基于声发射预警准则的柿竹园矿地压预警研究＊

尹彦波,李爱兵

(长沙矿山研究院, 湖南长沙 410012)

基于声发射预警准则的柿竹园矿地压预警研究＊

尹彦波,李爱兵

(长沙矿山研究院, 湖南长沙 410012)

为确保柿竹园矿井下中深孔特大爆破的安全,建立了专项地压监测网及地压预警系统。介绍了特大爆破地压监测方法和监测重点区域的测点布置,采用自主开发的监测预警软件分析监测数据,对特大爆破装药前、特大爆破后的矿岩体的稳定性进行了预警分析,为下一步矿山的工程布置和回采提供了技术基础,有效地指导了矿山安全生产。

地压监测;声发射;监测预警;稳定性分析

柿竹园多金属矿区自 2006年以来实施了多次大爆破,本次特大爆破范围为 558～603 m中段,区域为 K2-4、k3-2/3、k3-3/4和 k4-3/4。由于K3-4/5和 K4-3/4大空区紧邻,爆破区域及周边的地压显现越来越显著,矿柱片帮、剥离和开裂等地压显现增多,进行特大爆破区域及周边的地压监测预警工作势在必行,因此,围绕爆破区域周边进行地压监测网的设计和施工,实时采集监测数据,采用预警准则及先进的预警模型进行预警分析,得出监测区稳定性预警结果,有效指导了矿山安全生产。

1 特大爆破地压监测设计

为了确保特大型爆破施工过程和爆破前后的安全,也为获取爆破后矿岩体稳固性和确定应力转移区域及大小,本次地压监测设计围绕特大爆破而进行。其监测方法主要为声发射和钻孔应力计监测两种,以声发射监测为主。

为确保特大爆破安全、顺利进行,在爆破区域及周边进行了专项地压监测及预警研究,在爆破区域及周边详细设计了地压监测控制点 (声发射监测点、应力监测点),并实时监测数据,进行预警分析。重点区域典型地压监测控制点布置见图1、表1。

2 柿竹园矿特大爆破地压监测预警

特大爆破前,设计建立了完善的地压监测网,运用便携式声发射仪、应力监测仪进行数据的实时监测与采集,通过柿竹园地压监测预警软件将监测数据导入 SQL2000数据库,并经由预警软件对监测数据进行预警分析,提出预警指标,指导矿山安全生产。

表1 爆破区域及周边重点监测点

图1 536 m中段特大爆破地压监测重点区域

作者对柿竹园多金属矿地压活动规律进行了多年研究总结和地压监测数据的统计分析,得出了在柿竹园矿条件下的矿岩体稳固性声发射监测预警临界值,图2为柿竹园多金属矿岩体失稳声发射事件率判断准则线,图3为柿竹园多金属矿岩体失稳破坏声发射事件率预警值区间图。

图2 岩体失稳声发射事件率判断准则线

图3 岩体失稳破坏声发射事件率预警值区间

2.1 特大爆破装药前的地压监测预警

根据特大爆破的重点监测区域,选取重点监测控制点,由自主开发的预警软件,调取每个监测控制点的监测数据进行预警分析。

图4为特大爆破装药前 536 m中段地压监测各点声发射事件监测值曲线,从图4可知最大事件为5次 /10 min。综合对比图2和图3,事件率小于 1次/min的片帮临界值。因此得出目前 536 m中段爆破区域内矿岩体是相对稳定的,巷道围岩体不会产生大的冒落。

图4 536 m中段爆破区域内声发射监测事件值曲线

特大爆破装药前,558 m中段地压监测各点声发射最大事件为 5次/10 min,586 m中段声发射最大事件为 3次 /10 min。由图2、图3可以判断得出其巷道围岩体不会产生大的冒落。

通过爆破装药前,即 2009年 11月 19日～2010年 1月 5日,对本次特大爆破区域内的声发射监测数据的整理与统计分析,得出的结论为:装药前爆破区域内矿岩体的稳定性较好,不会产生大的冒落。实际状态与统计分析的结果一致,在现场未产生任何矿柱垮塌或顶板冒落事故。

2.2 特大爆破后矿岩体声发射预警分析

特大爆破后,对监测数据进行分析得出:爆破区域范围外的监测点事件数较少且接近于 0次/16 min,因此选取爆破区域临近周边的有代表性的、声发射信号明显的监测点进行分析。

558 m中段选取的声发射监测控制点为 S1756(P5/K4-3)、S1825(P3/K2-5)、S1784(P4/K4-5)、S1785(P4/K4-6);586 m中段选取的声发射监测控制点为 S868(P4/C6)、S1917(P3/K3-6)、S881(P5/K4-3)、S1920(K2-5/6)。

通过柿竹园多金属矿地压监测预警软件,查询并导出将要分析的监测控制点的数据 (见图5)。通过对爆破区域周边声发射监测点事件率的统计,得出声发射事件率变化曲线,如图6、图7所示。根据本次特大爆破后的声发射监测结果,结合前期地压研究的声发射监测预警准则,558 m、586 m中段的预警结果为:

图5 地压监测预警软件实时查询和导出监测点数据

图6 558 m中段爆破区域声发射事件率曲线

(1)558 m中段。其声发射监测结果表明:周边大部分区域的声发射次数较低,矿岩体的稳定性较好,但是周边部分矿柱在大的构造、应力转移及结构面作用下会片帮冒落。如 P3/K2-5的 S1825声发射监测点数据处于片帮范围内,P5/K4-3的S1756处在破坏准则边缘,其余监测点数据均在片帮准则线之下。

图7 586 m中段爆破区域声发射事件率曲线

(2)586 m中段。各监测点数据均在片帮准则线之下。

从监测预警结果来看:558 m、586 m中段周边大部分区域的声发射次数较低,矿岩体的稳固性较好,不会有大的垮塌、冒落等地压灾害。但是,综上所述,特大爆破后,在应力集中和应力转移作用下,局部会产生片帮及小冒落,受大的构造、应力转移及结构面作用,个别矿柱会片帮冒落,甚至垮塌。

3 结 论

结合作者前期在柿竹园多金属矿地压研究中所得出的声发射监测预警准则,对柿竹园多金属矿本次特大爆破前、后的地压变化及监测预警进行了研究,分别提出了特大爆破前的预警及特大爆破装药期间的监测及预警分析结果,预警分析结果与现场地压显现实际情况一致,对柿竹园特大爆破的安全工作起到了积极的指导作用,确保了本次特大爆破安全、顺利实施,消除了各级人员对地压灾害隐患的担忧,为矿山下一步开采的工程布置及地压控制提供了依据。

[1] 柿竹园连续开采特大爆破专项地压监测报告[R].长沙:长沙矿山研究院,2010.

[2] 尹彦波.基于预警模型机制的矿山地压灾害预警程序系统研究[J].矿业研究与开发,2010,30(2):86～89.

[3] 李爱兵.基于 GIS的金属矿山地质灾害预警系统研究与开发[J].矿业研究与开发,2006,26(S1):131～135.

[4] 尹彦波.岩石失稳与地压灾害预测的非线性动力学分析研究[D].长沙:长沙矿山研究院,2006.

[5] 王来贵,黄润秋,张悼元,等.滑坡灾害发生的动力学模型[J].自然科学学报,1998,8(3):224～227.

[6] 李天斌,陈明东,王兰生.滑坡实时跟踪预报[M].成都:成都科技大学出版社,1999.

国家“十一五”科技支撑计划课题(2006BAB02B05);科技部科研院所社会公益研究专项(2005D I B3J233).

2010-06-21)

尹彦波 (1980-),男,湖南新化人,硕士,工程师,主要从事岩土工程研究、矿山地压灾害预警研究,地质灾害治理与设计工作,Email:yyb@cimr.com.cn。