礦山地壓在線監(jiān)測系統(tǒng)在某鐵礦中的應(yīng)用

袁子清，彭 威，史曉鵬，袁本勝，馬玉濤

（1．北京礦冶研究總院，北京100160；2．安徽金日盛礦業(yè)有限責(zé)任公司，安徽 六安237474）

礦山地壓活動是井下開采過程中的一種常見礦巖失穩(wěn)破壞現(xiàn)象，其對井下人員、設(shè)備安全造成重大威脅，因此，建立長期有效的礦山地壓監(jiān)測系統(tǒng)，探索地壓活動規(guī)律以及進(jìn)行遠(yuǎn)、近期地壓災(zāi)害預(yù)警是井下安全管理的一個重要任務(wù)。國內(nèi)外有許多學(xué)者一直從事礦山地壓監(jiān)測方面的技術(shù)研究［1－7］，并在某些礦山取得了成功的應(yīng)用［8］，但總體上來說，在系統(tǒng)的時效性以及近期預(yù)警方面仍存在很大不足。本文針對傳統(tǒng)人工地壓監(jiān)測的滯后性與精度低等問題，在國內(nèi)某大型鐵礦山建立了一套先進(jìn)的礦山地壓在線監(jiān)測系統(tǒng)，大大提高了地壓災(zāi)害監(jiān)測的時效性，同時，結(jié)合礦山實(shí)際開采條件，對數(shù)據(jù)進(jìn)行深入發(fā)掘與分析，得出開采活動對地壓活動的影響規(guī)律，為指導(dǎo)礦山安全開采、采場爆破參數(shù)優(yōu)化提供了重要參考，有力保證了井下的安全高效開采。

1 地壓在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了克服傳統(tǒng)人工地壓監(jiān)測方式存在的監(jiān)測數(shù)據(jù)不連續(xù)、時效性較差等問題，本文根據(jù)某鐵礦山要求，針對試驗(yàn)采場建立一套先進(jìn)的地壓在線監(jiān)測系統(tǒng)。該監(jiān)測系統(tǒng)采用分級架構(gòu)，包括傳感器網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集基站以及監(jiān)測管理中心。其中，傳感器網(wǎng)絡(luò)布置在井下地壓活動區(qū)域內(nèi)；現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集基站放置于井下硐室，用于在線獲取監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)；監(jiān)測管理中心放在礦區(qū)調(diào)度室。其他各部門可通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)入監(jiān)測系統(tǒng)，可以對地壓監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時查看、分析，經(jīng)授權(quán)后，可以對監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行控制（圖1）。

圖1 某鐵礦山地壓在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig．1 The structure chart of online monitoring system for ground pressure in an iron ore mine

圖2 系統(tǒng)調(diào)試完畢后的典型數(shù)據(jù)波動圖Fig．2 The chart of typical data fluctuation after debugging system

系統(tǒng)調(diào)試完畢后，對所有數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性進(jìn)行分析，從圖2中各個硐室代表測點(diǎn)的數(shù)據(jù)可以看出：各監(jiān)測點(diǎn)在經(jīng)過調(diào)試完畢后便開始趨于穩(wěn)定，從數(shù)據(jù)的波動幅度來看，完全在系統(tǒng)的正常誤差范圍內(nèi)波動，表明監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，地壓監(jiān)測系統(tǒng)開始正式投入使用。地壓在線監(jiān)測系統(tǒng)的投入運(yùn)行，大大提高了技術(shù)人員的工作效率，降低了以往人工監(jiān)測的勞動強(qiáng)度，提高了企業(yè)的信息化水平，將為井下安全作業(yè)以及安全預(yù)警發(fā)揮重大作用。

2 開采活動對地壓活動的影響規(guī)律研究

在進(jìn)行數(shù)據(jù)深入分析之前，必須要了解系統(tǒng)測點(diǎn)的布置與開采順序等實(shí)際情況（圖2），其中，1#硐室位于礦體上盤，2#、3#硐室位于礦體下盤。由于1#硐室設(shè)備被損壞，這里僅對下盤圍巖的2#、3#硐室內(nèi)的設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際作業(yè)情況，從以下2#、3#硐室的所有測點(diǎn)的數(shù)據(jù)可以看出（以下各圖中縱坐標(biāo)中的位移量為累積位移量；位移變化量為前后兩時刻所測位移的變化量）：

圖3 監(jiān)測采場作業(yè)現(xiàn)狀與測點(diǎn)布置對照圖Fig．3 The contrast diagram between mining status and monitoring point arrangement

1）每個孔中兩個傳感器所監(jiān)測的數(shù)值的發(fā)展趨勢幾乎完全一致，即隨著爆破作業(yè)的往前推進(jìn)（距離監(jiān)測點(diǎn)越來越近），爆破震動對周邊圍巖的松動影響越來越大，使得該區(qū)域內(nèi)儀器所測得的巖體變形量越來越大，并通過直線擬合，累積位移量發(fā)展趨勢具有很高的線性度，但隨著采空區(qū)充填工作的跟進(jìn)（2013年1月6日開始充填），圍巖的變形速度也逐漸得到控制，從而使得其圍巖變化量呈逐漸減小穩(wěn)定趨勢。從圖4～7可以看出，累積位移及位移變化量從充填后的2～3d開始趨于穩(wěn)定，這說明充填工作對控制地壓活動有著快速而顯著的效果。因此，在實(shí)際生產(chǎn)活動中，應(yīng)協(xié)調(diào)好采掘、充填工序，及時處理形成的空區(qū)，從而減少與降低垮落等地壓事件的發(fā)生。

2）從每個孔中兩傳感器的數(shù)據(jù)可以看出，孔底位置的傳感器所測的位移量較大，同時，再結(jié)合傳感器所安裝的深度（圖9），可以說明爆破作業(yè)對周邊巖體產(chǎn)生松動影響的深度可達(dá)6m，為日后優(yōu)化爆破鉆孔布置以及爆破參數(shù)設(shè)置提供參考。

3）此外，從圖5中的10#測點(diǎn)以及圖8中的15#測點(diǎn)的累積位移量來看，其位移增至最大值后突然下降，然后逐漸趨于穩(wěn)定不變狀態(tài)。數(shù)據(jù)表明該兩測點(diǎn)由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)為壓應(yīng)力，說明該監(jiān)測范圍的圍巖可能發(fā)生破壞，同時導(dǎo)致設(shè)備失效。而據(jù)現(xiàn)場反饋，15#測點(diǎn)所在的底板圍巖的確發(fā)生了小范圍的片幫（圖3、圖10），從這一點(diǎn)可以得出：監(jiān)測系統(tǒng)大體上能真實(shí)地反映現(xiàn)場地壓活動，說明監(jiān)測系統(tǒng)是準(zhǔn)確有效的，應(yīng)加強(qiáng)日常的數(shù)據(jù)分析工作。

3 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一套先進(jìn)的礦山地壓在線監(jiān)測系統(tǒng)，并在某鐵礦取得了成功的應(yīng)用，為礦山井下安全開采提供了重要參考，具體包括：

1）該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，降低了以往人工監(jiān)測的勞動強(qiáng)度，提高了技術(shù)人員的工作效率與企業(yè)的信息化水平。

圖4 2#硐室7#～8#測點(diǎn)累積位移量與變化量過程線及其趨勢分析圖Fig．4 The process diagram of cumulative displacement and variation of station points 7# ～8#in chamber 2and their tendency analysis

圖5 2#硐室9#～10#測點(diǎn)累積位移量與變化量過程線及其趨勢分析圖Fig．5 The process diagram of cumulative displacement and variation of station points 9# ～10#in chamber 2and their tendency analysis

圖6 3#硐室11#～12#測點(diǎn)累積位移量與變化量過程線及其趨勢分析圖Fig．6 The process diagram of cumulative displacement and variation of station points 11# ～12#in chamber 3and their tendency analysis

圖7 3#硐室13#～14#測點(diǎn)累積位移量與變化量過程線及其趨勢分析圖Fig．7 The process diagram of cumulative displacement and variation of station points 13# ～14#in chamber 3and their tendency analysis

圖8 3#硐室15#～16#測點(diǎn)累積位移量與變化量過程線及其趨勢分析圖Fig．8 The process diagram of cumulative displacement and variation of station points 15# ～16#in chamber 3and their tendency analysis

圖9 傳感器與爆破邊界的位置關(guān)系圖Fig．9 The position relation chart between sensors and blasting boundary

圖10 下盤出礦巷道頂板圍巖垮落圖Fig．10 The roof surrounding rock caving in ore removal laneway of foot wall

2）隨著爆破作業(yè)的往前推進(jìn)（距離監(jiān)測點(diǎn)越來越近），爆破震動對周邊圍巖的松動影響越來越大，使得該區(qū)域內(nèi)儀器所測得的巖體變形量越來越大；同時，監(jiān)測數(shù)據(jù)反映出累積位移及位移變化量從充填后的2～3d開始趨于穩(wěn)定，這說明充填工作對控制地壓活動有快速而顯著的效果，因此，在實(shí)際生產(chǎn)活動中，應(yīng)協(xié)調(diào)好采掘、充填工序，及時處理形成的空區(qū)，從而減少與降低垮落等地壓事件的發(fā)生。

3）測孔深處巖體的位移量較淺處巖體的位移量大，爆破作業(yè)對周邊巖體產(chǎn)生松動影響的深度可達(dá)6m，為優(yōu)化爆破鉆孔布置以及爆破參數(shù)設(shè)置提供參考。

4）數(shù)據(jù)分析結(jié)論與現(xiàn)場實(shí)際情況揭示監(jiān)測系統(tǒng)能大體上真實(shí)反映井下地壓活動，說明監(jiān)測系統(tǒng)是準(zhǔn)確可靠的，應(yīng)加強(qiáng)日常的數(shù)據(jù)分析工作。

［1］ 袁節(jié)平 ．柿竹園礦的采礦地壓及其防治［J］．礦業(yè)研究與開發(fā)，1997，17（4）：26－29．

［2］ 袁節(jié)平，胡靜云，周愛民，等 ．柿竹園多通道微震監(jiān)測系統(tǒng)的建立及其應(yīng)用［J］．礦業(yè)研究與開發(fā)，2010，30（6）：12－14．

［3］ 陳際經(jīng)，胡靜云，李庶林 ．柿竹園礦地下特大爆破的微震監(jiān)測技術(shù)研究［J］．礦業(yè)研究與開發(fā)，2011，31（2）：59－62．

［4］ 胡靜云，李庶林，林 峰，等 ．基于微震監(jiān)測的大爆破后誘發(fā)余震特性研究［J］．采礦技術(shù)，2011，11（6）：100－104．

［5］ 郭遠(yuǎn)發(fā)，劉宏發(fā)，袁節(jié)平，等 ．基于微震監(jiān)測的大范圍破裂礦柱穩(wěn)定性評價［J］．采礦技術(shù)，2011，11（6）：41－45．

［6］ 尹賢剛，李庶林，黃沛生，等 ．微震監(jiān)測系統(tǒng)在礦山安全管理中的應(yīng)用研究［J］．礦業(yè)研究與開發(fā)，2006，26（1）：65－68．

［7］ 史曉鵬，袁子清，馬玉濤，等 ．多通道遠(yuǎn)程實(shí)時地壓監(jiān)測系統(tǒng)在地下開采中的應(yīng)用［J］．有色金屬（礦山部分），65（1）：37－39．

［8］ 劉宏發(fā)，胡靜云，李庶林，等 ．微震監(jiān)測技術(shù)在柿竹園礦地壓監(jiān)測中的成功預(yù)警案例［J］．采礦技術(shù)，2012，12（5）：43－44．