下告铁矿采空区上覆悬顶岩层稳定性研究

付占宇，彭府华

（1.河源市紫金天鸥矿业有限公司， 广东河源市 517463；2.长沙矿山研究院， 湖南长沙 410012）

下告铁矿采空区上覆悬顶岩层稳定性研究

付占宇1，彭府华2

（1.河源市紫金天鸥矿业有限公司， 广东河源市 517463；2.长沙矿山研究院， 湖南长沙 410012）

简要介绍了下告铁矿的开采背景、采空区形成过程及上覆岩层工程地质特征，基于DIPS软件描述了采空区和矿区主要断层之间的空间几何关系，利用块体理论分析了上覆岩层的稳定性。同时利用12通道声发射监测系统对上覆岩层进行监测，认为上覆悬顶岩层暂时处于相对稳定状态。

采空区；块体理论；声发射监测；稳定性分析

1 下告铁矿矿区概况

下告铁矿隶属河源市紫金天鸥矿业有限公司，矿区位于河源市的东南部、紫金县城的西南部。下告矿区地形起伏较大，最低高程159.63m，最高高程为北部的帽子栋（531.90m），相对高差372.27 m。地形坡度10°～20°，北部地段坡度大于20°，属低山丘陵地貌。

下告铁矿自投产以来，一直采用分段空场采矿法采矿，经过几年的采矿后，全矿共有6001、6005、6009和6013四个采空区，且仅有＋47m、＋60m、＋75m和＋90m四个水平有采空区存在，空区底板标高最低为＋46.7m，顶板标高为＋107m，净空区高度25.8～60.3m，净空区总面积为1891m2，总体积约为8.28万m3。根据公司规划，矿山＋47m以下改用崩落采矿法，因此对采矿区进行了处理并对矿柱进行回采。空区间柱及空区上部岩体崩落后，形成面积约为5850m2的新空区。该矿区顶板距地表约30m，矿区第四系厚度为20m左右，新空区顶板岩体极可能会自然冒落至地表，形成9000 m2的陷落区。且在对下告铁矿采空区间柱和上部岩体崩落后，采空区处于活动状态，断层F5附近出现了大范围的崩塌。突然冒落产生的岩石冲击和气浪会对采矿作业产生影响，同时空区顶板岩体冒落时间及冒落规模的不确定性给矿山安全生产带来了极大的隐患。因此，对上覆悬顶岩层的监测就显得非常必要，对空区上覆悬顶岩层稳定性的实时监测可以及时了解和掌握空区上覆悬顶岩层及围岩的地压活动情况和发展趋势，从而给矿山安全生产提供可靠的依据。

2 基于块体理论的采空区上覆岩层稳定性分析

在实际工程中一般利用块体理论分析法来分析岩体稳定性。其是根据结构面的产状等参数直接判断相应岩体的可动性，是“几何法”分析，而且其过程完全是三维的，所得到的结果能直接用于工程需要。

2.1 上覆岩层工程地质特征

下告矿段铁矿床由矽卡岩所控制的16个矿体组成，主要分布在0～8号勘探线之间。矿床北东部以F5断裂为界，南西以F4断裂为界，东部以F2断裂为界，西部以F4断裂为界，顶部以大理岩，底部以花岗岩为界，总体分布在740m×310m×650m空间范围内。赋矿处为花岗岩外接触带的凹陷部位。矿体总体走向295°左右，倾向SW。本区断裂构造发育，影响较大的断裂构造主要有F5、F6、F2。

（1）F5断裂。F5切割了上三叠统和石炭系地层，是下告矿体的北部和西部边界。F5断裂为具有多期活动的张扭性断裂。F5断裂以石英斑岩贯入改造为特征，－100m高程以上主要充填物为石英斑岩，宽10～36m；产状较陡，在1～8号勘探线总体走向294°～298°，倾向NE或SW，倾角60°～83°；在倾向剖面上呈弯曲状，－100m高程以下主要构造岩为挤压破碎岩、角砾岩、硅质胶结的角砾岩、石英脉，次为石英斑岩等，宽3～12m，走向275°～305°，倾向NE，倾角55°～65°。

（2）F6断裂。F6见于矿段中部，帽子栋南侧，在矿段内呈舒缓波状延伸，出露长度3.4km，以挤压破碎带的形式产出，宽2～18m，局部达20多米。断裂带倾向345°，倾角70°。破碎带内见倾向为290°的裂隙甚为发育。F6早期显示压性，后期显示压扭性。

（3）F2断裂。为区域性北东向合水断裂带主干断裂之一，见于下告矿段南东侧、锡坑寨东侧，矿段内出露长约1.5km，沿走向呈舒缓波状，延伸出矿区，破碎带宽约1.5～15m。破碎带以褐铁矿化碎裂构造岩、糜棱岩及挤压透镜体组成。沿断裂带常见石英斑岩、花岗斑岩等岩脉贯入。断裂倾向120°～130°，倾角60°～80°。断裂两侧围岩角岩化强烈，断裂南东盘的北西向派生裂隙中，常充填石英球粒斑岩脉，岩脉膨缩、尖灭变化明显，故原裂隙具张性特征。该断裂应为南东盘相对北西盘向北东斜冲属压扭性。

2.2 块体稳定性分析

影响下告铁矿采空区上覆悬顶岩层稳定性的断层主要为F5、F6、F2，利用DIPS软件作出断层与采空区边界的赤平投影图，如图1所示，并绘出空间关系示意图（见图2）。

图1 采空区边界与断层赤平投影

图2 采空区边界与断层局部空间示意

从图1和图2可以看到，断层面和采空区边界面之间切割成了若干个块体，由块体理论可知图2中阴影部分为可能失稳块体。可能失稳块体是指在工程作用力和自重作用下，由于滑动面有足够的抗剪强度才保持稳定的块体，若滑动面上的抗剪强度减低，这类块体可能失稳。矿山地压实际显现的情况正好说明这一点，断层F5中有强度相对较弱的充填物，在受采动影响、断层活动和雨水冲刷等影响后，滑动面上的抗剪强度减弱，导致可能失稳块体发生滑移剪切破坏，如图3所示。

图3 可能失稳块体的滑移剪切破坏

由上述分析可知：采空区上覆悬顶岩层受断层（F5）影响，在局部已经出现滑移破坏。但是采空区上覆悬顶岩层整体性较好，目前并没有大规模的冒落，但随着地下采矿的进行，塌陷区范围不断增大，采空区上覆岩层也可能会发生大规模冒落。

3 基于多通道声发射监测的采空区上覆岩层稳定性分析

上述是从理论上分析了采空区上覆悬顶岩层的稳定性，具有一定的指导作用，但是要准确地了解采空区上覆岩层的变化情况，就必须对采空区上覆悬顶岩层进行实时监测。基于此，下告铁矿建立了1套12通道声发射监测系统。

3.1 多通道声发射系统组成

天鸥矿业下告铁矿采用STL－12型多通道声发射监测系统，如图4所示，该系统主要由数据采集仪和12个传感器组成，数据处理站建在地表。在每个传感器与数据采集仪之间为模拟信号传送，采用信号电缆线相连；数据采集站与井口数据处理站之间数据先从数字信号转换成光信号，经光缆传输至井口数据处理站，再由光信号转换成数字信号到达处理器。

3.2 AE监测研究

3.2.1 AE信号辨识研究

AE监测主要是监测采区岩体在开挖时围岩体内应力集中导致岩体破裂而产生的震动信号，利用这些监测到的前兆信号来评价岩体的稳定性。因此，必须掌握监测到的信号的辨识，针对我们要监测的目标，剔除噪音，提取有用信号，为进一步的岩体稳定性和地压灾害评价提供基础数据。

图4 系统组成

对下告铁矿声发射波形的辨识主要分为3类：岩体破裂波形、爆破波形和其它噪音波形。

（1）岩体破裂事件波形的振幅一般都较小，岩体破裂事件主要为高频成分，主要的频率段都是在几百到两千赫兹左右，波形如图5所示。

图5 岩体破裂波形

（2）爆破波形信号的特点是：波形振幅大，触发较多传感器且部分信号幅值到达幅值；爆破持续事件长，形成单一连续波形，如图6所示。

图6 爆破波形

（3）凿岩具有连续性，冲击频率比较固定，因此，波形图冲击部分具有明显的规律性。进、出钻时，由于钻杆只和部分孔壁摩擦，这部分的振幅较小，如图7所示。

图7 凿岩波形

（4）低频干扰时（如井下电机车运行）的波形和其它波形相比频率明显更低，比较容易区分，如图8所示。

图8 低频干扰时的声音波形

3.2.2 AE日常监测研究

AE监测是一项长期的工作，必须每天坚持记录声发射事件、定期统计并了解事件的变化情况，同时紧密结合生产实际及时掌握地压显现状况。

（1）事件记录。每天坚持按声发射监测记录表按时记录，发现有异常情况及时处理并查明原因。图9为系统每天统计的事件数图。

图9 事件数统计

（2）对单个通道事件进行定期统计。对12个通道的事件进行定期统计，根据矿山实际情况，可每月统计一次，并观察各个通道在统计时间范围内是否有事件异常增加的情况。

3.3 悬顶稳定性分析

下告铁矿多通道声发射监测系统于2011年7月11号建立并调试成功，经过一段时间的监测，系统运行正常，并且能够对采空区上覆岩层稳定性进行有效的实时监测。从这几个月的岩石声发射事件数来看（见图10、图11），每个通道每天事件数在几到几十不等，并没有特别异常的变化。说明目前采空区上覆悬顶岩层并没有大规模的地压显现，基本处于稳定状态。监测还发现靠近采空区附近的传感器（如1～6号传感器）事件数明显多于远离采空区的其它传感器。这和实际的地压显现特点相吻合。

图10 7月份事件数统计

图11 8月份事件数统计

4 结 论

本文针对下告铁矿采空区及空区上覆岩层特征，利用DIPS软件和块体理论分析了空区上覆悬顶岩层的稳定性，并利用建立的12通道声发射监测系统对上覆悬顶岩层进行监测。目前多通道声发射监测系统在下告铁矿开展了初步的运用研究工作，取得了初步成果。

（1）根据上覆岩层的工程地质结构特点，采用DIPS软件和块体理论分析了上覆悬顶岩层的稳定性，发现断层F5与采空区边界在空间上切割成可能失稳块体，对上覆悬顶岩层的稳定性产生了较大的影响。

（2）建立调试好的12通道声发射监测系统，实现了对上覆悬顶岩层的全天候实时监测。

（3）通过几个月的实际声发射监测，得到各个通道的岩石声发射事件表现不一，但变化不大，说明上覆悬顶岩层暂时处于相对稳定状态。

（4）随着采矿的进行，崩落范围会越来越大，采空区上覆悬顶岩层可能会发生大规模塌陷，因此需要坚持监测。

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2011－11－23）

付占宇（1966－），男，辽宁铁岭人，高级工程师，主要从事采矿技术研究，Email：fuzhanyu468＠sohu.com。