郭遠發(fā)，胡靜云

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巖移在柿竹園礦地壓監(jiān)測中的預警應用研究

郭遠發(fā)1，胡靜云2, 3

(1.湖南柿竹園有色金屬有限責任公司，湖南 郴州市 423037；2.長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 長沙 410012；3.國家金屬采礦工程技術研究中心，湖南 長沙 410012)

針對柿竹園礦井下高垂懸頂與邊坡內(nèi)部巖體絕對變形位移量在線監(jiān)測預警工程技術難題，開發(fā)研制了經(jīng)濟實用的多通道非接觸式巖移在線監(jiān)測預警系統(tǒng)，實現(xiàn)了對高垂懸頂與邊坡內(nèi)部巖體絕對變形位移量的在線實時監(jiān)測，測量精度為1 mm，解決了工程巖體垂直方向下沉變形量與激光測距值兩者相互關系的工程技術難題，實現(xiàn)了監(jiān)測值超過設定預警值時自動發(fā)出預警短信的功能，并在預警設置上解決了限幅濾波的技術問題。近4年來的監(jiān)測數(shù)據(jù)說明，截止到目前，高垂懸頂與邊坡除靠近臨空面處有小范圍的開裂與變形沉降外，其整體仍處于變形趨于收斂與穩(wěn)定的狀態(tài)。

巖體工程；在線監(jiān)測；變形趨勢；預警

在礦山巖土工程領域，巖土體變形移動的監(jiān)測方法分為兩種情況：一是在礦山井下，巖土體的變形移動的主要監(jiān)測技術手段有應變片、裂縫儀、頂板離層監(jiān)測儀，單點/多點位移計等，但是上述監(jiān)測手段獲得的是監(jiān)測點的相對變形量，在工程應用上具有較大的局限性。二是在礦山地表，巖土工程變形監(jiān)測問題的技術基礎屬于工程測量學科領域，隨著電子計算機與互聯(lián)網(wǎng)技術的飛速發(fā)展，目前變形監(jiān)測設備的測量精度已經(jīng)得到了巨大的進步，已經(jīng)實現(xiàn)了無人化自動觀測、記錄與計算功能，并能把計算結果通過互聯(lián)網(wǎng)實時傳輸?shù)竭h處的計算機內(nèi)，并通過軟件三維形象立體地顯示監(jiān)測對象的變形程度與發(fā)展趨勢，當變形超過設定的預警值時，能實現(xiàn)自動發(fā)出預警短信或郵件到指定技術人員手機上的功能。根據(jù)技術原理的不同，目前最先進的變形在線監(jiān)測技術主要有兩種形式：一是全球定位導航系統(tǒng)在線監(jiān)測技術，例如GPS、北斗等；二是全自動全站儀測量監(jiān)測技術，俗稱“測量機器人”，以徠卡Leica與天寶Trimble測量機器人為 代表。

在礦山井下巖土工程變形監(jiān)測領域，由于巖土體的不可入性，無法進行空間直線無線傳輸，使得GPS等先進的變形移動監(jiān)測手段無法應用。另外由于井下通視性受到工程巷道的極大限制，全自動全站儀的使用成本非常高。所以急需要研制出一款既能對巖體變形移動絕對量進行實時在線監(jiān)測、又具有使用成本較為低廉的儀器與設備，以滿足礦山井下對礦柱、大型采空區(qū)頂板、懸頂?shù)裙こ瘫O(jiān)測問題的需要。

1 多通道非接觸式巖移在線監(jiān)測 系統(tǒng)

1.1 柿竹園礦形成的高陡懸頂與邊坡的地壓災害 問題

柿竹園多金屬采礦場自1987年采用分段鑿巖階段礦房法開采490水平至558水平300 m×300 m范圍內(nèi)的富礦以來，因各種原因井下的采空區(qū)(礦房)未能進行處理。截止2002年，井下留下占礦塊約60%的礦柱礦量和近300多萬m3的巨大采空區(qū)群，累計頂板暴露面積達3萬m2，連續(xù)頂板暴露面積近1萬m2，15 m厚的連續(xù)條帶礦柱多處垮塌。為了實現(xiàn)礦山采礦的持續(xù)生產(chǎn)，有效處理采空區(qū)和回采礦柱，從2003年至2012年采用后退式中深孔大爆破崩落法的方式回采礦柱和頂板富礦，并處理采空區(qū)安全隱患。在300 m×300 m的范圍內(nèi)，整體上從西北往東南方向崩落階段礦柱與頂板富礦，首先是在地表高程最低的西北角進行開天窗中深孔大爆破，隨后以每年1~2次的頻率進行中深孔大爆破，每次大爆破裝藥量在幾十噸至幾百噸不等，根據(jù)井下礦柱穩(wěn)定性情況，每次大爆破處理的區(qū)域范圍不等。一直到2012年6月21日最后一次裝藥量419 t大爆破實施后，形成的連續(xù)頂板暴露面積近5萬m2，于是630~820 m高程范圍內(nèi)的上覆巖層與地表在大爆破后的3~5 min內(nèi)發(fā)生了總體積約260萬m3的特大垮落，上部懸頂特大垮落后在東側(cè)形成了高度超過300 m的連續(xù)、陡峭、高大陡邊坡(見圖1)，至今形成連續(xù)頂板暴露面積近8萬m2，而且隨著放礦的繼續(xù)，邊坡的裸露高度還在增加，同時受到斷層、地下水的作用，其穩(wěn)定性令人堪憂；在塌陷區(qū)西南方向586 m以上至地表，仍然有30~50 m寬的懸頂存在，該懸頂區(qū)域正是露天開采首期待剝離區(qū)，未來的首期剝離生產(chǎn)安全受到直接威脅。地表高陡邊坡與懸頂若發(fā)生大規(guī)?；屡c崩塌，則會對井下形成強烈的空氣沖擊波與地震波破壞效應，對礦山生產(chǎn)安全存在嚴重的安全隱患。

圖1 高陡懸頂與邊坡剖面圖(K4)

為了對東部高陡懸頂(邊坡)的變形進行實時在線監(jiān)測，第一種方案是在高陡懸頂對應的地表區(qū)域建立變形沉降在線監(jiān)測系統(tǒng)，第二種方案是在高陡懸頂(邊坡)巖體內(nèi)，借助井巷工程，在其中布置系統(tǒng)的監(jiān)測點，對高陡懸頂(邊坡)巖體內(nèi)部的變形移動進行在線監(jiān)測。本文研究的主題即是針對第二種方案，開發(fā)出一套適合于井下對巖體絕對變形量進行實時在線監(jiān)測的系統(tǒng)，并對其在巖體工程監(jiān)測預警方面的應用進行深入研究。

1.2 多通道非接觸式巖移在線監(jiān)測系統(tǒng)

多通道非接觸式巖移在線監(jiān)測預警系統(tǒng)的主要硬件包含：位移傳感器、數(shù)據(jù)采集儀、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡、監(jiān)測數(shù)據(jù)分析軟件、報警裝置5個部分。

針對垂懸?guī)r體在垂直下沉位移方向的監(jiān)測，激光測距儀的距離變化量與垂懸?guī)r體在高程方向的變形移動量之間的幾何函數(shù)關系見圖2，兩者之間有相互轉(zhuǎn)換的公式，即監(jiān)測點處在高程方向的下沉變形量可以通過激光測距儀距離上的變化量求得。

圖2 激光距離變化量與巖體高程方向變形位移改變量的關系

計算公式如下：

為了更好地對柿竹園礦形成的高垂懸頂與邊坡進行監(jiān)測，在650分段新掘進了一條地壓觀測巷道，在該新增地壓觀測巷道內(nèi)，設計布置了3個巖移測點，每個測點之間的距離間隔約70~80 m，位移傳感器(激光測距儀)距離合作目標(靶板)的距離約80 m(見 圖3)。

智能位移傳感器和合作目標安裝在各自的支架上，合作目標與支架豎直方向成45°夾角；制作支架時確保采集儀中心和合作目標的中心點處于相同的高度，使得發(fā)出的激光與合作目標夾角呈45°，主要用于測量監(jiān)測點處高程方向的變形沉降。布置在現(xiàn)場的多通道非接觸式巖移在線監(jiān)測預警系統(tǒng)實物見圖4 所示。

圖4 多通道非接觸式巖移在線監(jiān)測預警系統(tǒng)實物

2 巖移在線監(jiān)測系統(tǒng)的預警應用

非接觸式巖移監(jiān)測系統(tǒng)自2014年2月開始運行，截止到2018年8月，布置在650 m分段的高垂懸頂與邊坡巖體內(nèi)的3個巖移測點的累計變形沉降量的發(fā)展趨勢見圖5所示。通過對圖5的分析可知，最靠近塌陷區(qū)的1#測點的累計沉降變形量最大，截止到2018年8月，其累計下沉變形量為5 mm，1#測點距離高垂懸頂?shù)倪吔缂s30~50 m，而2#測點距離高垂懸頂?shù)倪吔缂s100 m，3#測點距離高垂懸頂?shù)倪吔缂s120 m，2#與3#測點由于距離高垂懸頂邊界較遠，處于高垂懸頂與邊坡巖體的深部，其變形量很小，監(jiān)測系統(tǒng)未監(jiān)測到累計變形量。

圖5 各巖移監(jiān)測點累計沉降變形趨勢

通過現(xiàn)場勘查，在620 m分層、630 m分層以及地表均勘察發(fā)現(xiàn)了較明顯的開裂沉降的地壓顯現(xiàn)(見圖3)，在630分層P5C5-C4巷方向約27 m處，頂板出現(xiàn)一條東西走向裂縫，縫長約4 m，縫寬2 mm，縫內(nèi)有大量積水滴落，通過實地測量，此裂縫與620分層上下相對應；620分層P5C5口-C4巷，約34 m處頂板出現(xiàn)東西走向裂縫，縫隙較寬處約1 cm，頂板巖壁出現(xiàn)輕微巖石剝離，該區(qū)域與630分層裂隙走向上下位置相對應。位于山溝附近740 m標高的公路上的裂縫開裂量與沉降量最大，裂縫的開裂量達到70 cm，裂縫兩邊相對沉降量達到15 cm。

總的說來，高陡懸頂與邊坡的開裂變形特征為：從高程上，開裂范圍從地表812 m標高附近延伸到井下586 m分層，高度約為230 m；從平面上，開裂范圍從P5巷的C2到C6，南北方向最長約140 m，東西方向最寬約58 m；開裂縫的張開度最大約為70 cm，裂縫兩邊相對下沉量從上往下基本上逐漸增大，從地表的15 cm至586分層的100 cm。開裂面從地表延伸到620，610與586分層，南北方向也在P5巷聯(lián)通，開裂面的傾向為北西，傾角約為72°。

結合圖5可以總結出其變形特征的3個階段：第一階段是從2014年2月至2015年3月，1#測點累計變形量為1 mm，此時高垂懸頂處于初始變形階段，其變形發(fā)展趨勢是趨于收斂的；第二階段是從2015年4月至2017年2月，在此階段，高垂懸頂與邊坡的新增變形量為4 mm，累計變形量增加到5 mm，平均變形速度相比第一階段有少許增加，但其變形發(fā)展趨勢仍是趨于收斂的；第三階段是從2017年3月至2018年8月，在這一階段，高垂懸頂與邊坡變形量沒有增加，基本處于穩(wěn)定。以上不同階段的變形發(fā)展趨勢與特征，說明截止到目前，高垂懸頂與邊坡除靠近臨空面處有小范圍的開裂與變形沉降外，其整體仍處于變形收斂與穩(wěn)定狀態(tài)。

3 結 論

(1) 針對柿竹園礦井下高垂懸頂與邊坡內(nèi)部巖體絕對變形位移量在線監(jiān)測預警工程技術難題，開發(fā)研制了經(jīng)濟實用的多通道非接觸式巖移在線監(jiān)測預警系統(tǒng)，實現(xiàn)了對高垂懸頂與邊坡內(nèi)部巖體絕對變形位移量的在線實時監(jiān)測，測量精度為1 mm，并實現(xiàn)了監(jiān)測值超過設定預警值時自動發(fā)出預警短信的功能。

(2) 多通道非接觸式巖移在線監(jiān)測預警系統(tǒng)解決了工程巖體垂直方向下沉變形量與激光測距值兩者相互關系的工程技術難題，并在預警設置上解決了限幅濾波的技術問題，即當監(jiān)測值連續(xù)5次以上超過預警值時，才發(fā)出預警短信通知。

(3) 近年來的監(jiān)測數(shù)據(jù)說明，高垂懸頂與邊坡整體處于收斂與穩(wěn)定狀態(tài)。

(4) 建議：下一步工作應解決對監(jiān)測點三維空間3個矢量方向的全部監(jiān)測，同時還應提高激光測距儀對不同監(jiān)測點處巖體的不同反射率與反射強度進行研究，盡力提高監(jiān)測系統(tǒng)的有效工作距離，提高井下多通道非接觸式巖移在線監(jiān)測系統(tǒng)的工程適用性。

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(2018?09?10)

郭遠發(fā)(1972—)，男，湖南郴州人，工程碩士，國家注冊安全工程師，長期從事礦山安全技術和安全管理工作，Email:guoxin207.520@163.com。