李示波 李占金 張 洋 盧宏建

(河北聯(lián)合大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院 河北 唐山 063009)

聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)用于采空區(qū)地壓災(zāi)害預(yù)測(cè)

李示波 李占金 張 洋 盧宏建

(河北聯(lián)合大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院 河北 唐山 063009)

東河灣鐵礦經(jīng)過(guò)多年開(kāi)采，存在采空區(qū)多、滯留時(shí)間長(zhǎng)、安全隱患大等問(wèn)題。為了在采空區(qū)發(fā)生重大地壓災(zāi)害前能夠提前預(yù)警，以便采取必要的安全措施，預(yù)防采空區(qū)重大災(zāi)害發(fā)生，須建立預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)。以巖石力學(xué)試驗(yàn)及采空區(qū)有限元穩(wěn)定性分析為基礎(chǔ)，分析最易發(fā)生重大災(zāi)害的區(qū)域，確定必要的監(jiān)測(cè)范圍。選用國(guó)內(nèi)先進(jìn)的STL-12型聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，針對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域建立了完善的聲發(fā)射在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)體系。利用室內(nèi)聲發(fā)射試驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)震動(dòng)波形實(shí)測(cè)，構(gòu)建了巖石聲發(fā)射及其他震動(dòng)波形庫(kù)，總結(jié)了該礦巖石破壞過(guò)程的聲發(fā)射特征。通過(guò)波形分析及時(shí)掌握了采空區(qū)圍巖地壓活動(dòng)的聲發(fā)射信息變化規(guī)律，制定了完善的預(yù)警預(yù)報(bào)制度。近2 a的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，該系統(tǒng)可為東河灣鐵礦采空區(qū)塌陷的預(yù)測(cè)預(yù)警提供技術(shù)支撐。

聲發(fā)射 采空區(qū) 地壓災(zāi)害 預(yù)測(cè)

河北省鐵礦資源豐富，是全國(guó)著名的三大鐵礦區(qū)之一?；诤颖笔〉胤借F礦床的賦存特點(diǎn)，80%以上的地下礦山都使用生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、成本較低的空?qǐng)霾傻V法。但是應(yīng)用空?qǐng)龇ㄩ_(kāi)采的礦山，在礦房回采完畢后,應(yīng)及時(shí)回收礦柱并處理采空區(qū)[1-2]。然而,一方面由于技術(shù)落后，處理空區(qū)難度大、成本較高，另一方面由于單純追求經(jīng)濟(jì)利益，不愿投入，所以在礦床回采后，滯留了大量的空區(qū)，這些空區(qū)一旦陷落將對(duì)下部生產(chǎn)中段構(gòu)成嚴(yán)重威脅，甚至?xí)?dǎo)致災(zāi)難性后果，為礦山的安全生產(chǎn)留下了嚴(yán)重的安全隱患，東河灣鐵礦便是其中一例[3]。

1 東河灣鐵礦開(kāi)采現(xiàn)狀

東河灣鐵礦三礦體礦區(qū)2001年投產(chǎn)，采用豎井盲豎井聯(lián)合開(kāi)拓。主井底至-130 m水平，回風(fēng)井底至+20 m水平，共分為-20、-85、-130、-175 m，4個(gè)主要開(kāi)采水平，至2010年8月-85 m以上礦體基本采空,現(xiàn)有采空區(qū)共49個(gè)。主要開(kāi)拓系統(tǒng)及空區(qū)分布情況如圖1，采空區(qū)總體積58.4萬(wàn)m3，采空區(qū)體積大小不一，1萬(wàn)m3以上21個(gè)，其中最大單個(gè)采空區(qū)體積達(dá)4.68萬(wàn)m3。

圖1 東河灣礦區(qū)開(kāi)拓系統(tǒng)及空區(qū)分布Fig.1 Development system and distribution of mined-out areas in Donghewan Mine

東河灣三礦體經(jīng)多年開(kāi)采，形成的采空區(qū)規(guī)模大，滯留時(shí)間長(zhǎng)，容易冒落坍塌。一旦大范圍塌陷，采空區(qū)內(nèi)的空氣會(huì)突然涌出，形成強(qiáng)烈沖擊波，嚴(yán)重威脅井下工作人員的生命安全[4]。為避免空區(qū)突然塌陷造成災(zāi)難性后果，應(yīng)盡快安設(shè)完善的空區(qū)地壓活動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)東河灣鐵礦空區(qū)地壓進(jìn)行全天候監(jiān)測(cè)，及時(shí)掌握空區(qū)圍巖地壓活動(dòng)狀態(tài)，研究和分析空區(qū)地壓活動(dòng)規(guī)律，能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)和預(yù)警，避免造成礦山企業(yè)生命和財(cái)產(chǎn)損失[5]。

STL-12型聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)較為先進(jìn)的巖石聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)該系統(tǒng)可對(duì)某一區(qū)域巖體實(shí)施全天24 h連續(xù)監(jiān)測(cè)[6]。對(duì)監(jiān)測(cè)到的微震信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行處理、分析，可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)巖體的破壞范圍、破壞強(qiáng)度、生源位置等，及時(shí)掌握空區(qū)巖體地壓發(fā)展的動(dòng)態(tài)規(guī)律，從而預(yù)報(bào)巖體塌陷、冒頂?shù)绕茐默F(xiàn)象[7]。

2 監(jiān)測(cè)區(qū)域穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

礦山經(jīng)過(guò)十幾年開(kāi)采，留下大量采空區(qū)，空區(qū)分布范圍廣，很難做到全方位監(jiān)測(cè)[8]。為了充分發(fā)揮微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的預(yù)警作用，根據(jù)STL-12型聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)特點(diǎn)，將有限的傳感器應(yīng)用于穩(wěn)定性差、危險(xiǎn)性大的采空區(qū)[9]。借助于有限元軟件建立礦山三維開(kāi)采模型，對(duì)采空區(qū)的穩(wěn)定情況進(jìn)行數(shù)值分析，確定地壓活動(dòng)敏感區(qū)域[10]。

根據(jù)東河灣礦區(qū)空區(qū)分布情況，考慮邊界效應(yīng)，最終確定模型長(zhǎng)和寬均為1 500 m，高800 m，劃分為40 907個(gè)節(jié)點(diǎn)，354 531個(gè)單元。三維模型見(jiàn)圖2，模擬結(jié)果見(jiàn)圖3～圖5(以水平方向應(yīng)力云圖為例)。

圖2 東河灣礦區(qū)模型網(wǎng)格Fig.2 Model Grid of Donghewan Mine

圖3 -20 m水平方向應(yīng)力云圖Fig.3 Horizontal stress contours of -20 m level

圖4 -85 m水平方向應(yīng)力云圖Fig.4 Horizontal stress contours of -85 m level

圖5 -130 m水平方向應(yīng)力云圖Fig.5 Horizontal stress contours of -130 m level

根據(jù)對(duì)-20、-85和-130 m 水平3個(gè)開(kāi)采中段模擬計(jì)算結(jié)果可知，-20 m水平應(yīng)力分布值相對(duì)較小，應(yīng)力集中區(qū)分布較少，這主要是因?yàn)槭撞芍卸?，空區(qū)數(shù)量相對(duì)較少，且空區(qū)相對(duì)孤立，說(shuō)明空區(qū)對(duì)本水平圍巖影響較小。而-85 m水平和-130 m水平應(yīng)力值較大，應(yīng)力集中區(qū)明顯增多，這主要是因?yàn)?85和-130 m中段是該礦開(kāi)采的主要中段，空區(qū)規(guī)模大、數(shù)量多，分布較為集中，在空間上形成上下中段應(yīng)力疊加效應(yīng)，應(yīng)力集中程度大，容易塌陷冒落形成空區(qū)地壓災(zāi)害，故-85 m水平和-130 m水平屬地壓活動(dòng)的敏感區(qū)域，且-130 m水平設(shè)有生產(chǎn)采場(chǎng)、泵房、提升硐室，運(yùn)行著運(yùn)輸設(shè)備，行人較為頻繁，一旦空區(qū)塌陷冒落，會(huì)對(duì)生產(chǎn)區(qū)及運(yùn)輸巷道、硐室等造成嚴(yán)重的空區(qū)地壓災(zāi)害，故本中段空區(qū)頂?shù)装逅綄儆诒O(jiān)測(cè)的敏感區(qū)域，是重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的對(duì)象。

3 建立在線生發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

根據(jù)有限元法模擬的敏感區(qū)域分析，同時(shí)結(jié)合礦山已有水平巷道工程，根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置接近敏感區(qū)域和施工方便的原則，經(jīng)過(guò)充分考查和應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用了國(guó)內(nèi)比較先進(jìn)的STL-12多通道聲發(fā)射自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成如圖6所示。該系統(tǒng)共計(jì)布置了12個(gè)傳感器，分別布置在-85m水平和-130 m水平采空區(qū)附近，其中-85 m水平布置1號(hào)～6號(hào)傳感器，-130 m水平布置7號(hào)～12號(hào)傳感器，每個(gè)傳感器監(jiān)測(cè)范圍為直徑60～80 m，監(jiān)測(cè)布置見(jiàn)圖7。井下數(shù)據(jù)采集站布置在-130 m水平，負(fù)責(zé)所有傳感器的數(shù)據(jù)采集，傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)光纜傳送至地面的監(jiān)控站。

圖6 12通道聲發(fā)射自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成Fig.6 Structure of 12-channel acoustic emission

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)可收集到典型的單通道和多通道聲發(fā)射波形圖(從略)，用于地壓監(jiān)測(cè)的預(yù)報(bào)分析。

4 預(yù)報(bào)預(yù)警制度的建立

東河灣鐵礦自2011年8月建立了聲發(fā)射在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)空區(qū)地壓活動(dòng)進(jìn)行了全天候監(jiān)測(cè)，并從現(xiàn)場(chǎng)取樣進(jìn)行了室內(nèi)巖石破壞過(guò)程的聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)，建立了東河灣鐵礦巖石破壞過(guò)程聲發(fā)射波形特征數(shù)據(jù)庫(kù)，總結(jié)了該礦的巖石破壞過(guò)程的聲發(fā)射參數(shù)信息特征，并建立了完善預(yù)警制度。

圖7 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置三維圖Fig.7 3D Drawing of monitoring points distribution

地壓監(jiān)測(cè)人員若發(fā)現(xiàn)以下地壓活動(dòng)時(shí)，應(yīng)立即向主管領(lǐng)導(dǎo)和有關(guān)部門匯報(bào)，以便及時(shí)采取措施。

(1)當(dāng)監(jiān)測(cè)到“巖音”事件率平均達(dá)到3次/min，局部時(shí)段達(dá)到5次/min以上，周邊巷道存在明顯的新開(kāi)或舊裂隙擴(kuò)展，或發(fā)現(xiàn)空區(qū)頂板大、小能量事件率平均達(dá)到2次/min，局部時(shí)段聲發(fā)射總數(shù)達(dá)到5次/min以上，大能量聲發(fā)射事件率連續(xù)5 min達(dá)到5次/min(即25次/5 min)以上，應(yīng)提出該區(qū)域安全警戒。

(2)若發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)前3 d平均事件率有明顯的上升趨勢(shì)，測(cè)點(diǎn)周邊無(wú)爆破作業(yè)，儀器系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到多測(cè)點(diǎn)事件多為聲發(fā)射大能量事件，各測(cè)點(diǎn)同時(shí)監(jiān)測(cè)到的聲發(fā)射事件很多，局部時(shí)段聲發(fā)射大能量事件率連續(xù)5 min平均達(dá)到5次/min(即25次/5 min)以上，可確認(rèn)為地壓活動(dòng)異常，應(yīng)立即作以下匯報(bào)處理:①單測(cè)點(diǎn)異常，聲發(fā)射事件多為小能量事件，相鄰測(cè)點(diǎn)無(wú)異常時(shí)，向調(diào)度室和安全部門匯報(bào)；②多測(cè)點(diǎn)異常，聲發(fā)射事件多為小能量事件，各測(cè)點(diǎn)同時(shí)觸發(fā)的事件很少時(shí)，立即向主管領(lǐng)導(dǎo)、安全部門和調(diào)度室匯報(bào)；③多測(cè)點(diǎn)異常，局部時(shí)段事件率連續(xù)10 min平均達(dá)到2.5次/min(即25次/10 min)，聲發(fā)射事件多為大能量事件，各測(cè)點(diǎn)同時(shí)觸發(fā)的事件很多，立即向礦長(zhǎng)、主管領(lǐng)導(dǎo)、安全部門和調(diào)度室匯報(bào)，并估計(jì)活動(dòng)范圍和進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)撤離。

5 結(jié) 論

(1)根據(jù)東河灣鐵礦空區(qū)賦存特點(diǎn)，利用大型三維有限元軟件建立礦山開(kāi)采模型，對(duì)采空區(qū)的穩(wěn)定情況進(jìn)行數(shù)值分析，確定地壓活動(dòng)敏感區(qū)域，為有效監(jiān)測(cè)空區(qū)地壓活動(dòng)提供了技術(shù)支持。

(2)在數(shù)值模擬空區(qū)地壓敏感性分區(qū)的基礎(chǔ)上，利用國(guó)內(nèi)先進(jìn)的STL-12 型聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為東河灣鐵礦建立了完善的空區(qū)地壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)東河灣鐵礦空區(qū)地壓活動(dòng)的全天候監(jiān)測(cè)，及時(shí)掌握空區(qū)圍巖地壓活動(dòng)狀態(tài)。

(3)在室內(nèi)聲發(fā)射試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)信息特征建立了東河灣鐵礦的波形數(shù)據(jù)庫(kù)，總結(jié)了巖石破壞過(guò)程的聲發(fā)射參數(shù)信息特征，確定了空區(qū)塌陷征兆及塌陷前巖石聲發(fā)射信號(hào)特征，并建立了完善的預(yù)報(bào)預(yù)警制度，為東河灣鐵礦空區(qū)塌陷事故的預(yù)防提供了科學(xué)指導(dǎo)。

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

Application of Acoustic Emission Monitoring Techniques in Geostress Hazard Prediction of Mined-out Areas

Li Shibo Li Zhanjin Zhang Yang Lu Hongjian

(CollegeofMiningEngineering，HebeiUnitedUniversity，Tangshan063009，China)

After many years exploration in Donghewan Iron Mine，complex mining status appears，such as lots of mined-out areas，long remained time，and big security risk. In order to make early-warning before the geo-stress disasters occur in the mined-out area to take necessary security measures and to prevent major disasters，the early warning and forecasting system was established. Based on the rock mechanics test and the finite element stability analysis on mined-out area，the regions that are prone to generate major disasters are analyzed and the necessary monitoring scope is determined. With the selection of the advanced STL-12-type acoustic emission monitoring system，a complete acoustic emission on-line real-time monitoring system for hazardous areas is built. According to the indoor acoustic emission testing and on-site vibration waveform measurement，the rock acoustic emission database and other vibration waveform database are established，and the acoustic emission characteristics during the destruction process of rocks are summarized. By waveform analysis，the variety rule of acoustic emission information at geostress activities of mined-out area is grasped，and a comprehensive early warning and forecasting system is made. The 2-year practice showed that the system could provide technical support for pre-warning of mined-out subsidence in Donghewan Iron Mine.

Acoustic emission，Mined-out area，Geostress hazard，Prediction

2013-12-11

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：51174071),河北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：E2014209093)。

李示波(1969—)，男，副教授，博士。

TD77+1

A

1001-1250(2014)-03-152-04