南溫河鎢礦采空區(qū)穩(wěn)定性地壓監(jiān)測(cè)方案

程祝祥，尹彥波

(1.文山麻栗坡紫金鎢業(yè)集團(tuán)公司， 云南 文山州 663600； 2.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083； 3.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410012)

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南溫河鎢礦采空區(qū)穩(wěn)定性地壓監(jiān)測(cè)方案

程祝祥1，尹彥波2,3

(1.文山麻栗坡紫金鎢業(yè)集團(tuán)公司， 云南 文山州 663600； 2.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083； 3.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410012)

詳細(xì)論述了南溫河礦區(qū)采空區(qū)現(xiàn)狀及其地壓顯現(xiàn)特征，研究并提出了建立該礦地壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的必要性，選擇了適合南溫河鎢礦的地壓監(jiān)測(cè)方法及地壓監(jiān)測(cè)設(shè)備，對(duì)該礦區(qū)進(jìn)行了地壓監(jiān)測(cè)網(wǎng)的設(shè)計(jì)，建立起了全天候的實(shí)時(shí)地壓監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)南溫河礦區(qū)地壓災(zāi)害進(jìn)行安全監(jiān)控。

采空區(qū)；地壓活動(dòng)；地壓監(jiān)測(cè)；安全監(jiān)控

0 引 言

云南文山南溫河鎢礦是文山麻栗坡紫金鎢業(yè)集團(tuán)有限公司的重點(diǎn)礦山企業(yè)之一，分成了南秧田、茅坪等開采礦段，目前主要是回采南秧田東和西部的礦體。南溫河鎢礦礦區(qū)巖石節(jié)理、裂隙均不發(fā)育，穩(wěn)固性良好，礦區(qū)的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件較為簡(jiǎn)單。

目前，南溫河鎢礦井下開采存在以下問題：井下老采空區(qū)較多，隨著開采的不斷進(jìn)行，井下采空區(qū)暴露面積越來越大，安全隱患較大，部分礦柱都已經(jīng)發(fā)生破裂；井下開采留下的采空區(qū)未及時(shí)封閉；礦山井下經(jīng)過多年的民采、盜采，加上礦柱留設(shè)不規(guī)則，回采順序比較混亂，很不利于礦山管理和安全生產(chǎn)；南溫河鎢礦地下開采從未建立過地壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；南溫河鎢礦所留礦柱的幾何尺寸參數(shù)都是憑借經(jīng)驗(yàn)選取，未經(jīng)過礦柱的穩(wěn)定性安全論證[1]。

目前，南溫河鎢礦開采面臨著一系列的地壓控制問題，且迫切需要解決地壓災(zāi)害難題。因此，考慮在南溫河鎢礦建立適合該礦特點(diǎn)的地壓監(jiān)測(cè)網(wǎng)，建立長(zhǎng)期、有效的地壓監(jiān)測(cè)管理制度，通過實(shí)時(shí)地壓監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)南溫河鎢礦的地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警，以指導(dǎo)礦山安全生產(chǎn)。

1 南溫河鎢礦采礦區(qū)現(xiàn)狀及地壓活動(dòng)現(xiàn)象

南溫河鎢礦礦體為緩傾斜薄礦體，采用房柱法開采。采區(qū)內(nèi)每80 m×80 m劃分一個(gè)采場(chǎng)，采場(chǎng)內(nèi)按8～12 m跨度留設(shè)4 m×4 m或Φ4 m的礦柱。從現(xiàn)場(chǎng)情況來看，該采場(chǎng)參數(shù)基本可滿足頂板穩(wěn)定性要求。但該礦段2-6勘探線之間部分礦柱有片幫、開裂等地壓顯現(xiàn)現(xiàn)象，這一情況說明：在此區(qū)域地壓作用明顯，這會(huì)影響到今后采區(qū)的安全開采[1]。

目前井下已形成的采空區(qū)面積達(dá)77×104m2，采空區(qū)的體積約200×104m3，且今后礦山開采將以約30×104m3/a的速度增加。

因南溫河鎢礦采空區(qū)體積較大，將不可避免地涉及采空區(qū)的安全穩(wěn)定性及頂板控制難題。為消除或減少采空區(qū)對(duì)礦山安全開采的危害，有必要對(duì)南溫河鎢礦井下存在的采空區(qū)進(jìn)行詳細(xì)地調(diào)查，并對(duì)南溫河鎢礦采空區(qū)的穩(wěn)定性與安全開采技術(shù)條件進(jìn)行論證及分析研究，確定已有采空區(qū)礦柱的穩(wěn)定性狀況，從而為劃定采空區(qū)的危險(xiǎn)程度范圍，為礦山采空區(qū)處理及采空區(qū)的地壓監(jiān)測(cè)提供依據(jù)，最終為礦山安全、有序地生產(chǎn)提供技術(shù)支撐。

2 南溫河鎢礦地壓監(jiān)測(cè)重點(diǎn)區(qū)域

前期通過對(duì)南溫河鎢礦的開采現(xiàn)狀、地壓顯現(xiàn)特征等進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查，以及對(duì)南溫河鎢礦礦巖體室內(nèi)試驗(yàn)和采空區(qū)留存礦柱穩(wěn)定性計(jì)算分析等研究，對(duì)每個(gè)留存礦柱的安全系數(shù)進(jìn)行核實(shí)計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，初步確定該礦山地壓活動(dòng)危險(xiǎn)區(qū)域，綜合考慮礦山開采實(shí)際情況后，確定了南溫河鎢礦的地壓監(jiān)測(cè)區(qū)域。其中，地壓監(jiān)測(cè)重點(diǎn)區(qū)域?yàn)椋?號(hào)沿脈4線東、4線主運(yùn)輸巷東、1-5線10號(hào)沿脈南北、3線8號(hào)沿脈北；一般監(jiān)測(cè)區(qū)域?yàn)椋?線8號(hào)沿脈南北和老鎢業(yè)采空區(qū)。地壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在上述區(qū)域的采場(chǎng)或采空區(qū)范圍內(nèi)的點(diǎn)柱中以及采空區(qū)頂?shù)装逯g[1]。

3 采空區(qū)穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

3.1 南溫河鎢礦地壓監(jiān)測(cè)方法及方案選擇

硬巖金屬礦山中的地壓監(jiān)測(cè)普遍采用多通道聲發(fā)射/微震監(jiān)測(cè)(AE/MS)、應(yīng)力監(jiān)測(cè)和位移監(jiān)測(cè)等方法，南溫河鎢礦巖石強(qiáng)度超過90 MPa，巖體強(qiáng)度高，屬硬巖礦山。針對(duì)該礦區(qū)的實(shí)際情況，擬采用聲發(fā)射監(jiān)測(cè)為主，結(jié)合應(yīng)力監(jiān)測(cè)和位移監(jiān)測(cè)等監(jiān)測(cè)手段，建立起全方位、多層次的地壓監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，采用光纖從地下監(jiān)控硐室連接到地表監(jiān)測(cè)辦公室，建立地表聯(lián)網(wǎng)的地壓監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)南溫河鎢礦井下各種地壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與地面監(jiān)控室數(shù)據(jù)同步[2-4]。

通過了解多通道聲發(fā)射監(jiān)測(cè)、微震監(jiān)測(cè)、單通道聲發(fā)射監(jiān)測(cè)以及應(yīng)力監(jiān)測(cè)和位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本原理及其應(yīng)用情況，確定南溫河鎢礦的地壓監(jiān)測(cè)方案從以下3種監(jiān)測(cè)方案中進(jìn)行選擇。

(1) 方案1：微震監(jiān)測(cè)+應(yīng)力監(jiān)測(cè)+位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

(2) 方案2：多通道聲發(fā)射監(jiān)測(cè)+應(yīng)力監(jiān)測(cè)+位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

(3) 方案3：多通道聲發(fā)射監(jiān)測(cè)+單通道聲發(fā)射監(jiān)測(cè)+應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)+位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

方案1的優(yōu)點(diǎn)是：微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信息化、集成化和智能化程度較高，系統(tǒng)的操作界面美觀；微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的缺點(diǎn)是價(jià)格高，維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用高，且系統(tǒng)及軟件為全英文，使得技術(shù)人員入門的門檻高，操作不便等；方案2的優(yōu)點(diǎn)是：比較方案1，多通道聲發(fā)射系統(tǒng)的價(jià)格便宜，該系統(tǒng)安裝后的服務(wù)更為方便，且該系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)的基本功能上也能達(dá)到地壓監(jiān)測(cè)所需的要求，缺點(diǎn)是多通道聲發(fā)射系統(tǒng)的操作界面美觀程度不如方案1的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的操作界面；方案3的優(yōu)點(diǎn)是：對(duì)比方案1，多通道聲發(fā)射系統(tǒng)價(jià)格便宜，服務(wù)更為方便，也能達(dá)到地壓監(jiān)測(cè)所需要的要求，包括單通道聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，因此，具有地壓監(jiān)測(cè)的覆蓋面廣特點(diǎn)，單通道和多通道相互補(bǔ)充，完善了南溫河礦區(qū)地壓監(jiān)測(cè)網(wǎng)，缺點(diǎn)是多通道聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)操作界面美觀程度不如方案1的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)操作界面。

通過對(duì)上述3套地壓監(jiān)測(cè)方案的可靠性和經(jīng)濟(jì)技術(shù)等指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)比較和分析，考慮選取目前國(guó)產(chǎn)化應(yīng)用成熟的技術(shù)設(shè)備，包括：聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(單通道聲發(fā)射監(jiān)測(cè)、多通道聲發(fā)射監(jiān)測(cè))、巖體應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、巖體位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等綜合的地壓監(jiān)測(cè)手段，為礦山建立起完善的地壓監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。因此，最終確定南溫河鎢礦的地壓監(jiān)測(cè)方案為上述方案中的方案3[1]，即多通道聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)+單通道聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)+應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)+位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

3.2 南溫河鎢礦地壓監(jiān)測(cè)設(shè)備選型

根據(jù)儀器在礦山實(shí)際中的使用情況和應(yīng)用效果等，經(jīng)綜合比較，確定采用以下型號(hào)的地壓監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備[4]：

(1) 長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司生產(chǎn)的DYF-2型單通道聲發(fā)射儀；

(2) 長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司生產(chǎn)的STL-12型多通道聲發(fā)射定位系統(tǒng)，或長(zhǎng)沙吉華礦業(yè)技術(shù)有限公司生產(chǎn)的AEM巖體聲發(fā)射監(jiān)測(cè)定位系統(tǒng)；

(3) 山東科大洛賽爾傳感器有線責(zé)任公司生產(chǎn)的ZLGH-20型鉆孔應(yīng)力計(jì)及檢測(cè)儀器；

(4) 山東科大洛賽爾傳感器有線責(zé)任公司生產(chǎn)的WYGH-Ⅱ型位移監(jiān)測(cè)儀。

3.3 南溫河鎢礦地壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)

3.3.1 多通道聲發(fā)射監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)

南溫河鎢礦多通道聲發(fā)射監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在7號(hào)沿脈4線東、4線主運(yùn)輸巷東、1-5線10號(hào)沿脈南北、3線8號(hào)沿脈北的采場(chǎng)和采空區(qū)的點(diǎn)柱中，B區(qū)雖準(zhǔn)備封閉，為了準(zhǔn)確了解封閉區(qū)內(nèi)礦柱及圍巖體的變化狀況[3]，特在此區(qū)域布置了3個(gè)多通道監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

3.3.2 單通道聲發(fā)射監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)

南溫河鎢礦單通道聲發(fā)射監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)在采場(chǎng)和采空區(qū)點(diǎn)柱中，結(jié)合多通道聲發(fā)射監(jiān)測(cè)點(diǎn)、應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)共同監(jiān)測(cè)南溫河礦區(qū)圍巖、礦柱的穩(wěn)定性。在地壓活動(dòng)區(qū)域的點(diǎn)柱中布置單通道聲發(fā)射監(jiān)測(cè)點(diǎn)，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，按照設(shè)計(jì)原則適當(dāng)增加單通道聲發(fā)射監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)目。

3.3.3 應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)

南溫河鎢礦應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)主要設(shè)計(jì)在7號(hào)沿脈4線東、4線主運(yùn)輸巷東、1-5線10號(hào)沿脈南北、3線8號(hào)沿脈北；一般監(jiān)測(cè)區(qū)域?yàn)椋?線8號(hào)沿脈南北和老鎢業(yè)采空區(qū)的采場(chǎng)或采空區(qū)點(diǎn)柱中，主要是監(jiān)測(cè)回采過程中應(yīng)力轉(zhuǎn)移情況，即應(yīng)力轉(zhuǎn)移距離，監(jiān)測(cè)點(diǎn)柱中承受壓力變化大小，同時(shí)與其它監(jiān)測(cè)方法一起共同監(jiān)測(cè)南溫河鎢礦采空區(qū)周邊礦巖體的受力狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并分析其穩(wěn)定性。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文總結(jié)了南溫河鎢礦礦區(qū)采空區(qū)的基本特點(diǎn)，分析了該礦的地壓顯現(xiàn)特征及其地壓活動(dòng)規(guī)律，研究并提出了適合南溫河鎢礦特點(diǎn)的地壓監(jiān)測(cè)方法，并確定了該礦的地壓監(jiān)測(cè)重點(diǎn)區(qū)域和一般區(qū)域。從監(jiān)測(cè)儀器價(jià)格、使用功能和售后服務(wù)等方面綜合考慮并詳細(xì)比對(duì)，優(yōu)選了適合南溫河鎢礦的地壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，即：多通道聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)+單通道聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)+巖體應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)+位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)系統(tǒng)，并對(duì)南溫河鎢礦礦區(qū)的地壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了南溫河鎢礦地壓監(jiān)測(cè)網(wǎng)。地壓監(jiān)測(cè)網(wǎng)的建立對(duì)南溫河鎢礦可實(shí)現(xiàn)全天候的地壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而可有效地指導(dǎo)礦山的安全生產(chǎn)。

[1]長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司.南溫河鎢礦采空區(qū)地壓監(jiān)控預(yù)警技術(shù)研究[R].長(zhǎng)沙:長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司,2014.

[2]陶雪芬,李愛兵,章 光,等.西北某礦采空區(qū)穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代礦業(yè).2010(1)：80-82.

[3]劉國(guó)清.基于聲發(fā)射的巖體工程災(zāi)害微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].采礦技術(shù),2005,5(1)：30-31.

[4]尹彥波.巖石失穩(wěn)與地壓災(zāi)害的非線性動(dòng)力學(xué)分析研究[D].長(zhǎng)沙:長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司,2006.(收稿日期：2015-11-23)

程祝祥(1971-)，男，安徽懷寧縣人，采礦工程師，主要從事采礦方法及工藝研究，Email:yueguang1495@sina.com。