程祝祥，尹彥波

(1.文山麻栗坡紫金鎢業(yè)集團公司， 云南 文山州 663600； 2.中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙 410083； 3.長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 長沙 410012)

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南溫河鎢礦采空區(qū)穩(wěn)定性地壓監(jiān)測方案

程祝祥1，尹彥波2,3

(1.文山麻栗坡紫金鎢業(yè)集團公司， 云南 文山州 663600； 2.中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙 410083； 3.長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 長沙 410012)

詳細論述了南溫河礦區(qū)采空區(qū)現(xiàn)狀及其地壓顯現(xiàn)特征，研究并提出了建立該礦地壓監(jiān)測系統(tǒng)的必要性，選擇了適合南溫河鎢礦的地壓監(jiān)測方法及地壓監(jiān)測設備，對該礦區(qū)進行了地壓監(jiān)測網(wǎng)的設計，建立起了全天候的實時地壓監(jiān)測網(wǎng)絡系統(tǒng)，可實現(xiàn)對南溫河礦區(qū)地壓災害進行安全監(jiān)控。

采空區(qū)；地壓活動；地壓監(jiān)測；安全監(jiān)控

0 引 言

云南文山南溫河鎢礦是文山麻栗坡紫金鎢業(yè)集團有限公司的重點礦山企業(yè)之一，分成了南秧田、茅坪等開采礦段，目前主要是回采南秧田東和西部的礦體。南溫河鎢礦礦區(qū)巖石節(jié)理、裂隙均不發(fā)育，穩(wěn)固性良好，礦區(qū)的工程地質和水文地質條件較為簡單。

目前，南溫河鎢礦井下開采存在以下問題：井下老采空區(qū)較多，隨著開采的不斷進行，井下采空區(qū)暴露面積越來越大，安全隱患較大，部分礦柱都已經(jīng)發(fā)生破裂；井下開采留下的采空區(qū)未及時封閉；礦山井下經(jīng)過多年的民采、盜采，加上礦柱留設不規(guī)則，回采順序比較混亂，很不利于礦山管理和安全生產(chǎn)；南溫河鎢礦地下開采從未建立過地壓監(jiān)測系統(tǒng)；南溫河鎢礦所留礦柱的幾何尺寸參數(shù)都是憑借經(jīng)驗選取，未經(jīng)過礦柱的穩(wěn)定性安全論證[1]。

目前，南溫河鎢礦開采面臨著一系列的地壓控制問題，且迫切需要解決地壓災害難題。因此，考慮在南溫河鎢礦建立適合該礦特點的地壓監(jiān)測網(wǎng)，建立長期、有效的地壓監(jiān)測管理制度，通過實時地壓監(jiān)測，實現(xiàn)對南溫河鎢礦的地壓監(jiān)測預警，以指導礦山安全生產(chǎn)。

1 南溫河鎢礦采礦區(qū)現(xiàn)狀及地壓活動現(xiàn)象

南溫河鎢礦礦體為緩傾斜薄礦體，采用房柱法開采。采區(qū)內每80 m×80 m劃分一個采場，采場內按8～12 m跨度留設4 m×4 m或Φ4 m的礦柱。從現(xiàn)場情況來看，該采場參數(shù)基本可滿足頂板穩(wěn)定性要求。但該礦段2-6勘探線之間部分礦柱有片幫、開裂等地壓顯現(xiàn)現(xiàn)象，這一情況說明：在此區(qū)域地壓作用明顯，這會影響到今后采區(qū)的安全開采[1]。

目前井下已形成的采空區(qū)面積達77×104m2，采空區(qū)的體積約200×104m3，且今后礦山開采將以約30×104m3/a的速度增加。

因南溫河鎢礦采空區(qū)體積較大，將不可避免地涉及采空區(qū)的安全穩(wěn)定性及頂板控制難題。為消除或減少采空區(qū)對礦山安全開采的危害，有必要對南溫河鎢礦井下存在的采空區(qū)進行詳細地調查，并對南溫河鎢礦采空區(qū)的穩(wěn)定性與安全開采技術條件進行論證及分析研究，確定已有采空區(qū)礦柱的穩(wěn)定性狀況，從而為劃定采空區(qū)的危險程度范圍，為礦山采空區(qū)處理及采空區(qū)的地壓監(jiān)測提供依據(jù)，最終為礦山安全、有序地生產(chǎn)提供技術支撐。

2 南溫河鎢礦地壓監(jiān)測重點區(qū)域

前期通過對南溫河鎢礦的開采現(xiàn)狀、地壓顯現(xiàn)特征等進行詳細的調查，以及對南溫河鎢礦礦巖體室內試驗和采空區(qū)留存礦柱穩(wěn)定性計算分析等研究，對每個留存礦柱的安全系數(shù)進行核實計算。根據(jù)計算結果，初步確定該礦山地壓活動危險區(qū)域，綜合考慮礦山開采實際情況后，確定了南溫河鎢礦的地壓監(jiān)測區(qū)域。其中，地壓監(jiān)測重點區(qū)域為：7號沿脈4線東、4線主運輸巷東、1-5線10號沿脈南北、3線8號沿脈北；一般監(jiān)測區(qū)域為：2線8號沿脈南北和老鎢業(yè)采空區(qū)。地壓監(jiān)測點布置在上述區(qū)域的采場或采空區(qū)范圍內的點柱中以及采空區(qū)頂?shù)装逯g[1]。

3 采空區(qū)穩(wěn)定性監(jiān)測方案設計

3.1 南溫河鎢礦地壓監(jiān)測方法及方案選擇

硬巖金屬礦山中的地壓監(jiān)測普遍采用多通道聲發(fā)射/微震監(jiān)測(AE/MS)、應力監(jiān)測和位移監(jiān)測等方法，南溫河鎢礦巖石強度超過90 MPa，巖體強度高，屬硬巖礦山。針對該礦區(qū)的實際情況，擬采用聲發(fā)射監(jiān)測為主，結合應力監(jiān)測和位移監(jiān)測等監(jiān)測手段，建立起全方位、多層次的地壓監(jiān)測網(wǎng)絡，采用光纖從地下監(jiān)控硐室連接到地表監(jiān)測辦公室，建立地表聯(lián)網(wǎng)的地壓監(jiān)測實時網(wǎng)絡系統(tǒng)，實現(xiàn)南溫河鎢礦井下各種地壓監(jiān)測數(shù)據(jù)與地面監(jiān)控室數(shù)據(jù)同步[2-4]。

通過了解多通道聲發(fā)射監(jiān)測、微震監(jiān)測、單通道聲發(fā)射監(jiān)測以及應力監(jiān)測和位移監(jiān)測系統(tǒng)的基本原理及其應用情況，確定南溫河鎢礦的地壓監(jiān)測方案從以下3種監(jiān)測方案中進行選擇。

(1) 方案1：微震監(jiān)測+應力監(jiān)測+位移監(jiān)測系統(tǒng)。

(2) 方案2：多通道聲發(fā)射監(jiān)測+應力監(jiān)測+位移監(jiān)測系統(tǒng)。

(3) 方案3：多通道聲發(fā)射監(jiān)測+單通道聲發(fā)射監(jiān)測+應力監(jiān)測系統(tǒng)+位移監(jiān)測系統(tǒng)。

方案1的優(yōu)點是：微震監(jiān)測系統(tǒng)的信息化、集成化和智能化程度較高，系統(tǒng)的操作界面美觀；微震監(jiān)測系統(tǒng)的缺點是價格高，維護保養(yǎng)費用高，且系統(tǒng)及軟件為全英文，使得技術人員入門的門檻高，操作不便等；方案2的優(yōu)點是：比較方案1，多通道聲發(fā)射系統(tǒng)的價格便宜，該系統(tǒng)安裝后的服務更為方便，且該系統(tǒng)在監(jiān)測的基本功能上也能達到地壓監(jiān)測所需的要求，缺點是多通道聲發(fā)射系統(tǒng)的操作界面美觀程度不如方案1的微震監(jiān)測系統(tǒng)的操作界面；方案3的優(yōu)點是：對比方案1，多通道聲發(fā)射系統(tǒng)價格便宜，服務更為方便，也能達到地壓監(jiān)測所需要的要求，包括單通道聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)，因此，具有地壓監(jiān)測的覆蓋面廣特點，單通道和多通道相互補充，完善了南溫河礦區(qū)地壓監(jiān)測網(wǎng)，缺點是多通道聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)操作界面美觀程度不如方案1的微震監(jiān)測系統(tǒng)操作界面。

通過對上述3套地壓監(jiān)測方案的可靠性和經(jīng)濟技術等指標進行詳細比較和分析，考慮選取目前國產(chǎn)化應用成熟的技術設備，包括：聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)(單通道聲發(fā)射監(jiān)測、多通道聲發(fā)射監(jiān)測)、巖體應力監(jiān)測系統(tǒng)、巖體位移監(jiān)測系統(tǒng)等綜合的地壓監(jiān)測手段，為礦山建立起完善的地壓監(jiān)測網(wǎng)絡系統(tǒng)。因此，最終確定南溫河鎢礦的地壓監(jiān)測方案為上述方案中的方案3[1]，即多通道聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)+單通道聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)+應力監(jiān)測系統(tǒng)+位移監(jiān)測系統(tǒng)。

3.2 南溫河鎢礦地壓監(jiān)測設備選型

根據(jù)儀器在礦山實際中的使用情況和應用效果等，經(jīng)綜合比較，確定采用以下型號的地壓監(jiān)測儀器設備[4]：

(1) 長沙礦山研究院有限責任公司生產(chǎn)的DYF-2型單通道聲發(fā)射儀；

(2) 長沙礦山研究院有限責任公司生產(chǎn)的STL-12型多通道聲發(fā)射定位系統(tǒng)，或長沙吉華礦業(yè)技術有限公司生產(chǎn)的AEM巖體聲發(fā)射監(jiān)測定位系統(tǒng)；

(3) 山東科大洛賽爾傳感器有線責任公司生產(chǎn)的ZLGH-20型鉆孔應力計及檢測儀器；

(4) 山東科大洛賽爾傳感器有線責任公司生產(chǎn)的WYGH-Ⅱ型位移監(jiān)測儀。

3.3 南溫河鎢礦地壓監(jiān)測點設計

3.3.1 多通道聲發(fā)射監(jiān)測點設計

南溫河鎢礦多通道聲發(fā)射監(jiān)測點布置在7號沿脈4線東、4線主運輸巷東、1-5線10號沿脈南北、3線8號沿脈北的采場和采空區(qū)的點柱中，B區(qū)雖準備封閉，為了準確了解封閉區(qū)內礦柱及圍巖體的變化狀況[3]，特在此區(qū)域布置了3個多通道監(jiān)測點。

3.3.2 單通道聲發(fā)射監(jiān)測點設計

南溫河鎢礦單通道聲發(fā)射監(jiān)測點設計在采場和采空區(qū)點柱中，結合多通道聲發(fā)射監(jiān)測點、應力監(jiān)測點共同監(jiān)測南溫河礦區(qū)圍巖、礦柱的穩(wěn)定性。在地壓活動區(qū)域的點柱中布置單通道聲發(fā)射監(jiān)測點，可根據(jù)現(xiàn)場實際情況，按照設計原則適當增加單通道聲發(fā)射監(jiān)測點數(shù)目。

3.3.3 應力監(jiān)測點設計

南溫河鎢礦應力監(jiān)測點主要設計在7號沿脈4線東、4線主運輸巷東、1-5線10號沿脈南北、3線8號沿脈北；一般監(jiān)測區(qū)域為：2線8號沿脈南北和老鎢業(yè)采空區(qū)的采場或采空區(qū)點柱中，主要是監(jiān)測回采過程中應力轉移情況，即應力轉移距離，監(jiān)測點柱中承受壓力變化大小，同時與其它監(jiān)測方法一起共同監(jiān)測南溫河鎢礦采空區(qū)周邊礦巖體的受力狀態(tài)，實時監(jiān)測并分析其穩(wěn)定性。

4 結 語

本文總結了南溫河鎢礦礦區(qū)采空區(qū)的基本特點，分析了該礦的地壓顯現(xiàn)特征及其地壓活動規(guī)律，研究并提出了適合南溫河鎢礦特點的地壓監(jiān)測方法，并確定了該礦的地壓監(jiān)測重點區(qū)域和一般區(qū)域。從監(jiān)測儀器價格、使用功能和售后服務等方面綜合考慮并詳細比對，優(yōu)選了適合南溫河鎢礦的地壓監(jiān)測系統(tǒng)，即：多通道聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)+單通道聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)+巖體應力監(jiān)測系統(tǒng)+位移監(jiān)測系統(tǒng)系統(tǒng)，并對南溫河鎢礦礦區(qū)的地壓監(jiān)測點進行了優(yōu)化設計，設計了南溫河鎢礦地壓監(jiān)測網(wǎng)。地壓監(jiān)測網(wǎng)的建立對南溫河鎢礦可實現(xiàn)全天候的地壓實時監(jiān)測，從而可有效地指導礦山的安全生產(chǎn)。

[1]長沙礦山研究院有限責任公司.南溫河鎢礦采空區(qū)地壓監(jiān)控預警技術研究[R].長沙:長沙礦山研究院有限責任公司,2014.

[2]陶雪芬,李愛兵,章 光,等.西北某礦采空區(qū)穩(wěn)定性監(jiān)測方案設計[J].現(xiàn)代礦業(yè).2010(1)：80-82.

[3]劉國清.基于聲發(fā)射的巖體工程災害微震監(jiān)測系統(tǒng)[J].采礦技術,2005,5(1)：30-31.

[4]尹彥波.巖石失穩(wěn)與地壓災害的非線性動力學分析研究[D].長沙:長沙礦山研究院有限責任公司,2006.(收稿日期：2015-11-23)

程祝祥(1971-)，男，安徽懷寧縣人，采礦工程師，主要從事采礦方法及工藝研究，Email:yueguang1495@sina.com。