熊國雄，尹東升，周科禮，沈維華，張為星

(1.大冶有色金屬有限責(zé)任公司礦業(yè)分公司， 湖北 大冶市 435102； 2.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長沙 410012)

0 引言

某銅礦開采井深已達(dá)千米，開采地壓危害預(yù)警研究以及現(xiàn)場實(shí)際情況表明：埋深1110 m以下的范圍具有發(fā)生強(qiáng)烈?guī)r爆的傾向，而-1010 m以上的范圍大部分區(qū)域具有中等巖爆傾向。據(jù)此，為了有效預(yù)防和控制巖爆災(zāi)害，礦山引入深部在線地壓監(jiān)測系統(tǒng)，對井下深部巖爆災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào)[1]。2019年5月30日完成監(jiān)測系統(tǒng)的安裝，2019年6月15日完成調(diào)試，并正式投入生產(chǎn)使用。深部在線地壓監(jiān)測系統(tǒng)由微震監(jiān)測系統(tǒng)及應(yīng)力位移監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成，本文對微震監(jiān)測系統(tǒng)及應(yīng)力位移監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)，以及針對礦山深部巖爆災(zāi)害的防控措施作了較為詳細(xì)的介紹。

1 微震監(jiān)測系統(tǒng)及調(diào)試

整個(gè)微震監(jiān)測系統(tǒng)硬件采用2套微震監(jiān)測分站（采集儀）、總共16個(gè)通道，1套微震授時(shí)服務(wù)器，1套微震數(shù)據(jù)服務(wù)器，10個(gè)單向速度型傳感器，2個(gè)三向速度型傳感器及對應(yīng)的速度型信號保真盒，以及配套的遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通訊設(shè)備；軟件采用自主開發(fā)的微震系統(tǒng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)軟件（MDC）、波形實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測軟件（WDM）、采集儀通訊信息轉(zhuǎn)發(fā)軟件（ACC）、采集儀配置軟件（MAC）、微震系統(tǒng)配置與監(jiān)控軟件（MMC）、微震監(jiān)測系統(tǒng)信號分析軟件（GMS）、微震監(jiān)測系統(tǒng)三維顯示軟件（GMD）。

微震監(jiān)測系統(tǒng)中的采集儀、數(shù)據(jù)交換中心與微震監(jiān)測系統(tǒng)服務(wù)器間遠(yuǎn)距離通訊網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，采集儀到數(shù)據(jù)交換機(jī)的通信設(shè)備為微震專用DSL，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信號通過專用DSL將數(shù)據(jù)通過交換機(jī)匯合后傳輸至-845中段牽引變電所入口的交換機(jī)，再將微震數(shù)據(jù)并入井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)，上傳至地表調(diào)度中心的微震服務(wù)器，放至-845中段牽引變電所的授時(shí)服務(wù)器，將時(shí)間同步數(shù)據(jù)信號通過交換機(jī)和專用DSL下發(fā)至各采集儀。

圖1 微震監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

現(xiàn)場安裝調(diào)試完成后，地表調(diào)度室內(nèi)的SSS監(jiān)測服務(wù)器運(yùn)行正常，井下微震監(jiān)測系統(tǒng)中的1臺授時(shí)服務(wù)器、2臺采集儀、2臺DSL、2臺數(shù)據(jù)交換機(jī)、12個(gè)速度型傳感器均運(yùn)行正常。

開展微震監(jiān)測系統(tǒng)小爆破定位試驗(yàn)，依據(jù)爆破試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行波速校正，得到校正波速為P波：6573.4 m/s；S波：3900 m/s。微震監(jiān)測放炮調(diào)試參數(shù)見表1，爆破事件定位情況如圖2所示。

從表1及圖2可以看出，爆破事件具有較好的定位精度，此次爆破定位結(jié)果：單方向上精度為15 m左右，空間精度基本在20 m以內(nèi)。

圖2 爆破事件平面定位情況

表1 爆破試驗(yàn)事件定位情況

2 應(yīng)力位移監(jiān)測系統(tǒng)

整個(gè)應(yīng)力位移監(jiān)測系統(tǒng)硬件采用3套采集儀，17個(gè)鉆孔應(yīng)力傳感器及配套的鉆孔應(yīng)力處理器，17 個(gè)位移傳感器，以及配套的遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通訊設(shè)備，軟件采用數(shù)采軟件（LA90-A01）。

應(yīng)力位移監(jiān)測系統(tǒng)中的采集儀臺站、數(shù)據(jù)交換中心與SSS監(jiān)測系統(tǒng)服務(wù)器間遠(yuǎn)距離通訊網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示，-845 m中段3臺采集儀通過專用屏蔽電纜連接至編號1的數(shù)據(jù)交換機(jī)，實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，再通過以太網(wǎng)并入井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)，然后通過混合井內(nèi)的工業(yè)光纖將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至地面調(diào)度室，最后解碼調(diào)取至SSS監(jiān)測服務(wù)器內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與分析。

圖3 應(yīng)力位移監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

現(xiàn)場安裝調(diào)試完成后，地表調(diào)度室內(nèi)的SSS監(jiān)測服務(wù)器運(yùn)行正常，井下應(yīng)力位移監(jiān)測系統(tǒng)中的3臺采集儀、17個(gè)鉆孔應(yīng)力計(jì)、17個(gè)位移計(jì)均運(yùn)行正常。

3 深部巖爆災(zāi)害防控措施

結(jié)合礦山工程實(shí)況，提出采用巖爆監(jiān)測技術(shù)與巖爆控制措施相結(jié)合的方案來預(yù)防并降低巖爆造成的危害[2]。

3.1 巖爆監(jiān)測手段

實(shí)時(shí)監(jiān)測巖體的應(yīng)力、變形和聲發(fā)射特征，則可對該礦山巖爆發(fā)生的傾向性進(jìn)行系統(tǒng)評價(jià)[3]。結(jié)合礦山工程實(shí)況，提出適宜的巖爆在線監(jiān)測方案為：區(qū)域監(jiān)測與位點(diǎn)監(jiān)測相結(jié)合。區(qū)域監(jiān)測擬采用微震監(jiān)測系統(tǒng)，以監(jiān)測巖體內(nèi)部的損傷破裂情況，位點(diǎn)監(jiān)測擬采用應(yīng)力位移監(jiān)測系統(tǒng)。

在-785 m中段安裝1臺微震監(jiān)測分站，布置6支速度型傳感器，其中高靈敏度單向速度型傳感器5支，高靈敏度三向速度型傳感器1支。

在-845 m中段安裝1臺微震監(jiān)測分站，布置6 支速度型傳感器，其中高靈敏度單向速度型傳感器5支，高靈敏度三向速度型傳感器1支；并在該中段布置3臺應(yīng)力位移監(jiān)測分站，分為東、中、西監(jiān)測分站，布置17組應(yīng)力、位移傳感器。

3.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)耦合分析及預(yù)警

僅憑單一監(jiān)測方法的結(jié)果分析，很難對巖體的穩(wěn)定性做出準(zhǔn)確而客觀的判斷。圍巖應(yīng)力、位移、微震事件必然存在某種耦合關(guān)系，通過對這3種監(jiān)測結(jié)果的融合處理，可以對巖體穩(wěn)定性演化做出較為準(zhǔn)確的判斷[4]。

為了保證后期軟件的二次開發(fā)，通過對井下監(jiān)測數(shù)據(jù)的長期觀測，運(yùn)用多種歸納分析手段，經(jīng)Origin等分析軟件分析研究監(jiān)測數(shù)據(jù)之間存在的耦合關(guān)系，需進(jìn)行以下幾類分析：應(yīng)力-位移變化模式分析；應(yīng)力-微震變化模式分析；位移-微震變化模式分析；應(yīng)力-位移-微震變化模式分析[5]。

因監(jiān)測數(shù)據(jù)分析對專業(yè)技術(shù)要求較高，培訓(xùn)學(xué)習(xí)和實(shí)踐練習(xí)周期要求較長，不利于礦山操作人員學(xué)習(xí)和使用。在分析總結(jié)出監(jiān)測數(shù)據(jù)之間的耦合關(guān)系后，開展對監(jiān)測數(shù)據(jù)的預(yù)警值研究，并對相應(yīng)軟件進(jìn)行二次開發(fā)。以此簡化軟件操作的復(fù)雜程度，降低操作人員對圍巖穩(wěn)定性分析及巖爆災(zāi)害危險(xiǎn)性分析的專業(yè)性要求。需進(jìn)行以下幾類研究：應(yīng)力、位移監(jiān)測系統(tǒng)的預(yù)警值判定；微震監(jiān)測系統(tǒng)的預(yù)警值判定；兩套監(jiān)測系統(tǒng)的綜合預(yù)警值判定；區(qū)域危險(xiǎn)程度及預(yù)警閾值研究[6]。

3.3 巖爆控制措施[7]

（1）優(yōu)化開拓布置及回采工藝。井巷布置使其盡量沿最大水平主應(yīng)力方向；嚴(yán)格控制礦房尺寸，及時(shí)充填采空區(qū)；制定合理的開采順序，盡量確保連續(xù)開采。

（2）高應(yīng)力巖體卸壓。選擇打卸壓孔、開卸壓槽或爆破卸壓的方式卸壓，使得高應(yīng)力集中向巖體深部轉(zhuǎn)移。采用爆破卸壓時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制炸藥用量，避免對巖體形成較大擾動(dòng)。

（3）圍巖加固與支護(hù)。根據(jù)深部圍巖情況選擇“徑向錨桿+素噴混凝土”、“徑向錨桿+鋼筋網(wǎng)+噴混凝土”、“徑向錨桿+鋼纖維噴混凝土”或“型鋼支撐+模筑護(hù)壁混凝土”等不同的方案進(jìn)行圍巖加固。此外，對于有大變形的巖體部位可以考慮采用柔性材料支護(hù)。

（4）組織與管理措施。對圍巖情況進(jìn)行定期檢查；深部開采時(shí)，避免爆破排煙后立即安排人員撬毛清渣，應(yīng)適當(dāng)降低施工速度并合理進(jìn)行施工組織；編制應(yīng)急救援預(yù)案等。

4 結(jié)論

（1）深部在線地壓監(jiān)測系統(tǒng)由微震監(jiān)測系統(tǒng)及應(yīng)力位移監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成，微震監(jiān)測系統(tǒng)安裝布置于中段內(nèi)，經(jīng)安裝調(diào)試后，系統(tǒng)各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)均滿足現(xiàn)場在線監(jiān)測使用要求。

（2）采用巖爆監(jiān)測與巖爆控制相結(jié)合的方案進(jìn)行巖爆防治，在線監(jiān)測系統(tǒng)以區(qū)域監(jiān)測為主，位點(diǎn)監(jiān)測為輔；區(qū)域監(jiān)測采用微震監(jiān)測系統(tǒng)，同時(shí)布置應(yīng)力和位移監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行位點(diǎn)監(jiān)測。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，可確定具有巖爆發(fā)生傾向性的巖體地段，對該地段應(yīng)采取一定的巖爆控制措施。主要包括：優(yōu)化開拓布置及回采工藝、高應(yīng)力巖體卸壓和圍巖加固與支護(hù)等。

（3）針對單一監(jiān)測預(yù)警準(zhǔn)確性尚不能滿足現(xiàn)場需要的技術(shù)難題，確定了耦合分析的方法，研究3種監(jiān)測數(shù)據(jù)的耦合關(guān)系，提出了“微震應(yīng)力位移-應(yīng)力位移動(dòng)態(tài)監(jiān)測”綜合判定深部巖爆危險(xiǎn)區(qū)的 方法。