基于RG 井下电视系统的空区冒落监测

何荣兴 任凤玉 曹建立 翟会超 宋德林

(东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳110819)

空场法大面积开采后，形成了不同深度和形态的采空区，采空区的存在往往给矿山生产埋下安全隐患，空区突然冒落形成的滚石、冲击气浪对井下的生产人员、设备具有致命威胁。监测空区的冒落进程，对于制定合理的空区处理方案和防护措施具有重要意义。

排山楼金矿为大型同韧性剪切带变生热液型金矿床，矿体厚度较大、产状较缓、分布集中。露天转地下开采后，排山楼金矿利用露天坑存放干排尾沙，应用有底柱空场法开采露天境界外矿体。为增大生产能力，采取上、下双工作面回采方式，即300 m 与225 m 两个中段同时回采。到2008 年5 月，上部工作面采到+250 m 水平，下部工作面采至+200 m 水平，形成了规模较大的不连续的采空区，其中+275 m 水平之上形成的采空区总水平面积已达11 250 m2，体积约50 万m3。顶板围岩处于亚稳定状态，在该空区的正下方有40 多万t 的低品位矿石急需回采，在空区的上方因露天坑需用作尾矿库堆存含毒尾沙而不允许塌透地表［1-2］。在这种情况下，确保空区在治理过程中的安全，实现矿体资源合理回收，合理地监测空区冒落进程显得尤为重要。

1 空区监测

空区顶板即为矿体上盘，岩体结构密闭、岩石硬度中等偏上，此类岩体发生破坏，将有声响和明显的位移，并且出露明显的断裂线。为此，通过监测上盘顶板围岩的变形或位移、或是观察断裂线的发育状况，都可掌握上盘围岩的地压活动状态与失稳后的冒落形式［3-4］。

1.1 监测设备及监测方案

空区顶板钻孔监测采用的是英国RG 公司生产的RG 井下电视系统，该系统包括4 个部分，分别为地表采集系统、软件、绞盘和电缆、探头。RG 井下电视系统探测深度最大可达3 km(需配备相应绞盘)，系统配备的多种高精度探头在现场即可实时进行地质钻孔孔壁全方位360°高精度成像、裂隙自动追踪等。本次监测系统采用的是RG 光学探头(OPTV)。

根据空区分布状态和稳定性分析结果，设计在露天坑北帮407 m 的台阶上，分别在Ⅷ线与Ⅹ线的位置钻凿了2 个直径110 mm 的钻孔(图1 ～图2)，利用RG 井下钻孔电视系统对空区顶板岩层进行监测，2个钻孔监测图像部分截图如图3。

图1 Ⅷ监测钻孔剖面位置Fig.1 Profile of the boring hole for observation Ⅷ

钻孔监测日期自2009 年6 月12 日开始，至2010年6 月28 日结束，共进行了11 次监测。采用间断式监测方式，即每隔1 ～2 月时间用RG 井下电视系统对2 个钻孔进行孔壁扫描，采集数据并与之前监测的数据图像进行对比分析，以此判定空区顶板是否发生裂隙扩张、变形及冒落。

1.2 监测结果及分析

对Ⅷ线钻孔和Ⅹ线钻孔的监测图像通过软件分析，可以得到钻孔柱图、孔壁展开图及钻孔倾角、裂隙倾向与倾角等几项数据，如图4 所示为部分钻孔分析图像。

根据2 钻孔监测图像分析可知:

图2 Ⅹ线监测钻孔剖面位置Fig.2 Profile of the boring hole for observation Ⅹ

图3 RG 井下电视系统监测的钻孔图像Fig.3 Monitoring images of boring hole with RG-micrologger

图4 2.3 ～4.0 m 监测图像Fig.4 Monitoring images between 2.3 and 4.0 m

(1)Ⅷ线监测孔。距地表19.3 m 范围节理裂隙较发育，其下19.3 ～23.7 m，23.8 ～29.7 m，37.0 ～45.1 m 段稳定性较好，可作为空区冒落的控制岩层。其他部位或含不稳岩层，或是节理裂隙节发育。节理面倾角多为45° ～70°之间，局部最大裂隙宽度14 cm以上。

(2)Ⅹ线监测孔。距地表19 m 范围节理裂隙较发育，其下19 ～25.9 m，39.8 ～46.4 m，46.6 ～51.5 m，53.5 ～62.8 m 段稳定性较好，可作为空区冒落的控制岩层。其他部位或含不稳岩层，或是节理裂隙节发育。节理面倾角多为45° ～70°之间，局部最大裂隙厚度为20 cm 以上。

综上，2 监测孔岩壁裂隙图像说明:岩体原生裂隙分布间距较大，节理面倾角多大于45°;孔口近地表位置较为破碎，与原露天开采工作环境、凿岩爆破作用、地压场分布状态、监测孔开凿等因素有关;在空区顶板以上10 m 范围内，岩体较完整，无较大裂纹产生;在监测孔下部空区顶板10 m 以上的20 m 范围内节理裂隙较发育、裂纹较多，岩体较破碎。

1.3 冒落线的推断

从2009 年6 月12 日开始，科研组用RG 井下电视系统跟踪监测空区顶板的变化过程，直至2010 年1 月12 日监测空区顶板未发生任何冒落现象。但在2010 年3 月16 日监测时，发现Ⅹ线测孔冒落了13.3 m。此时接近孔底的监测图像如图5 所示，Ⅹ线钻孔截面大体上北高南低，斜面倾角约为28°。由于岩体里有一组结构面呈现出这一角度与方位，因此这一钻孔截面可能是由冒落线形成的，也可能是由结构面形成的。为此根据钻孔截面和空区形成的先后关系，给出了2 条推测冒落线(图6)，其中的推测冒落线1 是按钻孔的实测斜面倾角绘制的，而推测冒落线2 是按空区形成的先后关系绘制的。

图5 Ⅹ线孔底部初次冒落监测图像Fig.5 The first caving of hole bottom of line Ⅹ

图6 中的推测冒落线2 是有可能出现的对边坡极不利的冒落情况，而且如果出现这一情况，空区有可能一次冒透地表。相反，如果空区顶板按冒落线1的形式冒落，需要经历中间冒落过程才能冒透地表。为观察与监测冒落线形状，打开空区边缘废弃封堵的350 m 平硐进行调查，发现350 m 平硐没有冒落，所以本次冒落按照冒落线1 形状冒落。

2010 年4 月1 日空区在大爆破后发生第2 次冒落，冒落后Ⅹ线测孔位置顶板为46.7 m 厚，Ⅷ线为56.4 m 厚。依据监测图像(见图7)，计算得出，在剖面线方向上，Ⅹ线钻孔端部的斜面倾角为1.1°，Ⅷ线钻孔端部的斜面倾角为23.5°。

图6 Ⅹ线初次冒落线推测图Fig.6 The presumed graph of the first caving line of line Ⅹ

图7 RG 井下电视监测冒落界限Fig.7 Caving boundary of gob roof with RG downhole TV

同时，对空区边缘350 m 平硐再次调查，发现350 m 平硐没有冒落，长度未发生变化，且平硐围岩节理裂隙没有显著变形。根据采空区边缘+350 m平硐现状，结合图6 的推测结果分析得出，Ⅹ线钻孔的冒落截面与采空区整体冒落面一致的可能性较大，即在Ⅹ线剖面上，最大可能的冒落线形状应如图8 所示。对于Ⅷ线钻孔揭示的信息，根据空区形态和钻孔截面倾角，同时参考图8 的冒落线型，推测得出的Ⅷ线剖面上的冒落线形状见图9。

图8 Ⅹ线空区冒落线推测图Fig.8 The presumed graph of the caving line of line Ⅹin the gob

图9 Ⅷ线空区顶板冒落线推测图Fig.9 The presumed graph of goaf roof caving of line Ⅷ

Ⅹ线监测孔处顶板岩体高度为78 m，从Ⅹ线2次冒落过程来看，第1 次冒落13.3 m，即在64.7 m厚度处，位于顶板第1 段稳定岩层界线基本吻合，第2 次冒落至46.7 m 处，与第3 段稳定岩层界线处，与初始监测孔壁岩体完整性分析结果基本一致。2 次批量冒落后，使得空区顶板岩层厚度变小，仅为40 ～50 m，所剩的顶板岩体强度低且稳定性条件差。此外，根据监测钻孔图像数据，空区冒落线已经接近无裂隙破碎带边缘，再次冒落可能快速冒透地表。

2 RG 监测系统在控制空区冒落上的应用

RG 井下电视监测结果表明排山楼金矿采空区处于活动状态，为确保近露天坑边坡不变形、不裂缝、不塌陷，要尽早采取有效的空区处理措施，与此同时根据冒落线形状提出如下技术措施限制采空区尺寸维持空区顶板的稳固性。

(1)留设“L”型安全维稳矿柱。沿矿脉走向留设10 m 宽的安全矿柱，隔断上下中段(+275 m 水平与+225 m 水平)空区，防止其相互连通，限制空区在垂直矿脉走向上的跨度。另外，为提高原10 m 宽矿柱自身的稳定性，适应活动空区可冒性特征，在VI 线附近留下10 ～12 m 宽矿柱，使之与原走向10 m 矿柱形成完整的“L”型支撑结构(见图10)。由于VI 线矿柱位于空区正下方，局部支撑空区顶板。当活动空区再次冒落时，顶板冒落碎胀散体直接堆落于VI 线矿柱之上，形成软硬岩柱支撑空区顶板，限制空区继续冒落。空区充填后，可依靠充填散体被动高挤压力作用，连同L 型矿柱有效支撑空区围岩，维护活动空区稳定性。

图10 L 型矿柱及回采方向示意Fig.10 L-shaped pillar and the stoping direction chart

(2)协调矿石回采与废石充填作业。空区之下矿石回采过程中，通过对漏斗出矿量的控制，使矿岩接触面保持水平，减少矿石损失贫化。同时，采用大块废石充填空区，为矿石回采提供良好覆盖层，且充填作业要随井下矿石回采持续进行，稳固空区围岩。

(3)爆破参数控制。针对空区围岩对爆破震动的不良反应，采用多分段起爆，同段起爆的炸药量控制在1.5 t 以下，单排炮孔为一段。当单排炮孔炸药量超出1.5 t 时，可根据排面炮孔形式进行排内分段，以减小一次起爆段的炸药量。此外，在紧邻走向矿柱的T4 －16 采场凿岩巷道东侧位置开切割槽，使爆破冲击方向背离走向矿柱。

(4)规范回采。基于空区顶板冒落现状，以由东向西、内向外的退采顺序，先回采VI 线矿柱以东采场，以西采场从北向南回采(如图10 所示)。同时，停止空区下盘侧小矿体的回采工作，保证空区下盘基岩的完整性，减小对空区顶板的震动影响，待空区治理后再予以回采。

(5)调整尾矿排放方向。由于空区临靠露天北帮，尾矿尽可能向南侧或东南侧方向排放以减小对露天坑北侧边坡岩体的附加压力，从而保护井下空区围岩的稳定。同时，对露天边坡铺厚层黄土和挂防渗布，防止尾矿库内积水渗入井下。

3 结 论

(1)通过空区顶板的钻孔，利用RG 井下电视系统，监测围岩的变形或位移，或是观察断裂线的发育状况，可推测地压活动状态与失稳后的冒落形式。

(2)2 监测孔岩壁裂隙图像说明在监测孔下部空区顶板10 m 以上的20 m 范围内节理裂隙较发育，裂纹较多，岩体较破碎。其下部存在3 ～4 层稳定岩层可作为冒落的控制层。

(3)根据冒落线形状提出了留设“L”型安全维稳矿柱、封堵、协调矿石回采和充填作业、控制爆破参数和调整排尾砂方向等维护顶板稳固性的技术措施，可有效控制空区尺寸，延缓空区冒落时间，为最终的充填处理空区措施争取的宝贵时间。

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