特大采空区及高大矿柱稳定性监测研究

王培武，杨 顺，王贤伟

(1.万城商务东升庙有限责任公司， 内蒙古巴彦淖尔市 015000；2.长沙矿山研究院有限责任公司采矿工程中心， 湖南长沙 410012)

特大采空区及高大矿柱稳定性监测研究

王培武1，杨 顺2，王贤伟1

(1.万城商务东升庙有限责任公司， 内蒙古巴彦淖尔市 015000；2.长沙矿山研究院有限责任公司采矿工程中心， 湖南长沙 410012)

某铅锌矿采用房柱法开采，形成了由4个矿柱支撑的上下贯通的5个大采空区，矿柱宽度10～15 m，高度为40～110 m，空区总体积达75万m3；地表有季节性河流，上覆岩层最薄处只有144 m。井下采场冲击波对个矿柱的稳定性以及上覆岩层的扰动极大的威胁着矿山的安全生产。针对上述问题，采用微震监测系统对矿柱内岩体稳定性进行研究，成功掌握了各矿柱的受力情况，对矿柱的开裂进行了有效预警，调整井下采矿作业位置，达到了持续有效监测的目的，对矿山的安全生产发挥了指导作用。

特大采空区；矿柱稳定性；微震监测

0 引 言

我国矿山开采由于历史原因，采矿秩序较混乱，同时受采矿技术和机械装备水平所限，使用空场法、崩落法、留矿法等采矿方法，形成了大量的采空区，这些空区暴露面积大，上覆岩层较薄，矿柱厚度较低，同时随着采矿深度的增加，地压问题急剧上升，存在极大的安全隐患。

针对这样的现状，2003年，李庶林等首次引进微震监测系统对凡口铅锌矿深部开采进行地压监测，对生产爆破后的余震进行了初步应用研究，对矿山生产管理进行了有效指导，对微震监测技术在矿山的应用取得了极大的促进作用[1]；2008年，杨志国等通过微震监测技术微震时间定量理论分析了冬瓜山铜矿回采过程中矿柱应力、位移、刚度和稳定性变化过程规律，说明较大规模岩体破坏发生前会出现岩体刚度先增大后下降、应力水平先下降后增大、微震事件发生频率增大等现象[2]。2013年，杨顺等利用微震监测技术，通过对单通事件触发频率和能量大小的实时动态研究，成功对香炉山钨矿井下地压活动进行了安全预警，说明微震监测对掌握岩体内部未破裂状况及能量释放情况具有重要作用[3]；2014年，胡静云等针对大红山铁矿特大采空区及上覆岩层移动以及地表开裂塌陷等地压问题，引进微震监测技术和实时岩移变形监测等手段，对上覆岩层移动量，地表开裂范围与水平移动进行了有效的监测，说明大采空区地压监测结合微震与岩移监测具有很好的应用效果[4]。本文主要是针对某铅锌矿特大采空区问题，通过微震监测实现对矿柱开裂、垮落等地压灾害的监测与预警。

1 矿山现状

该矿山2004年投产开采，年生产能力70多万t，房柱间采过程中没有保留中段矿柱，形成约130万m3的特大采空区，为深部矿体的开采留下严重的安全隐患。形成了被4根矿柱分隔的5个采空区，分别为7线、11线、15线和万19线矿柱，矿柱宽度10～15 m，高度为40～110 m，单个采空区暴露面积超过3500 m2，最大暴露面积达到3700 m2。采空区上覆岩层最薄的地方只有144 m，其中15线矿柱地表位置有季节性河流横贯矿床。矿柱稳定性和采空区稳定性问题突出。矿山纵剖面图如图1所示。矿柱稳定性与采空区上覆岩层的稳定性一直是影响矿山安全生产的首要问题。针对上述地压地质灾害问题，矿山相继建立了18通道微震监测系统以及非接触式岩移监测系统等技术手段，对矿柱稳定性、各矿柱应力转移情况以及矿柱开裂情况等进行监测与预警[5-6]。

2 监测方法

为了监测4个矿柱以及采空区的整体稳定性，建立了一套18通道全数字型微震监测系统，实现了对信号的全天候实时监测，并实现了数据的远传输送与专家远程监控，系统组成如图2所示。传感器安装在7线、11线、15线以及19线矿柱内，分布在930，960，890，873 m四个中段内，矿柱中传感器布置及理论定位精度如图3所示，可以看出系统在被测矿柱及采空区区域理论定位精度在20 m以内，具有较好的定位效果。

图1 井下采空区现状

图2 18通道微震监测系统

图3 主采空区传感器布置优化

3 监测结果分析

3.1 微震监测结果分析

微震单通道触发事件为传感器监测范围内监测到的岩体内部微破裂所产生的弹性波[7]，根据万城矿井下生产及岩体条件，设定了单通道触发预警值为80个/d.

7线矿柱共有5个传感器，其中3＃、4＃在930 m中段，8＃、9＃在 890 m中段，14＃在873 m中段，自2014年3月以来，890 m中段8＃、9＃传感器微震事件率一直保持较高水平，针对这两个传感器3～7月份数据统计如图4所示。从图中数据趋势可以明显看出，3～6月份微震数据较为活跃。然而，在6月份现场勘查表面地压活动和裂纹扩展较不明显，反而在7月份出现明显的裂纹扩展，相比7月份微震数据较为平静，较不活跃。一般岩体破裂过程在外力作用下先从内部薄弱处产生微破裂，裂纹贯通开展，直至表面出现可见性变形，因此上述监测表明，7线矿柱在出现较多的内部前兆性的微破裂裂纹，直至7月份出现明显的岩体开裂和岩移等地压现象。而在临近垮落时，微震事件频数反而减少，即为发生冲击地压的前兆。伴随着岩体垮落，岩体内部的能量得到释放，其压力也会相对减小，微震事件频度降低。

图4 2014年3～7月8＃、9＃传感器数据统计

3.2 典型波形分析

选取较有代表性的8＃传感器岩体破裂波形进行分析，如图5所示。该波形为8＃传感器于2014年6月16日16∶27时收集，可以通过频率选取开窗，选取一周期波分所在处如图阴影宽度。可以看出该周期为1.1 ms，根据换算该周期波段的频率为923.2 Hz。因为一般岩体破裂波形不为单一频率波形，而是由分布在一定的频率域范围波形组成。为了全波段分析岩体破裂的主频范围，对上述波形进行快速傅里叶变化(FFT变化)，可以观察出所监测到岩体破裂波形在频率域的分布特征。从图6可以得知，该波形的破裂主频接近1000 Hz。这也与正常岩体破裂的频率范围相符，属于临近传感器岩体高频破坏。

图5 岩体破裂波形

图6 岩体破裂波形FFT变换

声谱图可以通过颜色的区别将波形在频率域的差别明显的区别。图7为上述8＃传感器所分析波形的声谱图，分为上下对应两图，横轴均为相同的时间轴。通过声谱图可以看出，岩体破裂与低噪有明显的频率差异，表明该监测波形低噪较为纯净，岩体破裂波形较为清晰。

4 结 论

(1)微震监测数据表明，在2014年5，6月微震事件率保持较高水平，且超过预警值范围，但未出现明显的地压显现；而在微震事件率较低的7月份，矿柱产生了开裂和片帮等现象，说明微震数据较活跃时期，岩体内部产生较多微破裂或原有裂纹贯通，该过程所产生的应力波使得传感器处于高触发状态。到7月份传感器触发数明显降低时，矿柱内部微裂纹萌发贯通直至宏观的开裂或片帮，矿柱内应力能量随着开裂而释放，最终岩体出现可见性变形。

图7 岩体破裂波形声谱图

(2)结合其他矿柱微震监测数据分析，并没有出现明显的异常，说明井下空区处于稳定状态，7线矿柱的数据异常为局部承压增加，该矿柱处于高应力集中区，同时，临近的3-1采空区本身为矿山暴露面积最大的空区，3-2采场的出矿使得7线矿柱高度增加，受力增大，爆破作业冲击波对矿柱的破坏加剧。基于这样的监测结果，矿山停止了对3-2采场的生产作业，避免潜在的地压灾害风险。

(3)通过微震监测技术单通道触发事件的统计与分析，成功掌握了井下各矿柱的应力变化情况，为矿山的安全生产提供了重要保障。

[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]杨志国，于润仓，等.微震监测技术在深井矿山中的应用[J].岩石力学与工程学报，2008，27(5):1066-1073.

[3]杨 顺，兰晓平，等.基于单通道触发微震事件的地压动态分析[J].矿业研究与开发，2014，34(2):33-36.

[4]胡静云，李庶林，等.特大采空区上覆岩层地压与地表塌陷灾害监测研究[J].岩土力学，2014，36(3):1117-1122.

[5]冯晓东，杨 顺.万城铅锌矿的多通道微震监测系统及其研究[J].采矿技术，2014，14(4):54-57.

[6]杨 顺.非接触式岩移监测系统的开发研究[D].长沙:长沙矿山研究院有限责任公司，2014.

[7]胡静云，林 峰，等.香炉山钨矿残采区地压灾害微震监测技术应用研究[J].中国地质灾害与防治学报，2010，21(4): 110-115.

2016-03-04)

王培武(1974-)，男，福建龙岩人，工程师，主要从事矿山采矿工程及安全监测相关管理工作，Email: 790034116@qq.com。