矿山地压在线监测系统在某铁矿中的应用

袁子清，彭 威，史晓鹏，袁本胜，马玉涛

（1．北京矿冶研究总院，北京100160；2．安徽金日盛矿业有限责任公司，安徽 六安237474）

矿山地压活动是井下开采过程中的一种常见矿岩失稳破坏现象，其对井下人员、设备安全造成重大威胁，因此，建立长期有效的矿山地压监测系统，探索地压活动规律以及进行远、近期地压灾害预警是井下安全管理的一个重要任务。国内外有许多学者一直从事矿山地压监测方面的技术研究［1－7］，并在某些矿山取得了成功的应用［8］，但总体上来说，在系统的时效性以及近期预警方面仍存在很大不足。本文针对传统人工地压监测的滞后性与精度低等问题，在国内某大型铁矿山建立了一套先进的矿山地压在线监测系统，大大提高了地压灾害监测的时效性，同时，结合矿山实际开采条件，对数据进行深入发掘与分析，得出开采活动对地压活动的影响规律，为指导矿山安全开采、采场爆破参数优化提供了重要参考，有力保证了井下的安全高效开采。

1 地压在线监测系统设计

为了克服传统人工地压监测方式存在的监测数据不连续、时效性较差等问题，本文根据某铁矿山要求，针对试验采场建立一套先进的地压在线监测系统。该监测系统采用分级架构，包括传感器网络、现场数据采集基站以及监测管理中心。其中，传感器网络布置在井下地压活动区域内；现场数据采集基站放置于井下硐室，用于在线获取监测点数据；监测管理中心放在矿区调度室。其他各部门可通过互联网进入监测系统，可以对地压监测系统的运行状态进行实时查看、分析，经授权后，可以对监测系统进行控制（图1）。

图1 某铁矿山地压在线监测系统结构示意图Fig．1 The structure chart of online monitoring system for ground pressure in an iron ore mine

图2 系统调试完毕后的典型数据波动图Fig．2 The chart of typical data fluctuation after debugging system

系统调试完毕后，对所有数据的稳定性与准确性进行分析，从图2中各个硐室代表测点的数据可以看出：各监测点在经过调试完毕后便开始趋于稳定，从数据的波动幅度来看，完全在系统的正常误差范围内波动，表明监测数据稳定可靠，地压监测系统开始正式投入使用。地压在线监测系统的投入运行，大大提高了技术人员的工作效率，降低了以往人工监测的劳动强度，提高了企业的信息化水平，将为井下安全作业以及安全预警发挥重大作用。

2 开采活动对地压活动的影响规律研究

在进行数据深入分析之前，必须要了解系统测点的布置与开采顺序等实际情况（图2），其中，1#硐室位于矿体上盘，2#、3#硐室位于矿体下盘。由于1#硐室设备被损坏，这里仅对下盘围岩的2#、3#硐室内的设备数据进行分析。

结合现场实际作业情况，从以下2#、3#硐室的所有测点的数据可以看出（以下各图中纵坐标中的位移量为累积位移量；位移变化量为前后两时刻所测位移的变化量）：

图3 监测采场作业现状与测点布置对照图Fig．3 The contrast diagram between mining status and monitoring point arrangement

1）每个孔中两个传感器所监测的数值的发展趋势几乎完全一致，即随着爆破作业的往前推进（距离监测点越来越近），爆破震动对周边围岩的松动影响越来越大，使得该区域内仪器所测得的岩体变形量越来越大，并通过直线拟合，累积位移量发展趋势具有很高的线性度，但随着采空区充填工作的跟进（2013年1月6日开始充填），围岩的变形速度也逐渐得到控制，从而使得其围岩变化量呈逐渐减小稳定趋势。从图4～7可以看出，累积位移及位移变化量从充填后的2～3d开始趋于稳定，这说明充填工作对控制地压活动有着快速而显著的效果。因此，在实际生产活动中，应协调好采掘、充填工序，及时处理形成的空区，从而减少与降低垮落等地压事件的发生。

2）从每个孔中两传感器的数据可以看出，孔底位置的传感器所测的位移量较大，同时，再结合传感器所安装的深度（图9），可以说明爆破作业对周边岩体产生松动影响的深度可达6m，为日后优化爆破钻孔布置以及爆破参数设置提供参考。

3）此外，从图5中的10#测点以及图8中的15#测点的累积位移量来看，其位移增至最大值后突然下降，然后逐渐趋于稳定不变状态。数据表明该两测点由拉应力转为压应力，说明该监测范围的围岩可能发生破坏，同时导致设备失效。而据现场反馈，15#测点所在的底板围岩的确发生了小范围的片帮（图3、图10），从这一点可以得出：监测系统大体上能真实地反映现场地压活动，说明监测系统是准确有效的，应加强日常的数据分析工作。

3 结语

本文设计了一套先进的矿山地压在线监测系统，并在某铁矿取得了成功的应用，为矿山井下安全开采提供了重要参考，具体包括：

1）该系统运行稳定，监测数据准确可靠，降低了以往人工监测的劳动强度，提高了技术人员的工作效率与企业的信息化水平。

图4 2#硐室7#～8#测点累积位移量与变化量过程线及其趋势分析图Fig．4 The process diagram of cumulative displacement and variation of station points 7# ～8#in chamber 2and their tendency analysis

图5 2#硐室9#～10#测点累积位移量与变化量过程线及其趋势分析图Fig．5 The process diagram of cumulative displacement and variation of station points 9# ～10#in chamber 2and their tendency analysis

图6 3#硐室11#～12#测点累积位移量与变化量过程线及其趋势分析图Fig．6 The process diagram of cumulative displacement and variation of station points 11# ～12#in chamber 3and their tendency analysis

图7 3#硐室13#～14#测点累积位移量与变化量过程线及其趋势分析图Fig．7 The process diagram of cumulative displacement and variation of station points 13# ～14#in chamber 3and their tendency analysis

图8 3#硐室15#～16#测点累积位移量与变化量过程线及其趋势分析图Fig．8 The process diagram of cumulative displacement and variation of station points 15# ～16#in chamber 3and their tendency analysis

图9 传感器与爆破边界的位置关系图Fig．9 The position relation chart between sensors and blasting boundary

图10 下盘出矿巷道顶板围岩垮落图Fig．10 The roof surrounding rock caving in ore removal laneway of foot wall

2）随着爆破作业的往前推进（距离监测点越来越近），爆破震动对周边围岩的松动影响越来越大，使得该区域内仪器所测得的岩体变形量越来越大；同时，监测数据反映出累积位移及位移变化量从充填后的2～3d开始趋于稳定，这说明充填工作对控制地压活动有快速而显著的效果，因此，在实际生产活动中，应协调好采掘、充填工序，及时处理形成的空区，从而减少与降低垮落等地压事件的发生。

3）测孔深处岩体的位移量较浅处岩体的位移量大，爆破作业对周边岩体产生松动影响的深度可达6m，为优化爆破钻孔布置以及爆破参数设置提供参考。

4）数据分析结论与现场实际情况揭示监测系统能大体上真实反映井下地压活动，说明监测系统是准确可靠的，应加强日常的数据分析工作。

［1］ 袁节平 ．柿竹园矿的采矿地压及其防治［J］．矿业研究与开发，1997，17（4）：26－29．

［2］ 袁节平，胡静云，周爱民，等 ．柿竹园多通道微震监测系统的建立及其应用［J］．矿业研究与开发，2010，30（6）：12－14．

［3］ 陈际经，胡静云，李庶林 ．柿竹园矿地下特大爆破的微震监测技术研究［J］．矿业研究与开发，2011，31（2）：59－62．

［4］ 胡静云，李庶林，林 峰，等 ．基于微震监测的大爆破后诱发余震特性研究［J］．采矿技术，2011，11（6）：100－104．

［5］ 郭远发，刘宏发，袁节平，等 ．基于微震监测的大范围破裂矿柱稳定性评价［J］．采矿技术，2011，11（6）：41－45．

［6］ 尹贤刚，李庶林，黄沛生，等 ．微震监测系统在矿山安全管理中的应用研究［J］．矿业研究与开发，2006，26（1）：65－68．

［7］ 史晓鹏，袁子清，马玉涛，等 ．多通道远程实时地压监测系统在地下开采中的应用［J］．有色金属（矿山部分），65（1）：37－39．

［8］ 刘宏发，胡静云，李庶林，等 ．微震监测技术在柿竹园矿地压监测中的成功预警案例［J］．采矿技术，2012，12（5）：43－44．