声发射监测技术用于采空区地压灾害预测

李示波 李占金 张 洋 卢宏建

(河北联合大学矿业工程学院 河北 唐山 063009)

声发射监测技术用于采空区地压灾害预测

李示波 李占金 张 洋 卢宏建

(河北联合大学矿业工程学院 河北 唐山 063009)

东河湾铁矿经过多年开采，存在采空区多、滞留时间长、安全隐患大等问题。为了在采空区发生重大地压灾害前能够提前预警，以便采取必要的安全措施，预防采空区重大灾害发生，须建立预警预报系统。以岩石力学试验及采空区有限元稳定性分析为基础，分析最易发生重大灾害的区域，确定必要的监测范围。选用国内先进的STL-12型声发射监测系统，针对危险区域建立了完善的声发射在线实时监测体系。利用室内声发射试验以及现场震动波形实测，构建了岩石声发射及其他震动波形库，总结了该矿岩石破坏过程的声发射特征。通过波形分析及时掌握了采空区围岩地压活动的声发射信息变化规律，制定了完善的预警预报制度。近2 a的现场实践表明，该系统可为东河湾铁矿采空区塌陷的预测预警提供技术支撑。

声发射 采空区 地压灾害 预测

河北省铁矿资源丰富，是全国著名的三大铁矿区之一。基于河北省地方铁矿床的赋存特点，80%以上的地下矿山都使用生产工艺简单、成本较低的空场采矿法。但是应用空场法开采的矿山，在矿房回采完毕后,应及时回收矿柱并处理采空区[1-2]。然而,一方面由于技术落后，处理空区难度大、成本较高，另一方面由于单纯追求经济利益，不愿投入，所以在矿床回采后，滞留了大量的空区，这些空区一旦陷落将对下部生产中段构成严重威胁，甚至会导致灾难性后果，为矿山的安全生产留下了严重的安全隐患，东河湾铁矿便是其中一例[3]。

1 东河湾铁矿开采现状

东河湾铁矿三矿体矿区2001年投产，采用竖井盲竖井联合开拓。主井底至-130 m水平，回风井底至+20 m水平，共分为-20、-85、-130、-175 m，4个主要开采水平，至2010年8月-85 m以上矿体基本采空,现有采空区共49个。主要开拓系统及空区分布情况如图1，采空区总体积58.4万m3，采空区体积大小不一，1万m3以上21个，其中最大单个采空区体积达4.68万m3。

图1 东河湾矿区开拓系统及空区分布Fig.1 Development system and distribution of mined-out areas in Donghewan Mine

东河湾三矿体经多年开采，形成的采空区规模大，滞留时间长，容易冒落坍塌。一旦大范围塌陷，采空区内的空气会突然涌出，形成强烈冲击波，严重威胁井下工作人员的生命安全[4]。为避免空区突然塌陷造成灾难性后果，应尽快安设完善的空区地压活动监测系统，对东河湾铁矿空区地压进行全天候监测，及时掌握空区围岩地压活动状态，研究和分析空区地压活动规律，能准确地预测和预警，避免造成矿山企业生命和财产损失[5]。

STL-12型声发射监测系统是国内较为先进的岩石声发射监测系统，通过该系统可对某一区域岩体实施全天24 h连续监测[6]。对监测到的微震信号的产生机理进行处理、分析，可准确预测岩体的破坏范围、破坏强度、生源位置等，及时掌握空区岩体地压发展的动态规律，从而预报岩体塌陷、冒顶等破坏现象[7]。

2 监测区域稳定性数值模拟分析

矿山经过十几年开采，留下大量采空区，空区分布范围广，很难做到全方位监测[8]。为了充分发挥微震监测系统的预警作用，根据STL-12型声发射监测系统特点，将有限的传感器应用于稳定性差、危险性大的采空区[9]。借助于有限元软件建立矿山三维开采模型，对采空区的稳定情况进行数值分析，确定地压活动敏感区域[10]。

根据东河湾矿区空区分布情况，考虑边界效应，最终确定模型长和宽均为1 500 m，高800 m，划分为40 907个节点，354 531个单元。三维模型见图2，模拟结果见图3～图5(以水平方向应力云图为例)。

图2 东河湾矿区模型网格Fig.2 Model Grid of Donghewan Mine

图3 -20 m水平方向应力云图Fig.3 Horizontal stress contours of -20 m level

图4 -85 m水平方向应力云图Fig.4 Horizontal stress contours of -85 m level

图5 -130 m水平方向应力云图Fig.5 Horizontal stress contours of -130 m level

根据对-20、-85和-130 m 水平3个开采中段模拟计算结果可知，-20 m水平应力分布值相对较小，应力集中区分布较少，这主要是因为首采中段，空区数量相对较少，且空区相对孤立，说明空区对本水平围岩影响较小。而-85 m水平和-130 m水平应力值较大，应力集中区明显增多，这主要是因为-85和-130 m中段是该矿开采的主要中段，空区规模大、数量多，分布较为集中，在空间上形成上下中段应力叠加效应，应力集中程度大，容易塌陷冒落形成空区地压灾害，故-85 m水平和-130 m水平属地压活动的敏感区域，且-130 m水平设有生产采场、泵房、提升硐室，运行着运输设备，行人较为频繁，一旦空区塌陷冒落，会对生产区及运输巷道、硐室等造成严重的空区地压灾害，故本中段空区顶底板水平属于监测的敏感区域，是重点监测的对象。

3 建立在线生发射监测系统

根据有限元法模拟的敏感区域分析，同时结合矿山已有水平巷道工程，根据监测点布置接近敏感区域和施工方便的原则，经过充分考查和应用现场调研，监测系统采用了国内比较先进的STL-12多通道声发射自动监测系统。监测系统构成如图6所示。该系统共计布置了12个传感器，分别布置在-85m水平和-130 m水平采空区附近，其中-85 m水平布置1号～6号传感器，-130 m水平布置7号～12号传感器，每个传感器监测范围为直径60～80 m，监测布置见图7。井下数据采集站布置在-130 m水平，负责所有传感器的数据采集，传感器采集的数据经光缆传送至地面的监控站。

图6 12通道声发射自动监测系统构成Fig.6 Structure of 12-channel acoustic emission

现场监测可收集到典型的单通道和多通道声发射波形图(从略)，用于地压监测的预报分析。

4 预报预警制度的建立

东河湾铁矿自2011年8月建立了声发射在线监测系统，对空区地压活动进行了全天候监测，并从现场取样进行了室内岩石破坏过程的声发射实验，建立了东河湾铁矿岩石破坏过程声发射波形特征数据库，总结了该矿的岩石破坏过程的声发射参数信息特征，并建立了完善预警制度。

图7 监测点布置三维图Fig.7 3D Drawing of monitoring points distribution

地压监测人员若发现以下地压活动时，应立即向主管领导和有关部门汇报，以便及时采取措施。

(1)当监测到“岩音”事件率平均达到3次/min，局部时段达到5次/min以上，周边巷道存在明显的新开或旧裂隙扩展，或发现空区顶板大、小能量事件率平均达到2次/min，局部时段声发射总数达到5次/min以上，大能量声发射事件率连续5 min达到5次/min(即25次/5 min)以上，应提出该区域安全警戒。

(2)若发现监测数据前3 d平均事件率有明显的上升趋势，测点周边无爆破作业，仪器系统监测到多测点事件多为声发射大能量事件，各测点同时监测到的声发射事件很多，局部时段声发射大能量事件率连续5 min平均达到5次/min(即25次/5 min)以上，可确认为地压活动异常，应立即作以下汇报处理:①单测点异常，声发射事件多为小能量事件，相邻测点无异常时，向调度室和安全部门汇报；②多测点异常，声发射事件多为小能量事件，各测点同时触发的事件很少时，立即向主管领导、安全部门和调度室汇报；③多测点异常，局部时段事件率连续10 min平均达到2.5次/min(即25次/10 min)，声发射事件多为大能量事件，各测点同时触发的事件很多，立即向矿长、主管领导、安全部门和调度室汇报，并估计活动范围和进行现场撤离。

5 结 论

(1)根据东河湾铁矿空区赋存特点，利用大型三维有限元软件建立矿山开采模型，对采空区的稳定情况进行数值分析，确定地压活动敏感区域，为有效监测空区地压活动提供了技术支持。

(2)在数值模拟空区地压敏感性分区的基础上，利用国内先进的STL-12 型声发射监测系统，为东河湾铁矿建立了完善的空区地压监测系统。通过该系统可实现东河湾铁矿空区地压活动的全天候监测，及时掌握空区围岩地压活动状态。

(3)在室内声发射试验的基础上，结合现场声发射监测信息特征建立了东河湾铁矿的波形数据库，总结了岩石破坏过程的声发射参数信息特征，确定了空区塌陷征兆及塌陷前岩石声发射信号特征，并建立了完善的预报预警制度，为东河湾铁矿空区塌陷事故的预防提供了科学指导。

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(责任编辑 徐志宏)

Application of Acoustic Emission Monitoring Techniques in Geostress Hazard Prediction of Mined-out Areas

Li Shibo Li Zhanjin Zhang Yang Lu Hongjian

(CollegeofMiningEngineering，HebeiUnitedUniversity，Tangshan063009，China)

After many years exploration in Donghewan Iron Mine，complex mining status appears，such as lots of mined-out areas，long remained time，and big security risk. In order to make early-warning before the geo-stress disasters occur in the mined-out area to take necessary security measures and to prevent major disasters，the early warning and forecasting system was established. Based on the rock mechanics test and the finite element stability analysis on mined-out area，the regions that are prone to generate major disasters are analyzed and the necessary monitoring scope is determined. With the selection of the advanced STL-12-type acoustic emission monitoring system，a complete acoustic emission on-line real-time monitoring system for hazardous areas is built. According to the indoor acoustic emission testing and on-site vibration waveform measurement，the rock acoustic emission database and other vibration waveform database are established，and the acoustic emission characteristics during the destruction process of rocks are summarized. By waveform analysis，the variety rule of acoustic emission information at geostress activities of mined-out area is grasped，and a comprehensive early warning and forecasting system is made. The 2-year practice showed that the system could provide technical support for pre-warning of mined-out subsidence in Donghewan Iron Mine.

Acoustic emission，Mined-out area，Geostress hazard，Prediction

2013-12-11

国家自然科学基金项目(编号：51174071),河北省自然科学基金项目(编号：E2014209093)。

李示波(1969—)，男，副教授，博士。

TD77+1

A

1001-1250(2014)-03-152-04