聲發(fā)射監(jiān)測技術用于采空區(qū)地壓災害預測

李示波 李占金 張 洋 盧宏建

(河北聯(lián)合大學礦業(yè)工程學院 河北 唐山 063009)

聲發(fā)射監(jiān)測技術用于采空區(qū)地壓災害預測

李示波 李占金 張 洋 盧宏建

(河北聯(lián)合大學礦業(yè)工程學院 河北 唐山 063009)

東河灣鐵礦經(jīng)過多年開采，存在采空區(qū)多、滯留時間長、安全隱患大等問題。為了在采空區(qū)發(fā)生重大地壓災害前能夠提前預警，以便采取必要的安全措施，預防采空區(qū)重大災害發(fā)生，須建立預警預報系統(tǒng)。以巖石力學試驗及采空區(qū)有限元穩(wěn)定性分析為基礎，分析最易發(fā)生重大災害的區(qū)域，確定必要的監(jiān)測范圍。選用國內(nèi)先進的STL-12型聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)，針對危險區(qū)域建立了完善的聲發(fā)射在線實時監(jiān)測體系。利用室內(nèi)聲發(fā)射試驗以及現(xiàn)場震動波形實測，構建了巖石聲發(fā)射及其他震動波形庫，總結了該礦巖石破壞過程的聲發(fā)射特征。通過波形分析及時掌握了采空區(qū)圍巖地壓活動的聲發(fā)射信息變化規(guī)律，制定了完善的預警預報制度。近2 a的現(xiàn)場實踐表明，該系統(tǒng)可為東河灣鐵礦采空區(qū)塌陷的預測預警提供技術支撐。

聲發(fā)射 采空區(qū) 地壓災害 預測

河北省鐵礦資源豐富，是全國著名的三大鐵礦區(qū)之一?；诤颖笔〉胤借F礦床的賦存特點，80%以上的地下礦山都使用生產(chǎn)工藝簡單、成本較低的空場采礦法。但是應用空場法開采的礦山，在礦房回采完畢后,應及時回收礦柱并處理采空區(qū)[1-2]。然而,一方面由于技術落后，處理空區(qū)難度大、成本較高，另一方面由于單純追求經(jīng)濟利益，不愿投入，所以在礦床回采后，滯留了大量的空區(qū)，這些空區(qū)一旦陷落將對下部生產(chǎn)中段構成嚴重威脅，甚至會導致災難性后果，為礦山的安全生產(chǎn)留下了嚴重的安全隱患，東河灣鐵礦便是其中一例[3]。

1 東河灣鐵礦開采現(xiàn)狀

東河灣鐵礦三礦體礦區(qū)2001年投產(chǎn)，采用豎井盲豎井聯(lián)合開拓。主井底至-130 m水平，回風井底至+20 m水平，共分為-20、-85、-130、-175 m，4個主要開采水平，至2010年8月-85 m以上礦體基本采空,現(xiàn)有采空區(qū)共49個。主要開拓系統(tǒng)及空區(qū)分布情況如圖1，采空區(qū)總體積58.4萬m3，采空區(qū)體積大小不一，1萬m3以上21個，其中最大單個采空區(qū)體積達4.68萬m3。

圖1 東河灣礦區(qū)開拓系統(tǒng)及空區(qū)分布Fig.1 Development system and distribution of mined-out areas in Donghewan Mine

東河灣三礦體經(jīng)多年開采，形成的采空區(qū)規(guī)模大，滯留時間長，容易冒落坍塌。一旦大范圍塌陷，采空區(qū)內(nèi)的空氣會突然涌出，形成強烈沖擊波，嚴重威脅井下工作人員的生命安全[4]。為避免空區(qū)突然塌陷造成災難性后果，應盡快安設完善的空區(qū)地壓活動監(jiān)測系統(tǒng)，對東河灣鐵礦空區(qū)地壓進行全天候監(jiān)測，及時掌握空區(qū)圍巖地壓活動狀態(tài)，研究和分析空區(qū)地壓活動規(guī)律，能準確地預測和預警，避免造成礦山企業(yè)生命和財產(chǎn)損失[5]。

STL-12型聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)是國內(nèi)較為先進的巖石聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)可對某一區(qū)域巖體實施全天24 h連續(xù)監(jiān)測[6]。對監(jiān)測到的微震信號的產(chǎn)生機理進行處理、分析，可準確預測巖體的破壞范圍、破壞強度、生源位置等，及時掌握空區(qū)巖體地壓發(fā)展的動態(tài)規(guī)律，從而預報巖體塌陷、冒頂?shù)绕茐默F(xiàn)象[7]。

2 監(jiān)測區(qū)域穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

礦山經(jīng)過十幾年開采，留下大量采空區(qū)，空區(qū)分布范圍廣，很難做到全方位監(jiān)測[8]。為了充分發(fā)揮微震監(jiān)測系統(tǒng)的預警作用，根據(jù)STL-12型聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)特點，將有限的傳感器應用于穩(wěn)定性差、危險性大的采空區(qū)[9]。借助于有限元軟件建立礦山三維開采模型，對采空區(qū)的穩(wěn)定情況進行數(shù)值分析，確定地壓活動敏感區(qū)域[10]。

根據(jù)東河灣礦區(qū)空區(qū)分布情況，考慮邊界效應，最終確定模型長和寬均為1 500 m，高800 m，劃分為40 907個節(jié)點，354 531個單元。三維模型見圖2，模擬結果見圖3～圖5(以水平方向應力云圖為例)。

圖2 東河灣礦區(qū)模型網(wǎng)格Fig.2 Model Grid of Donghewan Mine

圖3 -20 m水平方向應力云圖Fig.3 Horizontal stress contours of -20 m level

圖4 -85 m水平方向應力云圖Fig.4 Horizontal stress contours of -85 m level

圖5 -130 m水平方向應力云圖Fig.5 Horizontal stress contours of -130 m level

根據(jù)對-20、-85和-130 m 水平3個開采中段模擬計算結果可知，-20 m水平應力分布值相對較小，應力集中區(qū)分布較少，這主要是因為首采中段，空區(qū)數(shù)量相對較少，且空區(qū)相對孤立，說明空區(qū)對本水平圍巖影響較小。而-85 m水平和-130 m水平應力值較大，應力集中區(qū)明顯增多，這主要是因為-85和-130 m中段是該礦開采的主要中段，空區(qū)規(guī)模大、數(shù)量多，分布較為集中，在空間上形成上下中段應力疊加效應，應力集中程度大，容易塌陷冒落形成空區(qū)地壓災害，故-85 m水平和-130 m水平屬地壓活動的敏感區(qū)域，且-130 m水平設有生產(chǎn)采場、泵房、提升硐室，運行著運輸設備，行人較為頻繁，一旦空區(qū)塌陷冒落，會對生產(chǎn)區(qū)及運輸巷道、硐室等造成嚴重的空區(qū)地壓災害，故本中段空區(qū)頂?shù)装逅綄儆诒O(jiān)測的敏感區(qū)域，是重點監(jiān)測的對象。

3 建立在線生發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)

根據(jù)有限元法模擬的敏感區(qū)域分析，同時結合礦山已有水平巷道工程，根據(jù)監(jiān)測點布置接近敏感區(qū)域和施工方便的原則，經(jīng)過充分考查和應用現(xiàn)場調(diào)研，監(jiān)測系統(tǒng)采用了國內(nèi)比較先進的STL-12多通道聲發(fā)射自動監(jiān)測系統(tǒng)。監(jiān)測系統(tǒng)構成如圖6所示。該系統(tǒng)共計布置了12個傳感器，分別布置在-85m水平和-130 m水平采空區(qū)附近，其中-85 m水平布置1號～6號傳感器，-130 m水平布置7號～12號傳感器，每個傳感器監(jiān)測范圍為直徑60～80 m，監(jiān)測布置見圖7。井下數(shù)據(jù)采集站布置在-130 m水平，負責所有傳感器的數(shù)據(jù)采集，傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)光纜傳送至地面的監(jiān)控站。

圖6 12通道聲發(fā)射自動監(jiān)測系統(tǒng)構成Fig.6 Structure of 12-channel acoustic emission

現(xiàn)場監(jiān)測可收集到典型的單通道和多通道聲發(fā)射波形圖(從略)，用于地壓監(jiān)測的預報分析。

4 預報預警制度的建立

東河灣鐵礦自2011年8月建立了聲發(fā)射在線監(jiān)測系統(tǒng)，對空區(qū)地壓活動進行了全天候監(jiān)測，并從現(xiàn)場取樣進行了室內(nèi)巖石破壞過程的聲發(fā)射實驗，建立了東河灣鐵礦巖石破壞過程聲發(fā)射波形特征數(shù)據(jù)庫，總結了該礦的巖石破壞過程的聲發(fā)射參數(shù)信息特征，并建立了完善預警制度。

圖7 監(jiān)測點布置三維圖Fig.7 3D Drawing of monitoring points distribution

地壓監(jiān)測人員若發(fā)現(xiàn)以下地壓活動時，應立即向主管領導和有關部門匯報，以便及時采取措施。

(1)當監(jiān)測到“巖音”事件率平均達到3次/min，局部時段達到5次/min以上，周邊巷道存在明顯的新開或舊裂隙擴展，或發(fā)現(xiàn)空區(qū)頂板大、小能量事件率平均達到2次/min，局部時段聲發(fā)射總數(shù)達到5次/min以上，大能量聲發(fā)射事件率連續(xù)5 min達到5次/min(即25次/5 min)以上，應提出該區(qū)域安全警戒。

(2)若發(fā)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)前3 d平均事件率有明顯的上升趨勢，測點周邊無爆破作業(yè)，儀器系統(tǒng)監(jiān)測到多測點事件多為聲發(fā)射大能量事件，各測點同時監(jiān)測到的聲發(fā)射事件很多，局部時段聲發(fā)射大能量事件率連續(xù)5 min平均達到5次/min(即25次/5 min)以上，可確認為地壓活動異常，應立即作以下匯報處理:①單測點異常，聲發(fā)射事件多為小能量事件，相鄰測點無異常時，向調(diào)度室和安全部門匯報；②多測點異常，聲發(fā)射事件多為小能量事件，各測點同時觸發(fā)的事件很少時，立即向主管領導、安全部門和調(diào)度室匯報；③多測點異常，局部時段事件率連續(xù)10 min平均達到2.5次/min(即25次/10 min)，聲發(fā)射事件多為大能量事件，各測點同時觸發(fā)的事件很多，立即向礦長、主管領導、安全部門和調(diào)度室匯報，并估計活動范圍和進行現(xiàn)場撤離。

5 結 論

(1)根據(jù)東河灣鐵礦空區(qū)賦存特點，利用大型三維有限元軟件建立礦山開采模型，對采空區(qū)的穩(wěn)定情況進行數(shù)值分析，確定地壓活動敏感區(qū)域，為有效監(jiān)測空區(qū)地壓活動提供了技術支持。

(2)在數(shù)值模擬空區(qū)地壓敏感性分區(qū)的基礎上，利用國內(nèi)先進的STL-12 型聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)，為東河灣鐵礦建立了完善的空區(qū)地壓監(jiān)測系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)可實現(xiàn)東河灣鐵礦空區(qū)地壓活動的全天候監(jiān)測，及時掌握空區(qū)圍巖地壓活動狀態(tài)。

(3)在室內(nèi)聲發(fā)射試驗的基礎上，結合現(xiàn)場聲發(fā)射監(jiān)測信息特征建立了東河灣鐵礦的波形數(shù)據(jù)庫，總結了巖石破壞過程的聲發(fā)射參數(shù)信息特征，確定了空區(qū)塌陷征兆及塌陷前巖石聲發(fā)射信號特征，并建立了完善的預報預警制度，為東河灣鐵礦空區(qū)塌陷事故的預防提供了科學指導。

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(責任編輯 徐志宏)

Application of Acoustic Emission Monitoring Techniques in Geostress Hazard Prediction of Mined-out Areas

Li Shibo Li Zhanjin Zhang Yang Lu Hongjian

(CollegeofMiningEngineering，HebeiUnitedUniversity，Tangshan063009，China)

After many years exploration in Donghewan Iron Mine，complex mining status appears，such as lots of mined-out areas，long remained time，and big security risk. In order to make early-warning before the geo-stress disasters occur in the mined-out area to take necessary security measures and to prevent major disasters，the early warning and forecasting system was established. Based on the rock mechanics test and the finite element stability analysis on mined-out area，the regions that are prone to generate major disasters are analyzed and the necessary monitoring scope is determined. With the selection of the advanced STL-12-type acoustic emission monitoring system，a complete acoustic emission on-line real-time monitoring system for hazardous areas is built. According to the indoor acoustic emission testing and on-site vibration waveform measurement，the rock acoustic emission database and other vibration waveform database are established，and the acoustic emission characteristics during the destruction process of rocks are summarized. By waveform analysis，the variety rule of acoustic emission information at geostress activities of mined-out area is grasped，and a comprehensive early warning and forecasting system is made. The 2-year practice showed that the system could provide technical support for pre-warning of mined-out subsidence in Donghewan Iron Mine.

Acoustic emission，Mined-out area，Geostress hazard，Prediction

2013-12-11

國家自然科學基金項目(編號：51174071),河北省自然科學基金項目(編號：E2014209093)。

李示波(1969—)，男，副教授，博士。

TD77+1

A

1001-1250(2014)-03-152-04