采空区上覆岩层稳定性声发射监测可行性研究

付占宇，彭府华

(1.河源市紫金天鸥矿业有限公司， 广东河源市 517463;2.长沙矿山研究院， 湖南长沙 410012)

采空区上覆岩层稳定性声发射监测可行性研究

付占宇1，彭府华2

(1.河源市紫金天鸥矿业有限公司， 广东河源市 517463;2.长沙矿山研究院， 湖南长沙 410012)

简要介绍了下告铁矿的开采背景、采空区规模及地压特点，论述了采用多通道声发射监测技术进行采空区上覆悬顶岩层稳定性监测的必要性，介绍多通道声发射监测技术方案和特点。针对下告铁矿采空区分布、断层影响和地压活动等情况，确定了采用12通道声发射监测系统进行地压监测，并对传感器的布置进行了优化，给出了传感器的合理分布位置。

悬顶岩层;岩层稳定性;多通道声发射监测系统;传感器布置优化

广东天鸥矿业有限责任公司下告铁矿位于广东省河源市境内，属低山丘陵地貌，地表植被较发育，以灌木、幼松为主。矿床采用主井、副井、斜坡道联合开拓。自2008年投产以来，下告铁矿初期曾采用分段空场采矿法开采，后来由于矿山扩大生产规模的需要，改用无底柱分段崩落法开采。初期空场法开采遗留了较大规模的采空区，在改用无底柱分段崩落法过程中，对间柱、顶柱及采空区进行了处理。由于采空区顶板岩层比较稳固，没有形成连续的崩塌覆盖岩层，产生了较大规模的悬顶，地压比较明显，威胁到了当前的采矿生产安全。因此，必须开展必要的地压监测研究工作。

1 空区上覆岩层与地压特点

1.1 空区上覆岩层

空区上覆岩层由上至下为第四系表土层和灰岩。第四系(Q)按其成因类型及物质成分，可分为第四系残坡积层及第四系冲积层。

(1)第四系残坡积层。主要发育于山坡，山脊的地表，呈大面积面状分布。由土黄色、灰白色、褐红色砂质粘土、砂、岩屑及基岩风化碎块等组成，表层受腐殖质影响，呈灰色、黄灰色，含植物碎屑等，植被发育，一般厚度2～5 m。

(2)第四系冲积层。主要分布于下告至宝山公路以南，下告河的河床、漫滩及山沟等低洼地段，大部分已被开垦成稻田。分布面积约0.75 km2，一般厚度10～30 m，主要由粘土、亚粘土、砂、砾石、卵石及磁铁矿等组成。

(3)灰岩。灰黑色，见磷片不等粒花岗变晶结构，薄层—条带状构造。矿物成分以方解石为主，含量约70%，呈微粒状;石英、绢云母含量约30%。厚度10～30 m。灰岩岩性较好，节理裂隙不太发育。

1.2 采空区地压特点

下告铁矿经过前期的采矿后，全矿共有4个采空区(6001、6005、6009 和6013)，且仅有 +47，+60，+75 m和+90 m 4个水平有采空区存在，空区底板标高最低为+46.7 m，顶板标高为+107 m，净空区高度 25.8～60.3 m，净空区总面积为 1891 m2，总体积约为8.28万m3，根据规划，矿山+47 m以下改用崩落采矿法。因此对采空区进行了处理并对矿柱进行回采，在对空区间柱及空区上部岩体崩落后，预计形成面积约为5850 m2的新空区。

由于矿体上覆岩层比较稳固，顶板岩层出现了较大范围的悬顶现象。由于受到下盘F5断层的影响和采空区的共同作用，上部开采导致地压显现主要体现在以下几个方面:

(1)近年来，悬顶的上覆岩层产生过两次较大规模的冒顶现象，对井下采场产生了明显的冲击，破坏了采场下盘凿岩巷道的岩体结构，还造成过人员受伤事故;

(2)回收采空区内矿柱的过程中，上覆岩层沿着F5断层错动和崩塌，发展到地表，并产生了较大规模的塌陷地质灾害;

(3)由于上覆岩层岩性好，节理裂隙不太发育，在进行矿柱回收和人工放顶处理时，顶板不能自然冒落，到目前为止采空区上覆岩层形成了较大规模的悬顶，这对未来的井下安全生产带来了很大的地压灾害隐患。

2 空区上覆岩层监测方案选择

由于受采动及断层的影响，新空区面积不断加大，空区顶板岩体可能还会继续冒落至地表。突然冒落产生的冲击和气浪会对采矿作业产生影响，再加上空区顶板岩体冒落时间及冒落规模的不确定性，空区上覆岩层给矿山安全产生带来了极大的隐患。因此对采空区上覆岩层稳定性进行全天候实时监测是非常必要的。但是，传统的监测方法都有明显的缺陷，如井下应力计、应变计监测、地表岩移监测等都不是实时监测、不能实时动态地反映岩体的稳定性，不能全面反映岩体内部的变形和破坏情况，且监测的劳动强度大等。特别是下告铁矿+47 m以上的采空区上盘没有通道，人员不可能进入上盘接近悬顶顶板进行常规监测。另外，仅仅采用地表岩移监测，不能很好地反映悬顶岩体的受力状况，更不能捕捉悬顶岩层的突发性崩塌的前兆特性。因此，选择一种可以实现全天候实时监测的地压监测方法，克服上述传统监测方法的缺点，对于下告铁矿上覆岩层地压监测是十分必要的。

多通道声发射与微震监测技术有其自身的优点和特点［1，2］，可以克服传统监测方法的弊端，近年来在国内矿山地压监测中得到了推广应用，并在硬岩金属矿山的地压监测应用中取得了较好的效果［1～3］。针对下告铁矿采空区地压特点，采用多通道声发射监测系统对上覆岩层进行全天候实时监测，可以及时了解和掌握悬顶岩体的地压活动情况和发展趋势，及时捕捉岩体破裂的前兆信息，实现对可能发生的大面积顶板冒顶灾害的安全预警，从而给矿山安全生产提供可靠的依据。

3 多通道声发射监测系统及其技术特点

3.1 系统组成

根据下告铁矿上覆悬顶岩层的范围和规模，以及上覆岩层的厚度等，确定采用12通道声发射监测系统对采空区上覆悬顶岩层稳定性进行监测。该系统主要由12通道数据采集仪、12个单轴传感器和数据监控处理站3部分组成，数据处理站建在地表办公楼内，系统组成如图1所示。在每个传感器与数据采集仪之间为模拟信号传送，采用信号电缆线相连;数据采集仪与监控处理站之间先从数字信号转换成光信号，经光缆传输至数据处理站，再由光信号转换成数字信号达到监控分析计算机，实现监测数据的远传输送。

图1 多通道声发射系统

3.2 系统技术特点［4，5］

(1)实时监测。多通道AE监测系统，一般是通过以阵列的形式把传感器固定安装在监测区域内，实现对区域内岩体因受应力作用而产生的声发射信息的有效采集。该技术的一个重要特点是它可实现对声发射事件的全天候实时监测。

(2)全范围立体监测。声发射技术突破了传统监测方法力(应力)、位移(应变)中的“点”或“线”意义上的监测模式，通过系统优化布局，实现对设计监测范围内的岩体声发射过程在空间概念上的时间过程监测，实现常规方法人不可达到岩体内部的监测。

(3)全数字化数据采集和存储及处理。多通道声发射技术采用全数字化技术，克服了模拟信号系统的缺点，对数据的采集、存储和处理更加方便，使得计算机监控成为可能。系统的高速采样以及P波的全波形显示，使得对声发射信号的频谱分析和事件的判别直观方便。

4 传感器布置与监测效果方案优化

4.1 地压监测区域

根据采空区空间分布范围和分布状况、上覆悬顶岩层的厚度，监测的对象主要是采空区上覆悬顶岩层。由于传感器有较大的触探范围，本系统的实际监测范围是从采空区悬顶岩体顶板直到地表、跨0～4勘探线之间的、包括F5在内的上覆岩层区域，见图2。

图2 监测区域

4.2 传感器的优化布置

如果将传感器布置在采空区下面的岩体中，采空区上覆岩体失稳产生的应力波穿过较大的采空区到达井下传感器，这个过程由于波的几何扩张和散射，导致应力波衰减严重，从而影响系统的监测效果。因此考虑将传感器布置在采空区上覆岩层中。

传感器的布置位置是多通道声发射监测的重要技术问题，直接影响到监测效果的好坏。传感器布置优化采用仿真模拟定位精度的方法，不断调整传感器的布置位置，使系统监测效果达到最优［6］。传感器布置优化的效果如图3、图4和图5所示，图3为地表平面监测效果云图，图4是+34 m水平的监测效果云图，图5所示是监测效果的立体云图。通过传感的优化分析，使得在传感器包围区域具有较好的监测效果，同时井下+90，+60，+34，0 m分层基本都在其监测包络范围以内。

图3 地表监测范围圈

图4 +34 m监测范围圈

图5 立体范围圈包络面

5 结语

根据下告铁矿空区分布情况和矿山地压特点，提出了采用12通道AE技术对空区上覆岩层进行地压监测。采用仿真模拟的方法，并结合地表地形情况给出了传感器位置的优化结果。这只是对多通道AE监测系统在下告铁矿的应用进行了一个可行性的论述，12通道声发射监测系统建立起来之后，如何有效的监测空区上覆岩层的稳定性，以确保矿山安全生产，还需要做大量的工作。

［1］ 李庶林，尹贤刚，郑文达，等.凡口铅锌矿多通道微震监测系统及其应用研究［J］.岩石力学与工程学报，2005，24(12):2048－2053.

［2］ 袁节平.试论柿竹园多通道微震监测技术研究的必要性［J］.采矿技术，2009，9(1):66－69.

［3］ 胡静云，林 峰，彭府华，等.香炉山钨矿残采空区地压灾害微震监测技术应用分析［J］.中国地质灾害与防治学报，2010，21(4):109－115.

［4］ 李庶林.试论微震监测技术在地下工程中的应用［J］.地下空间与工程学报，2009，5(1):122－128.

［5］ 国防科技工业无损检测人员资格鉴定与论证培训教材编审委员会.声发射检测［M］.北京:机械工业出版社，2004.

［6］ 林 峰，李庶林，薛云亮，等.基于不同初值的微震震源定位方法研究［J］.岩石力学与工程学报，2010，29(5):996－1002.

2011－03－29)

付占宇(1966－)，男，辽宁铁岭人，高级工程师，主要从事采矿技术研究，Email:fuzhanyu468@sohu.com。