崩落转充填开采矿山的安全智能化监控预警技术研究

2021-06-06何晓武

采矿技术 2021年3期

何晓武

(广西华锡矿业有限公司铜坑矿业分公司，广西河池市 547207)

0 引言

随着我国矿山开采深度增加和范围扩大，普遍呈现出明显的地应力复杂，地压监测预警难度加大的状态，矿山地压控制和监测技术成为众多金属矿山安全生产的技术关键。改进监测预警技术，及时和准确地跟踪并定位事故可能发生的危险区域，适时采取有效措施，是矿山安全、可持续开采及矿山企业生存发展的重要保障。

国内部分大型矿山在难采矿体大范围开采的地压监控方面进行了一定的技术研究与实践，通过充填法开采对采场地压进行有效控制实现大面积连续开采[1]。在地压灾害监测手段上，早期我国采用的微震监测系统大多数是进口设备，如加拿大ESG及南非 ISS的微震监测系统等[2−4]；近年来，国内学者进行了大量研究，除了采用应力应变观测等技术手段外，通过自主开发微震监测设备，进行矿山压力、采空区与矿柱稳定性微震监测[5−7]，如长沙矿山研究院等，开发了多通道岩体声发射与矿山微震监测系统，应用于矿山地压与采空区稳定性监测[8]。铜坑矿前期开采复杂采空区环境下产生多种隐患，在铜坑矿92号矿体崩落法转充填法开采期间，为有效实现安全回采, 需要进行地压监控和安全回采研究，针对矿山资源丰富但开采条件恶劣的情况，加强地压管理和安全监测是关键。铜坑矿基于绿色矿山建设的发展理念，结合国内外矿山在充填法开采地压监测方面的技术与经验，前期进行了相关研究[9−10]。在此基础上，针对崩落法及空场法嗣后处理空区的复杂情况，通过理论研究和现场试验，结合井下与地表岩移与井下地压活动的监测[11−12]，加强地压监测预警，采取积极有效的安全措施[13]，实施科学有序回采，确保对矿区与周边环境的扰动限制在可控制的范围内[14−15]，实现了矿产资源安全高效开发。

1 矿山概况

铜坑矿位于广西河池市南丹县大厂镇境内，自建设投产40年以来，矿区主要开采细脉带、91号、92号3大矿体。矿区位于上部的细脉带矿体和91号矿体已回采完，目前主要开采的92号矿体为缓倾斜似层状厚大矿体。细脉带矿体早期主要采用崩落法开采；91号矿体主要采取充填法开采，其大部分区域已进行胶结充填；91号与92号矿体有较大部分重叠区域，其间有围岩隔离。92号矿体开采范围将近1 km2，因前期主要采矿方法为组合式崩落法、留连续矿柱空场法，嗣后处理空区。92号矿体前期开采主采取人工崩落顶板、自然崩落或废石充填，近年来92号矿体大部分区域逐步转为采用废石和尾砂胶结充填。

92号矿体主要开采区域采高达30m～50m以上，部分崩落顶板围岩或用废石充填，随着开采范围的不断扩大，在没有全面实施空区充填的情况下，空区周边形成高应力集中区，隔离矿柱因地压活动或爆破影响被破坏，若地压控制不当，则可能产生垮塌冲击，对井下作业及地表造成严重危害。由于盘区开采已形成很大的采动范围，近期地压活动显现的区域有五盘区北面、深部201#线与202#线附近等，其中五盘区地压趋向稳定、355中段202#线盘区矿柱应力集中明显，440m 201#线盘区矿柱北面矿柱呈塑性变形逐步发展的趋势。为保证采矿生产持续运行和后续矿量正常供给，加强了92号矿体采空区治理与地压监控。

2 地压监控技术路线

在铜坑矿92号矿体前期开采区域有部分空区未充分处理，余下千万吨矿石资源若继续采用空场或崩落法均难以回采，甚至可能引发大面积地压活动，加剧矿石资源的损失。因此，需要改为充填法，在过渡期内关键区段先胶结充填，加强监控预警，有步骤地回采周边积压的矿石，为资源接替和持续发展创造条件。需要在理论分析和现场监测的前提下，有规划有步骤地进行优化充填回采。实现连续性开采及保护性安全开采智能化监控，主要采用国产化和多数据融合的创新技术，有步骤地实施空区充填处理，对充填体稳定性进行理论分析和现场监测，结合井下地压监控与岩层移动监测预警信息，提出有效的灾害防治措施。

基于国内外矿山在崩落法转充填法开采地压监测方面的技术与经验，进行有效的地压管理和安全监测是技术关键，尤其在矿山崩落法和空场嗣后充填的过渡期，应强化开采地压灾害监测，加强地表岩移与地压活动的监测，采取积极有效措施，确保安全。出于对充填体稳定性及地压优化控制效果监控的需要，对于92号厚大矿体及多层采空区的充填处理及地压监控技术需要深入研究，采用与国内胶结充填工艺配套且符合矿山技术条件的监控技术，从现场实际出发，研发和改进监控预警手段，深入开展采场地压监测，根据监测结果针对性地提出切实可行的安全技术措施。

地压监控与分析的基本技术路线：通过对开采区域进行工程地质调查，对围岩稳固性进行评价，建立数值计算模型，对不同采场结构参数情况下的顶板和矿柱稳定性进行计算分析，进行开采过程中围岩与充填体稳定性模拟，进行地压活动区域预测分析和地压灾害预警，提出相应的安全对策与监测防护措施。

3 智能化监测与分析技术

采空区微震监测、岩层与矿柱稳定性监测、围岩高应力高温影响区域诱发岩体失稳危害等危险因素的监测监控，尽可能采用智能化监测设备和先进的综合分析方法。

针对铜坑矿崩落转充填法过渡期开采复杂环境条件，开展安全智能化监控预警工作，重点解决了以下几项关键性的问题。

（1）监测信号接收问题。由于环境影响，信号传输易受干扰，通过对信号波的滤波降噪处理，实现了对矿区微震与地压活动监测预警。

（2）多数据融合分析问题。针对矿井下传感器分布范围广、监测数据多样化的情况，提出地压监测系统和地震监测台网等多源数据的融合技术，构建多数据分析预测模型，对所收集的信息进行有效性识别和融合，实现综合分析和险情判别预警。

（3）多灾源环境条件下监测预警。针对井下多层空区和震源信号传播复杂的特点，通过对信号波的波形、频谱和能量、地震距等综合分析，形成了多灾源作业环境灾源定位协同分析系统，提高了定位精度与可靠性。

此外，通过GPS 技术建立了地表岩移控制网，进行地表岩移监测，有效监控矿体开采与充填前后岩层移动及地压活动的变化情况，监测预警技术得到了系统的发展。

根据铜坑矿技术条件和实际情况，进行了监测预警技术开发与改进。（1）加强围岩充填体-围岩应力监测，增加南北方向和东西方向监测网线，找出应力分布和地压转移规律。（2）增加井下全站仪器监测以提高位移、水准测量效率；增加收敛监测，顶底板移近量监测。（3）加强钻孔位移及钻孔电视（窥视仪）监测。（4）适当增加声波测试手段。（5）设置充填体内声发射探头，结合应力-应变综合监测分析。为了更方便有效地监控地压活动，为提高监测精度，采取在现有监测网的基础上，增加网络授时器的方案，进行声发射监测系统的联网监测，通过采用专线改进同步授时精度，优化网络，实现定位与预警。同时，将应力在线监测系统、顶板位移在线监测系统接入“地压监测系统”中，建成综合性地压监测网络，通过光缆与地面监测室电脑连线，实现远程连接，实现多种数据的实时监测与分析。

针对厚大矿体充填开采过渡期地压控制与监测优化研究，采取以上方法，优化监测系统，针对微震监测需解决的技术难点：噪声滤置、智能波普分析、高精度定位计算、地震波与声发射频谱等多指标综合分析，研发了自燃和破碎条件下矿井微震监测预警技术，解决了在信号准确采集和自动去噪等方面的关键技术问题，改进了自燃和破碎条件下矿井微震监测预警系统，建立了矿山地压与微震在线远程监测系统，开展了井下岩体声发射及微震监测、巷道变形观测、地表岩移观测、多种气体检测、温度检测、近震监测等。已在井下505、455、405、355、305等中段建立了地压监测硐室，现场安装并在线运行6套声发射监测定位系统，通过专用光缆把监测数据实时传输至地面监控中心进行分析处理，实现实时预警。

开发并应用地下多层空区矿井多数据融合预警技术：对所收集的信息进行状态的统一、选择和剔除、分类和融合，进行智能化分析处理，从而达到综合准确判断对象的效果。针对自燃、破碎矿井震源信号中夹杂着噪声信号，首先提出了自适应去噪分析方法，并通过对微震信号进行分解，得到高频和低频两部分信号，对分解得到的各阶固有模态分量求出能量和能量熵值。多组数据采集及数据预处理与数据融合方法，在融合前需要对传感器测量的数据进行有效性判断。现采用群体支持度方法对采集数据做有效性判断，将无效异常数据剔除，不进行数据融合，对各子系统收集到的数据进行融合处理，通过对融合结果的综合分析得到最终的灾害状况。结合多数据融合进行危险预测，见图1。

4 监测预警效果

铜坑矿地压监测系统主要设备为STL-12型声发射监测定位系统，目前地压监控网络由6套子系统组成，在井下各采区及周边布置有多个声发射监测点，监测范围从505m至305m水平。由各子系统（子系统1～子系统8）组成监测系统，各中段监测基站由各子系统组成24通道及36通道同步监测，各子系统也可单独监测。通过研究改进方法，在利用局域网情况下，安装同步授时系统，实现两基站之间的同步联网，大大提高了监测精度。铜坑矿3大矿体开采范围大，开采难度大，地压监测设备配置要求高。近年来，针对复杂开采环境条件，开发整体安全控制与监测预警技术，采用覆盖矿区全部生产区域的地压监控系统，结合岩体应力、位移等多种监控手段实现综合监测，对全矿区域有效实施了安全监测。目前主要采用多监测网站联网监测，将多个系统组成整个矿区地压监测网络，实现远程实时在线监测。地压监测系统联网示意如图 2所示。

图1 多数据融合分析进行危险预测示意

图2 地压监测网示意

（1）采空区围岩与矿柱稳定性监测监控。已建成可实现全天候监测的通道总数达72通道的声发射与微震监测预警系统，应用关键技术进行多种手段的去噪声处理和自动识别有效信号，随时掌握井下地压活动动态。通过在前期研究基础上改进和完善监测方法，逐步落实监测方案，主要针对采空区危害，重点监控主要采矿工程、矿柱破坏及顶板冒落等危险区域，对地压活动进行监测分析和预警。

（2）采区地压活动监测预警。通过采取多种监测手段对92号矿体充填开采过渡期地压进行了全面监控。

对92号矿体二盘区等区域监测预警与预测分析：二盘区T2-1−T2-3采区自开采来顶板逐渐出现冒落，从连续跟踪监测情况看，2019年上半年地压显现一直呈缓慢发展状态，10月底受扰动等因素引起局部的顶板散体冒落，未造成对92号矿体生产区域影响，除局部有应力调整出现声发射现象外，地表塌陷区没有出现新的陷落。地压监测数据结果表明，由于铜坑矿采取了采空区治理和封闭等措施，围岩相对稳定，但要注意预防垮落区可能受其他因素影响松动后，引起的较大范围的联动破坏，另外，需针对垮落区周边区域可能出现的高温、有害气体做好防护措施，并加强地表塌陷区烟气治理。

图3 405m 206#线T611-T610应力计应力变化曲线

对盘区矿柱的地压监测分析：由于92号各盘区前期主要采取单元崩落和空场嗣后充填，前期二盘区与四盘区附近发生地压活动，致使204#盘区矿柱等地段应力集中，造成运输联道等压裂破坏，为此采取了相应的监控预警及对采空区优化充填等地压治理措施。根据地压监测结果分析，2019年四盘区、六盘区北部等采场回采，加之采空区充填滞后，现部分矿柱应力升高，四盘区、六盘区与204#线、206#线等区域岩体声发射与微震事件剧增，应力升高，出现采空区附近局部地压活动，造成该区域405m与355m等水平岩层破坏，运输巷道多处压裂。2019年，六盘区南部T611-T610附近12#及14#等应力计出现应力升高现象，如图3所示，现场发现该区域附近巷道局部边壁压裂破坏。

根据监测预警情况，采取了胶结充填等措施，重点治理四盘区、六盘区关键区域采空区后，实施有效的岩层控制措施，抑制了地压活动的进一步破坏。地压监测系统监测结果显示，2019年底以来，岩体声发射事件率由高降低，如图4所示；204#线盘区矿柱附近应力逐步往外围转移，顶板围岩下沉速度变缓，如图5所示。

根据安全生产需要，铜坑矿逐步建立与基本完善了地压监测预警制度，应用现有技术手段较好地对92号矿体开采区域不断变化的地压现象实施了动态跟踪和监控预警。应用声发射与微震监测技术，提出了监测预警指标，多次对矿山安全开采进行了多次监测预警和应急指令，采取了有效的安全措施，确保了生产安全。

图4 地压监测系统206#线附近测点声发射事件率

顶板沉降监测如图5所示，监测结果表明：巷道顶板水准测量下沉20mm～50mm，明显出现地压活动；矿柱整体位移（矿柱内巷道顶板下沉）达到50mm～100mm则出现加速破坏；顶板下沉200mm以上，则加剧垮落，矿柱大部分发生屈服和塑性破坏。由于及时反馈了地压活动监测情况，并采取了一系列有效措施，暂缓四盘区南部的开采，采取废石加部分胶结充填治理了四盘区等区域采场，取得较好效果。

此外，结合大厂矿区现有8个基站共24通道的地震台网，在铜坑矿建立了监测中心，将地压监测系统与大厂矿区地震监测台网监测数据融合，将矿区地震台网监测到的周边微震活动与矿山开采地压监测数据相结合进行综合分析，采取多套监测设备相互补充进行监测预警和加强安全警戒等相应措施，取得了较好的预警效果。

根据地压监控反馈的信息，铜坑矿井下采取了尾砂胶结充填，对主要采空区进行了治理，采区周边地压活动情况得到了缓解。