設備干擾引起的，巖石破壞的聲發(fā)射事件數很少，經過井下現場的調查，圍巖和礦柱沒有出現大的開裂和掉塊現象，可以斷定目前采空區(qū)穩(wěn)定性較好。

4 結論

(1)結合礦山采空區(qū)的實際賦存情況，引進了一套STL－12型多通道聲發(fā)射監(jiān)測定位系統(tǒng)，對空區(qū)地壓進行全天候實時監(jiān)測，通過分析地壓監(jiān)測數據和查看采空區(qū)巖石實際情況的方法，確保監(jiān)測系統(tǒng)充分發(fā)揮作用，保障礦山的安全生產。

(2)整理分析了1 a以來的監(jiān)測數據，總結出了巖石破壞聲發(fā)射的特征和受采礦活動影響或周邊設備影響而產生的聲發(fā)射波形特征，確定目前采空區(qū)穩(wěn)定性較好，地壓活動不明顯，可以作為礦山安全生產的依據。

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