某矿区地表井下地压监测的应用研究

刘浩++唐琼瑶++徐力勇

摘 要：地下矿山开采，会产生大量采空区。采空区的有效监测，将直接影响到矿山的安全生产及经济效益。该文针对某矿采空区稳定性及地压监测进行了系统、深入地研究，通过现场调查、井下地压监测、地表变形监测等研究手段，获取井下采空区的分布、采空区稳定情况、地压分布规律。建立井下应力监测系统，提出地表移动变形观测方案、观测点埋设方案、全面观测方法及日常监测工作，指导矿山的安全回采。

关键词：采空区 地压监测 地表移动带

中图分类号：TD82 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）09（c）-0023-04

Study on the Application of Ground Pressure Monitoring on Surface and Underground in a Mining Area

Liu Hao1 Tang Qiongyao2 Xu Liyong3

（1.Jiangxi university of science and technology resources and environment engineering school； 2.Jiangxi university of science and technology building and surveying and mapping engineering institute； 3.Jiangxi university of science and technology institute of metallurgical and chemical engineering，Ganzhou Jiangsu， 341000， China）

Abstract：With the development of underground mining，there are a large amount of goaf.At the same time，the underground pressure is obvious.It will decide the mines production safety and economic benefit if the goaf would be deal effectively with.This article in view of the mine goaf stability and ground pressure monitoring system，we get the position and stability of the goal and the underground pressure distribution rule through some research techniques，like a field investigation，underground pressure monitoring，the numerical simulation，and so on.Also， combined with pressure monitoring results and numerical analysis study of optimization filling scheme， guide the safety mining of mine.

Key Words：Goaf；Ground pressure monitoring；The range of surface movement

我国矿产资源丰富，随着矿产资源的开采，产生大量采空区，给矿山的正常生产和环境带来巨大损害[1]。为较好地处理采空区，需掌握地下采空区的分布情况、采空区地压分布规律、采空区的变形和破坏规律等，并需要对采空区进行有效监测[2-5]。

某多金属矿经过多年地开采，某矿区域已形成大量采空区，地压显现明显，新采空区大量增加，部分老采空区也有扩帮，并且部分新增空区与老空区相互贯通，在开采过程中未及时对采空区进行处理，严重威胁着矿山的生产作业安全。

针对矿山开采遗留大量采空区，地压显现明显问题，该研究拟采用现场调查、地压监测、数值模拟等研究手段，得到采空区分布、采空区稳定性状况，获得地压分布规律，并重点对地压区矿石回采进行地压监测，保障矿山采矿作业安全。

1 采空区现状调查

该矿已对部分采空区进行充填处理，充填处理的方式主要包括尾砂胶结充填和废石充填两种。为了更好地了解目前某矿采空区的赋存状况及分布特点，故需要对采空区的形状参数、暴露面积、空间位置关系、连通性等进行现场调查。

采空区的形状参数使用德国PD40型手持激光测距仪进行测量，经过现场调查得到了采空区的分布、赋存状况以及充填情况等信息，得出：矿区各个中段都有新采空区增加，新增采空区總暴露面积达到29 357.49 m2，体积达到350 038.36 m3，多个中段空区贯通，最大贯穿3个中段，空区暴露面积达2 352.4 m2，体积达58 810 m3。

2 地压调查

经过一年多的开采，该矿各中段未处理的采空区体积增加，使部分采空区及附近地压活动频繁，主要表现为：采空区顶板冒落、片帮、巷道变形、底板开裂和地表变形与塌陷。

造成各中段地压显现的主要原因是，采空区数目和采空区总体积的增长，以及充填进度无法满足生产要求。

3 地压监测

3.1 监测设备

目前，随着矿区正常开采的延续，井下采空区的数目、体积也逐渐增多，作业区域由于大量空区的存在使部分区域地压显现比较明显。矿区的岩石属于硬岩，为了对地压活动进行有效监测，根据矿山的实际情况并结合已有的监测经验，确定该次地压监测的方法为应力监测，应力监测仪器选择灵敏度高、性能稳定的光弹应力计。

此次井下监测点布置综合考虑了采空区地压调查及采空区充填情况，各中段空区的空间相对位置、连通情况等因素，并参考矿山采掘计划，避开了开采作业区域，以便长期监测。

3.2 监测点布置说明

（1）-85 m中段：71～77线间空区已全部连通，并且下通-115 m中段，目前该空区中局部留有残矿；此空区为现中深孔爆破区域，开采计划采至-60 m中段，因而在此空区周围布置4个监测点；77线主运输巷道顶板破碎，地压显现明显，因而在此布1个监测点。

（2）-100 m中段：中深孔爆破区域仍作为重点监测区域，此处空区矿柱剥离，顶板破碎，结构面发育，因此在此空区周围布4个监测点；75～83线间的空区因无法进入，未作监测布置，此空区在-115 m中段相对位置的空区已作充填处理；30#采场处顶板破碎，矿柱剥离，附近主运输巷道采用了锚杆支护，顶板喷浆处理，在此矿柱处布1个监测点；8#采场空区相对稳定，无明显地压显现，因该空区边仍在回采，故此处布1个监测点。

（3）-115 m中段：71～75线区域处于中深孔爆破区域，此处空区布3个监测点；69～71线处主运输巷道顶板较为破碎，此处有新增空区，但空区较为稳定，因而此处可布1个监测点；77线后期地压显现明显，且附近有新的空区形成，因此在这布了一个监测点。

（4）-130 m中段：85-1#采场周边空区已充填，该空区靠主巷处顶板开裂，矿柱剥离，片帮，因而在此处矿柱上布1个监测点；此中段以实验采场作为重点监测区域，该区域位于77～81线间，顶板破碎，靠近运输巷道处片帮，节理发育，空区有冒顶，此处往西南有采掘计划，因而此处布4个监测点；3#采场顶板破碎，有滑移面，结构面发育，并且此空区边矿柱10、11月有回采计划，因而此处布1监测点；73线处空区正在回采，矿柱完整性好，空区有冒落、片帮，矿柱边上有小段层存在，附近有开采计划，此处布1个监测点。

（5）-145 m中段：73-2#采场较稳定，局部有滴水，因有新增开采空区，往71线方向有采掘计划，因而此处布1个监测点；69线处空区与-160 m中段空区相通，且有冒顶，因而此处布1个监测点；Y27所布位置附近空区不稳定，且有新增掘进，因而布在此处；1-2#采场有大面积冒顶，周围砌有挡墙，与其它空区相隔离，此空区在下一中段（-160 m）已用废石充填，因而不在此布监测点。

（6）-160 m中段：15#采场顶板冒落严重，矿柱剥离，片帮，地压显现明显，此空区原光弹应力计G27完好，但已不可监测（不安全），在此空区矿柱的另一侧布1监测点；18#采场与-145 m相通，矿柱剥离，空区连通区域较大，因而此处布1个监测点；2#采场顶板有冒落，局部少量滴水，且空区面积较大，在此布1监测点；由于回采放炮及空区处理等因素，為了加强此中段地压监测，后期在此多布了3个监测点。

经过多次监测数据分析，得出：各中段监测点整体次生应力变化较大，次生应力较高，次生应力有上升趋势。

4 地表移动变形观测方案

矿区的地表海拔高程一般为200～400 m，最高点的海拔达到512.5 m，从地表至目前开采的最下面中段高差很大，地下开采易引起地表移动变形，给下部各中段开采作业带来威胁，所以对地表进行移动变形监测。

目前用于地表变形观测的方法中，通过圈定矿区的地表移动带，然后在移动带之内设立变形观测站进行地表移动变形监测是最有效的方法之一[6]。

地表移动变形监测就是在地表移动带范围之内建立变形观测站，定期对整个观测站进行测量，监测地表的下沉和变形情况。

4.1 确定岩石移动角

采用工程类比的方法确定出矿区走向端部移动角=75°；上盘岩石移动角位65°；下盘岩石移动角70°。

4.2 圈定地表移动带

利用确定的岩石移动角，针对矿区64～83线勘探线剖面图逐个画出矿体下盘和上盘的岩石移动界线，并得出岩石移动界线与地表交点的坐标点。

得到各勘探线剖面图岩石移动界线与地表交点的坐标点位置后，在矿区地表地形图上绘出沿脉纵剖面图矿脉两端岩石移动界线与地表交点的坐标位置，将相邻两个勘探线的各点连成线，并经修整后得出矿区的地表移动带。

4.3 地表观测点的确定

圈出矿区地表移动带后，根据地表观测在移动带之内确定观测点，设立变形观测站进行地表移动变形监测。

根据相关原则，在地表移动带内布置AA′、BB′两条观测线。

根据相关规程，以剖面法求得AA′和BB′观测线长度分别为875 m和650 m，共计1 525 m，每25 m一个点，共63个点。

具体观测线与测点布置如图4所示，各观测线长度及观测点个数统计如表1所示。

4.4 观测点埋设

所有控制点和测点均为混凝土预制桩，钢筋露出高度为5 mm，如图5、6所示。

4.5 全面观测

在观测站未受开采影响之前，独立进行2次全面观测。当地表下沉达到50～100 mm时，应进行采动后的第一次全面观测；在地表受采动影响稳定后，进行最后一次全面观测。

4.6 日常观测

在首次和末次全面观测之间适当加密水准测量次数，来判定地表是否开始移动。在回采工作面推进0.1～0.5平均开采深度，选择部分工作测点，每周进行1次水准测量。一般1～3个月重复1次水准测量。在明显的活动区和下沉区要增加水准观测次数。

观测站的各项观测，一般情况下可参照表2的程序进行。水准测量必须在一天内完成，并力争做到高程测量和平面测量同时进行。

5 结论

（1）对矿区进行全面的采空区和地压调查，得到了采空区的分布、赋存状况以及充填情况等信息。

（2）建立井下应力监测系统，得出了各中段监测点整体次生应力变化较大，次生应力较高，次生应力有上升趋势。

（3）建立地表移动变形观测方案，提出了观测点埋设方案、全面观测方法及日常监测工作。

参考文献

[1] 童立元，刘松玉，邱钰，等.高速公路下伏采空区危险性评价和处治技术[M].南京：东南大学出版社，2006.

[2] 胡永泉，张传信，匡玉生，等.冬瓜山铜矿西山釆空区治理工程研究与实践[J].金属矿山，2011（5）：23-27.

[3] 李爱兵，周爱民，尹彦波，等.柿竹园多金属矿床群空区条件下的崩落特性研究[J].岩石力学与工程学报，2008，27（11）：2234-2243.

[4] 龚洁光.沃溪矿区上部空区处理充填新工艺的应用[J].黄金，2003，24（11）：26-28.

[5] 赵奎，袁海平.矿山地压监测[M].北京：化学工业出版社，2009.

[6] 刘豪杰，刘爱华.矿山地表移动带快捷成图方法及应用研究[J].有色金属科学与工程，2011，2（6）：7-11.