武建東，彭府華

（1.內(nèi)蒙古興業(yè)集團(tuán)股份有限公司，內(nèi)蒙古 赤峰 024000；2.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410012）

錫林礦業(yè)朝不楞礦區(qū)鐵鋅多金屬礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東烏珠穆沁旗東北部。礦山從2002年開始開采，1＃、2＃號(hào)豎井主要開采北礦帶19＃和23＃礦體。礦山現(xiàn)有5個(gè)生產(chǎn)中段，中段高度40 m，從上到下分別為1～5中段，中段之間留有6 m厚的頂柱。礦房寬度25～35 m，礦柱寬度6～15 m。采用無底柱淺孔留礦法開采，平底底部結(jié)構(gòu)，通過出礦進(jìn)路出礦，出礦水平位于中段運(yùn)輸巷道水平。通過前期多年開采，3中段以上主礦體已經(jīng)開采結(jié)束，目前正在回采4、5中段［1］。

由于礦山自建礦以來一直采用淺孔留礦法開采，在上部中段留下了大量的采空區(qū)未作處理。據(jù)前期空區(qū)掃描結(jié)果顯示，3中段以上空區(qū)已接近50×104m3，并且隨著下部中段的開采，井下空區(qū)體積逐漸增大，將成為影響礦山安全生產(chǎn)及礦區(qū)人員財(cái)產(chǎn)安全最主要的危險(xiǎn)源。與此同時(shí)，在開采過程中留下了大量的高品位間柱與頂柱，并且相對(duì)4、5中段礦石品位較高，價(jià)值較大，更是突顯了這部分殘礦回收的重要價(jià)值。如何高效回收殘礦資源，處理空區(qū)隱患，是企業(yè)目前面臨的重要問題。

1 采空區(qū)分布及地壓問題

1.1 采空區(qū)分布情況

3中段以上主礦體已經(jīng)開采結(jié)束，經(jīng)過前期采空區(qū)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，3中段以上采空區(qū)總的暴露面積為17 818 m2，采空區(qū)體積為472 632 m3，匯總表見表1。采空區(qū)暴露面積從112～917 m2不等，從井下現(xiàn)場實(shí)際觀察來看采空區(qū)穩(wěn)定性情況相對(duì)良好。

表1 3中段以上空區(qū)體積匯總表

1.2 面臨的地壓問題

為了回采前期預(yù)留的間柱和頂柱，目前對(duì)4中段以上部分采空區(qū)（C301、C304、C306、C310、C312、C314、C402、C404、C406等采空區(qū)）進(jìn)行了充填處理。下一步計(jì)劃對(duì)已充填的空區(qū)間柱和頂柱進(jìn)行回采，下一步回采殘礦面臨以下地壓問題：

1.間柱和頂柱回采過程中自身穩(wěn)定性。間柱和頂柱回采前作為保安礦柱，承受了上覆巖層的壓力，起到支撐上部巖層作用。間柱和頂柱采斷過程中，局部巖體可能受應(yīng)力集中影響，導(dǎo)致間柱和頂柱發(fā)生失穩(wěn)。

2.殘采礦柱對(duì)其它相鄰礦柱穩(wěn)定性影響。某一間柱和頂柱回采結(jié)束后，受應(yīng)力調(diào)整和重分布影響，其它相鄰礦柱受力可能會(huì)增加，導(dǎo)致礦柱出現(xiàn)破壞。

3.上覆巖層移動(dòng)變形和整體來壓。按照后期殘采計(jì)劃，對(duì)井下大部分間柱和頂柱進(jìn)行回采再嗣后充填，大體積充填體將取代原生礦柱來支撐上覆巖層，充填體的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于原生巖體強(qiáng)度，再加上充填過程中的充填不接頂?shù)纫蛩赜绊?，可能?dǎo)致上覆巖層發(fā)生整體變形，繼而導(dǎo)致大面積來壓，造成地表沉降變形，同時(shí)給井下深部開采帶來安全風(fēng)險(xiǎn)。

鑒于錫林礦業(yè)下一步殘采存在的殘采過程礦柱穩(wěn)定性和上覆巖層和整體地壓問題，有必要對(duì)殘采過程采區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行有效的監(jiān)測。根據(jù)礦山的地壓問題和國內(nèi)外現(xiàn)有的技術(shù)，可采用目前國內(nèi)外最為先進(jìn)的微震監(jiān)測技術(shù)對(duì)采區(qū)進(jìn)行實(shí)時(shí)、立體和動(dòng)態(tài)監(jiān)測，保證下步殘采的安全，同時(shí)通過對(duì)殘采過程的地壓監(jiān)測分析，給出地壓發(fā)展規(guī)律，為下一步殘采方案提供技術(shù)支撐。

2 多通道微震監(jiān)測技術(shù)特點(diǎn)

微震監(jiān)測技術(shù)是目前國際上最先進(jìn)的地壓監(jiān)測技術(shù)之一，在國內(nèi)外礦山得到了較為廣泛的應(yīng)用。微震監(jiān)測技術(shù)和常規(guī)應(yīng)力、位移監(jiān)測技術(shù)相比具有實(shí)時(shí)、立體監(jiān)測、高精度定位和豐富監(jiān)測信息等優(yōu)點(diǎn)［2～7］。

2.1 全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測

采用先進(jìn)的通訊技術(shù)，微震監(jiān)測技術(shù)可將目標(biāo)區(qū)域安裝的傳感器接收到的信息實(shí)時(shí)地傳輸?shù)奖O(jiān)控室，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)測區(qū)域的全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測。

2.2 大范圍立體監(jiān)測

傳統(tǒng)的應(yīng)力位移監(jiān)測屬于“點(diǎn)”監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果只反應(yīng)監(jiān)測點(diǎn)的應(yīng)力位移變化情況。微震監(jiān)測技術(shù)是通過傳感器采集監(jiān)測區(qū)域巖體破裂產(chǎn)生的應(yīng)力波，因此，微震監(jiān)測技術(shù)是在空間概念上的時(shí)間過程監(jiān)測，可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)區(qū)域的大范圍立體監(jiān)測。

2.3 高精度空間定位

微震監(jiān)測技術(shù)可以通過布置的多個(gè)傳感器對(duì)同一破裂源進(jìn)行監(jiān)測，將監(jiān)測采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，采用走時(shí)差原理對(duì)破裂源的空間位置進(jìn)行計(jì)算，可實(shí)現(xiàn)震源的高精度空間定位。

2.4 微震事件物理多參數(shù)分析

微震監(jiān)測技術(shù)可以對(duì)微震事件多物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行分析，比如事件數(shù)、微震事件能量、微震震級(jí)、微震視應(yīng)力、震源半徑等。多參數(shù)分析可以為巖體穩(wěn)定性分析提供豐富的信息，實(shí)現(xiàn)災(zāi)害的精確監(jiān)測。

多通道微震監(jiān)測系統(tǒng)除了可以對(duì)微震事件進(jìn)行波形（波譜）、總事件數(shù)與事件率的分析外，還能進(jìn)行能量、震級(jí)、視應(yīng)力、動(dòng)應(yīng)力降、靜應(yīng)力降、震源半徑等物理量的量化分析，實(shí)現(xiàn)多參數(shù)巖體穩(wěn)定性分析和地壓災(zāi)害的預(yù)警研究。

2.5 遠(yuǎn)程監(jiān)測和專家會(huì)診

利用網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)可實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)查看監(jiān)測信息，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)區(qū)域的遠(yuǎn)程監(jiān)控，也方便專家進(jìn)行遠(yuǎn)程會(huì)診，大大提高了監(jiān)測的便捷性和實(shí)時(shí)性。

2.6 減輕監(jiān)測人員的工作危險(xiǎn)性與勞動(dòng)強(qiáng)度

微震監(jiān)測系統(tǒng)可以對(duì)地壓情況惡劣的區(qū)域?qū)嵭袩o人監(jiān)測，不需要地壓人員進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域，避免了監(jiān)測人員的工作危險(xiǎn)性，也大大減輕了監(jiān)測人員的現(xiàn)場監(jiān)測勞動(dòng)強(qiáng)度。

3 多通道微震監(jiān)測技術(shù)方案

微震監(jiān)測技術(shù)方案遵循整體包絡(luò)、重點(diǎn)監(jiān)測的原則［8］。1＃、2＃井目前有5個(gè)開采中段，因此，微震系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)首先達(dá)到采區(qū)整體監(jiān)測的目的，再根據(jù)局部采空區(qū)實(shí)際監(jiān)測需求程度不同進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測。

根據(jù)1＃、2＃井采區(qū)現(xiàn)有開采范圍，綜合考慮到地壓監(jiān)測需求，設(shè)計(jì)1＃、2＃井采區(qū)微震監(jiān)測系統(tǒng)為18通道，即3臺(tái)數(shù)據(jù)采集儀，每臺(tái)數(shù)據(jù)采集儀由6個(gè)通道組成，共有18個(gè)通道，攜帶18個(gè)單軸傳感器?？蓪?shí)現(xiàn)對(duì)1＃、2＃井開采范圍的全天候、實(shí)時(shí)和立體監(jiān)測。

整個(gè)微震監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)置4個(gè)分站點(diǎn)，分別為2中段數(shù)據(jù)采集站點(diǎn)、3中段數(shù)據(jù)采集站點(diǎn)、4中段數(shù)據(jù)采集站點(diǎn)和地表辦公區(qū)地壓監(jiān)控站。傳感器監(jiān)測到的信號(hào)通過信號(hào)電纜分別傳輸?shù)?中段、3中段和4中段數(shù)據(jù)采集站點(diǎn)。井下2中段、3中段和4中段數(shù)據(jù)采集站點(diǎn)通過光纜將微震信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸至辦公區(qū)地壓監(jiān)控站。監(jiān)測系統(tǒng)的主服務(wù)器（監(jiān)測分析系統(tǒng)）布置在辦公樓的地壓監(jiān)測站內(nèi)，整個(gè)系統(tǒng)由主服務(wù)器通過GPS實(shí)現(xiàn)各采集儀同步授時(shí)。并且通過互聯(lián)網(wǎng)，該監(jiān)測系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)控功能。

采區(qū)微震監(jiān)測系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

考慮到1＃、2＃井采區(qū)采空區(qū)、殘采礦柱的賦存特征，同時(shí)為了保證其監(jiān)測效果，所布置的傳感器需形成一定密度三維立體式包陣列，對(duì)監(jiān)測區(qū)域形成有效的包絡(luò)區(qū)。1＃、2＃井采區(qū)布置18個(gè)傳感器，設(shè)計(jì)2中段、3中段和4中段分別布置6個(gè)傳感器，布置平面圖如圖2～圖4所示，剖面圖如圖5所示。

4 系統(tǒng)監(jiān)測定位效果

圖1 微震監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成圖

圖2 2中段傳感器布置平面圖

圖3 3中段傳感器布置平面圖

圖4 4中段傳感器布置平面圖

圖5 傳感器布置剖面圖

圖6 微震事件監(jiān)測定位平面圖

圖7 微震事件監(jiān)測定位立體圖

經(jīng)過現(xiàn)場安裝調(diào)試后，錫林礦業(yè)微震監(jiān)測系統(tǒng)于2020年5月投入使用。系統(tǒng)運(yùn)行后，通過一段時(shí)間的監(jiān)測可以看出，該系統(tǒng)對(duì)采區(qū)微震事件定位精度較高，監(jiān)測效果較好。圖6～圖8為2020年6月份爆破事件監(jiān)測定位結(jié)果，可以看出，微震監(jiān)測系統(tǒng)本月定位爆破事件個(gè)數(shù)269個(gè)，主要集中在2中下斜和5中下斜作業(yè)區(qū)域。爆破事件震級(jí)在-1.5～0.5之間，定位精度較高，定位誤差主要集中在0～24 m范圍內(nèi)，在8～12 m范圍內(nèi)比重最高。

圖8 微震事件監(jiān)測定位誤差分布圖

5 結(jié) 語

1.錫林礦業(yè)下一步在礦柱回采過程中將面臨礦柱回采過程中自身穩(wěn)定性、殘采礦柱對(duì)其它相鄰礦柱穩(wěn)定性影響和上覆巖層移動(dòng)變形等地壓問題。通過對(duì)采空區(qū)及地壓問題分析，并結(jié)合多通道微震監(jiān)測技術(shù)特點(diǎn)，有必要建立一套18通道微震監(jiān)測系統(tǒng)。

2.通過監(jiān)測方案制定、現(xiàn)場安裝調(diào)試，錫林礦業(yè)微震監(jiān)測系統(tǒng)于2020年5月投入使用，經(jīng)過一段時(shí)間監(jiān)測表明，該系統(tǒng)對(duì)采區(qū)微震事件監(jiān)測定位效果較好，可實(shí)現(xiàn)對(duì)采區(qū)進(jìn)行實(shí)時(shí)、立體和動(dòng)態(tài)監(jiān)測，保障礦山安全生產(chǎn)和地壓控制技術(shù)水平。

3.系統(tǒng)運(yùn)行后，如何結(jié)合礦山的地壓特點(diǎn)展開采空區(qū)穩(wěn)定性分析、地壓災(zāi)害監(jiān)測和預(yù)警預(yù)報(bào)，還要做更多更細(xì)的工作。