基于RG 井下電視系統(tǒng)的空區(qū)冒落監(jiān)測

何榮興 任鳳玉 曹建立 翟會超 宋德林

(東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽110819)

空場法大面積開采后，形成了不同深度和形態(tài)的采空區(qū)，采空區(qū)的存在往往給礦山生產埋下安全隱患，空區(qū)突然冒落形成的滾石、沖擊氣浪對井下的生產人員、設備具有致命威脅。監(jiān)測空區(qū)的冒落進程，對于制定合理的空區(qū)處理方案和防護措施具有重要意義。

排山樓金礦為大型同韌性剪切帶變生熱液型金礦床，礦體厚度較大、產狀較緩、分布集中。露天轉地下開采后，排山樓金礦利用露天坑存放干排尾沙，應用有底柱空場法開采露天境界外礦體。為增大生產能力，采取上、下雙工作面回采方式，即300 m 與225 m 兩個中段同時回采。到2008 年5 月，上部工作面采到+250 m 水平，下部工作面采至+200 m 水平，形成了規(guī)模較大的不連續(xù)的采空區(qū)，其中+275 m 水平之上形成的采空區(qū)總水平面積已達11 250 m2，體積約50 萬m3。頂板圍巖處于亞穩(wěn)定狀態(tài)，在該空區(qū)的正下方有40 多萬t 的低品位礦石急需回采，在空區(qū)的上方因露天坑需用作尾礦庫堆存含毒尾沙而不允許塌透地表［1-2］。在這種情況下，確?？諈^(qū)在治理過程中的安全，實現礦體資源合理回收，合理地監(jiān)測空區(qū)冒落進程顯得尤為重要。

1 空區(qū)監(jiān)測

空區(qū)頂板即為礦體上盤，巖體結構密閉、巖石硬度中等偏上，此類巖體發(fā)生破壞，將有聲響和明顯的位移，并且出露明顯的斷裂線。為此，通過監(jiān)測上盤頂板圍巖的變形或位移、或是觀察斷裂線的發(fā)育狀況，都可掌握上盤圍巖的地壓活動狀態(tài)與失穩(wěn)后的冒落形式［3-4］。

1.1 監(jiān)測設備及監(jiān)測方案

空區(qū)頂板鉆孔監(jiān)測采用的是英國RG 公司生產的RG 井下電視系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括4 個部分，分別為地表采集系統(tǒng)、軟件、絞盤和電纜、探頭。RG 井下電視系統(tǒng)探測深度最大可達3 km(需配備相應絞盤)，系統(tǒng)配備的多種高精度探頭在現場即可實時進行地質鉆孔孔壁全方位360°高精度成像、裂隙自動追蹤等。本次監(jiān)測系統(tǒng)采用的是RG 光學探頭(OPTV)。

根據空區(qū)分布狀態(tài)和穩(wěn)定性分析結果，設計在露天坑北幫407 m 的臺階上，分別在Ⅷ線與Ⅹ線的位置鉆鑿了2 個直徑110 mm 的鉆孔(圖1 ～圖2)，利用RG 井下鉆孔電視系統(tǒng)對空區(qū)頂板巖層進行監(jiān)測，2個鉆孔監(jiān)測圖像部分截圖如圖3。

圖1 Ⅷ監(jiān)測鉆孔剖面位置Fig.1 Profile of the boring hole for observation Ⅷ

鉆孔監(jiān)測日期自2009 年6 月12 日開始，至2010年6 月28 日結束，共進行了11 次監(jiān)測。采用間斷式監(jiān)測方式，即每隔1 ～2 月時間用RG 井下電視系統(tǒng)對2 個鉆孔進行孔壁掃描，采集數據并與之前監(jiān)測的數據圖像進行對比分析，以此判定空區(qū)頂板是否發(fā)生裂隙擴張、變形及冒落。

1.2 監(jiān)測結果及分析

對Ⅷ線鉆孔和Ⅹ線鉆孔的監(jiān)測圖像通過軟件分析，可以得到鉆孔柱圖、孔壁展開圖及鉆孔傾角、裂隙傾向與傾角等幾項數據，如圖4 所示為部分鉆孔分析圖像。

根據2 鉆孔監(jiān)測圖像分析可知:

圖2 Ⅹ線監(jiān)測鉆孔剖面位置Fig.2 Profile of the boring hole for observation Ⅹ

圖3 RG 井下電視系統(tǒng)監(jiān)測的鉆孔圖像Fig.3 Monitoring images of boring hole with RG-micrologger

圖4 2.3 ～4.0 m 監(jiān)測圖像Fig.4 Monitoring images between 2.3 and 4.0 m

(1)Ⅷ線監(jiān)測孔。距地表19.3 m 范圍節(jié)理裂隙較發(fā)育，其下19.3 ～23.7 m，23.8 ～29.7 m，37.0 ～45.1 m 段穩(wěn)定性較好，可作為空區(qū)冒落的控制巖層。其他部位或含不穩(wěn)巖層，或是節(jié)理裂隙節(jié)發(fā)育。節(jié)理面傾角多為45° ～70°之間，局部最大裂隙寬度14 cm以上。

(2)Ⅹ線監(jiān)測孔。距地表19 m 范圍節(jié)理裂隙較發(fā)育，其下19 ～25.9 m，39.8 ～46.4 m，46.6 ～51.5 m，53.5 ～62.8 m 段穩(wěn)定性較好，可作為空區(qū)冒落的控制巖層。其他部位或含不穩(wěn)巖層，或是節(jié)理裂隙節(jié)發(fā)育。節(jié)理面傾角多為45° ～70°之間，局部最大裂隙厚度為20 cm 以上。

綜上，2 監(jiān)測孔巖壁裂隙圖像說明:巖體原生裂隙分布間距較大，節(jié)理面傾角多大于45°;孔口近地表位置較為破碎，與原露天開采工作環(huán)境、鑿巖爆破作用、地壓場分布狀態(tài)、監(jiān)測孔開鑿等因素有關;在空區(qū)頂板以上10 m 范圍內，巖體較完整，無較大裂紋產生;在監(jiān)測孔下部空區(qū)頂板10 m 以上的20 m 范圍內節(jié)理裂隙較發(fā)育、裂紋較多，巖體較破碎。

1.3 冒落線的推斷

從2009 年6 月12 日開始，科研組用RG 井下電視系統(tǒng)跟蹤監(jiān)測空區(qū)頂板的變化過程，直至2010 年1 月12 日監(jiān)測空區(qū)頂板未發(fā)生任何冒落現象。但在2010 年3 月16 日監(jiān)測時，發(fā)現Ⅹ線測孔冒落了13.3 m。此時接近孔底的監(jiān)測圖像如圖5 所示，Ⅹ線鉆孔截面大體上北高南低，斜面傾角約為28°。由于巖體里有一組結構面呈現出這一角度與方位，因此這一鉆孔截面可能是由冒落線形成的，也可能是由結構面形成的。為此根據鉆孔截面和空區(qū)形成的先后關系，給出了2 條推測冒落線(圖6)，其中的推測冒落線1 是按鉆孔的實測斜面傾角繪制的，而推測冒落線2 是按空區(qū)形成的先后關系繪制的。

圖5 Ⅹ線孔底部初次冒落監(jiān)測圖像Fig.5 The first caving of hole bottom of line Ⅹ

圖6 中的推測冒落線2 是有可能出現的對邊坡極不利的冒落情況，而且如果出現這一情況，空區(qū)有可能一次冒透地表。相反，如果空區(qū)頂板按冒落線1的形式冒落，需要經歷中間冒落過程才能冒透地表。為觀察與監(jiān)測冒落線形狀，打開空區(qū)邊緣廢棄封堵的350 m 平硐進行調查，發(fā)現350 m 平硐沒有冒落，所以本次冒落按照冒落線1 形狀冒落。

2010 年4 月1 日空區(qū)在大爆破后發(fā)生第2 次冒落，冒落后Ⅹ線測孔位置頂板為46.7 m 厚，Ⅷ線為56.4 m 厚。依據監(jiān)測圖像(見圖7)，計算得出，在剖面線方向上，Ⅹ線鉆孔端部的斜面傾角為1.1°，Ⅷ線鉆孔端部的斜面傾角為23.5°。

圖6 Ⅹ線初次冒落線推測圖Fig.6 The presumed graph of the first caving line of line Ⅹ

圖7 RG 井下電視監(jiān)測冒落界限Fig.7 Caving boundary of gob roof with RG downhole TV

同時，對空區(qū)邊緣350 m 平硐再次調查，發(fā)現350 m 平硐沒有冒落，長度未發(fā)生變化，且平硐圍巖節(jié)理裂隙沒有顯著變形。根據采空區(qū)邊緣+350 m平硐現狀，結合圖6 的推測結果分析得出，Ⅹ線鉆孔的冒落截面與采空區(qū)整體冒落面一致的可能性較大，即在Ⅹ線剖面上，最大可能的冒落線形狀應如圖8 所示。對于Ⅷ線鉆孔揭示的信息，根據空區(qū)形態(tài)和鉆孔截面傾角，同時參考圖8 的冒落線型，推測得出的Ⅷ線剖面上的冒落線形狀見圖9。

圖8 Ⅹ線空區(qū)冒落線推測圖Fig.8 The presumed graph of the caving line of line Ⅹin the gob

圖9 Ⅷ線空區(qū)頂板冒落線推測圖Fig.9 The presumed graph of goaf roof caving of line Ⅷ

Ⅹ線監(jiān)測孔處頂板巖體高度為78 m，從Ⅹ線2次冒落過程來看，第1 次冒落13.3 m，即在64.7 m厚度處，位于頂板第1 段穩(wěn)定巖層界線基本吻合，第2 次冒落至46.7 m 處，與第3 段穩(wěn)定巖層界線處，與初始監(jiān)測孔壁巖體完整性分析結果基本一致。2 次批量冒落后，使得空區(qū)頂板巖層厚度變小，僅為40 ～50 m，所剩的頂板巖體強度低且穩(wěn)定性條件差。此外，根據監(jiān)測鉆孔圖像數據，空區(qū)冒落線已經接近無裂隙破碎帶邊緣，再次冒落可能快速冒透地表。

2 RG 監(jiān)測系統(tǒng)在控制空區(qū)冒落上的應用

RG 井下電視監(jiān)測結果表明排山樓金礦采空區(qū)處于活動狀態(tài)，為確保近露天坑邊坡不變形、不裂縫、不塌陷，要盡早采取有效的空區(qū)處理措施，與此同時根據冒落線形狀提出如下技術措施限制采空區(qū)尺寸維持空區(qū)頂板的穩(wěn)固性。

(1)留設“L”型安全維穩(wěn)礦柱。沿礦脈走向留設10 m 寬的安全礦柱，隔斷上下中段(+275 m 水平與+225 m 水平)空區(qū)，防止其相互連通，限制空區(qū)在垂直礦脈走向上的跨度。另外，為提高原10 m 寬礦柱自身的穩(wěn)定性，適應活動空區(qū)可冒性特征，在VI 線附近留下10 ～12 m 寬礦柱，使之與原走向10 m 礦柱形成完整的“L”型支撐結構(見圖10)。由于VI 線礦柱位于空區(qū)正下方，局部支撐空區(qū)頂板。當活動空區(qū)再次冒落時，頂板冒落碎脹散體直接堆落于VI 線礦柱之上，形成軟硬巖柱支撐空區(qū)頂板，限制空區(qū)繼續(xù)冒落?？諈^(qū)充填后，可依靠充填散體被動高擠壓力作用，連同L 型礦柱有效支撐空區(qū)圍巖，維護活動空區(qū)穩(wěn)定性。

圖10 L 型礦柱及回采方向示意Fig.10 L-shaped pillar and the stoping direction chart

(2)協調礦石回采與廢石充填作業(yè)?？諈^(qū)之下礦石回采過程中，通過對漏斗出礦量的控制，使礦巖接觸面保持水平，減少礦石損失貧化。同時，采用大塊廢石充填空區(qū)，為礦石回采提供良好覆蓋層，且充填作業(yè)要隨井下礦石回采持續(xù)進行，穩(wěn)固空區(qū)圍巖。

(3)爆破參數控制。針對空區(qū)圍巖對爆破震動的不良反應，采用多分段起爆，同段起爆的炸藥量控制在1.5 t 以下，單排炮孔為一段。當單排炮孔炸藥量超出1.5 t 時，可根據排面炮孔形式進行排內分段，以減小一次起爆段的炸藥量。此外，在緊鄰走向礦柱的T4 －16 采場鑿巖巷道東側位置開切割槽，使爆破沖擊方向背離走向礦柱。

(4)規(guī)范回采?；诳諈^(qū)頂板冒落現狀，以由東向西、內向外的退采順序，先回采VI 線礦柱以東采場，以西采場從北向南回采(如圖10 所示)。同時，停止空區(qū)下盤側小礦體的回采工作，保證空區(qū)下盤基巖的完整性，減小對空區(qū)頂板的震動影響，待空區(qū)治理后再予以回采。

(5)調整尾礦排放方向。由于空區(qū)臨靠露天北幫，尾礦盡可能向南側或東南側方向排放以減小對露天坑北側邊坡巖體的附加壓力，從而保護井下空區(qū)圍巖的穩(wěn)定。同時，對露天邊坡鋪厚層黃土和掛防滲布，防止尾礦庫內積水滲入井下。

3 結 論

(1)通過空區(qū)頂板的鉆孔，利用RG 井下電視系統(tǒng)，監(jiān)測圍巖的變形或位移，或是觀察斷裂線的發(fā)育狀況，可推測地壓活動狀態(tài)與失穩(wěn)后的冒落形式。

(2)2 監(jiān)測孔巖壁裂隙圖像說明在監(jiān)測孔下部空區(qū)頂板10 m 以上的20 m 范圍內節(jié)理裂隙較發(fā)育，裂紋較多，巖體較破碎。其下部存在3 ～4 層穩(wěn)定巖層可作為冒落的控制層。

(3)根據冒落線形狀提出了留設“L”型安全維穩(wěn)礦柱、封堵、協調礦石回采和充填作業(yè)、控制爆破參數和調整排尾砂方向等維護頂板穩(wěn)固性的技術措施，可有效控制空區(qū)尺寸，延緩空區(qū)冒落時間，為最終的充填處理空區(qū)措施爭取的寶貴時間。

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