某铁矿采空区安全监测及预防技术研究

李全中

(铜陵市安铜井建工程有限责任公司，安徽 安庆 246131)

某铁矿采空区安全监测及预防技术研究

李全中

(铜陵市安铜井建工程有限责任公司，安徽 安庆 246131)

介绍了某铁矿大面积采空区现状，针对大面积隐患空区的存在，采用顶板监测、地压监测、地质雷达监测等先进技术相结合的方式对采空区进行全方位监测，成功地掌握了空区围岩地压活动规律，有针对性的制定破坏性危害预防措施，提前预测空区危害的发生，保证了深部规模化采矿的安全，对国内外类似矿山开采的安全、高效开采提供了重要借鉴意义。

地压活动；顶板监测技术；地压监测技术；地质雷达监测技术

多年来，某铁矿矿床一直采用无底柱分段崩落法开采，目前，矿井下已开采2个中段，预留上覆岩层随着开采深度的下降，上部已经形成大量采空区，由于空区规模较大，此部分的空区顶板支撑能力随着时间的推移已经恶化，经常发生顶板垮落等破坏，从而导致空采区失稳、顶板冲击地压及地表塌陷等地质灾害。一旦发生大面积垮落冒落将对下部开采造成重大安全事故，地表也会出现大的沉降，对地表建筑物造成破坏，因此，上覆岩层顶部采空区安全隐患如何监测及预防已成为目前该矿山安全生产的一大难题[1-2]。

1 工程概况

1.1 工程地质条件

该铁矿床属于层控沉积—热液迭加改造型铁矿矿体规模属大型—巨大型。矿体水平投影形态为不规则矩形。长2188m，宽512m。矿体埋藏在-270～-510m标高内，矿体形态简单，呈层状、似层状，局部分支复合。矿体厚度为20～40m，平均为27 m，属较稳定型。矿体厚大部位主要集中在东区1～9线间纵21线两侧。矿体厚度总的变化特征是:横向上由北向南逐渐增厚，纵向上由西向东逐渐增厚(西区平均垂厚23.78m，东区为31.67m)，趋于均匀变化特征。富矿带形态变化特征与整个1号矿体基本一致，主要呈层状，局部透镜状，具分支复合特征，矿体近水平，略有起伏。

1.2 采空区现状

截至2010年4月1日，生产所形成的空区有3个，其中矿区勘探线8～8-6线暴露面积5600m2，勘探线4-6～5线暴露面积76000m2，空区体积130万m3，空区暴露平均高度16m，随着采矿工作的深入，空区暴露面积及空区高度还将会进一步地扩大。

2 采空区处理方案及安全监测技术

该矿采用封闭采空区防治空区灾害，封闭隔离采空区没有改变空区形态和空区应力状态，在矿山采动影响及时间效应下空区应力状态可能逐步恶化，空区形态可能发生较大变化；采用顶板监测、地压监测、地质雷达等综合监测技术，全方位监测空区形态和应力变化，若采空区发生灾害性趋势，需要采用重置隔离墙或充填空区等技术手段进行防治。

2.1 采空区预防处理方案

目前采空区空高高度已经较高，需要对空区各通道进行处理，根据矿山生产实际，目前可行的处理措施隔离采空区，即是封闭采空区与外界贯通的通道，留设一个专门通道与地表相通，一旦采空区顶板围岩发生大面积垮落，产生的冲击气浪可以从该通道排至地表，以保证深部采矿作业人员及设备的安全。

1)岩石阻波墙。崩落需要设置封堵墙位置的围岩，利用崩落岩石封堵巷道，其填充长度一定要满足抗击冲击波的要求见图1。

图1 岩石阻波墙示意图

2)混凝土阻波墙。对离空区相对较近的重要构筑物或主要通道，采用混凝土阻波墙。

根据矿山生产实际，该铁矿主要采用岩石阻波墙与混凝土阻波墙相结合的方式进行处理。目前所有通往采空区的通口均封闭完毕。

2.2 采空区顶板监测技术

为有效掌控岩层变化基本数据，监测分析采空区顶板冒落规律，能更为科学的进行采空区管理、采矿方法研究、采场出矿管理和损失贫化的工作，在地表共设计和施工了4个钻孔，目前有两个钻孔与采空区顶板勾通。通过JSP-1视频测井仪器和JJY-1D数字井径仪监测采空区顶板高程、碴石堆积高程，然后推测采空区顶板稳定性[7-8]。

通过前后监测数据推断，其中8～8-6线冒落高度7.3m，4-6～5线冒落高度10.4m，再与回采矿体的空区状况测算对比，空区目前剩余高度为8～8-6线平均空区高度8.2m，4-6～5线平均空区高度5.1m。同时根据监测报告所显示，缓冲层厚度满足于两个分层厚度。

2.3 地压监测技术

光弹性应力计在我国矿山已经比较成熟，现场应用技术成熟，数据分析可靠性大幅提高，是目前围岩应力监测的主要方法。光应力计是一种测量岩体应力变化的元件，借助于砂浆或其它粘结材料，粘结在岩体的钻孔内，使它的外圆周界面与孔壁紧密接触。采用光弹仪可进行观测，再对照标准条纹图，依据弹性力学理论和光学定律可计算出岩体二次应力变化情况，具体见图2。

图2 光应力计工作原理及计算点分布示意图

如图3所示，各测点围岩作用在光弹应力计上的应力非常小，并且主应力的倾角还很难确定，这一结果说明采空区顶板岩层移动小，没有发生大面积来压的现象，通过大量监测得出：该铁矿地下采矿活动引起的二次应力场变化情况不明显，在目前这种状态下，矿区整体是处于稳定的。

图3 光弹性应力计现场监测图

2.4 GRESWIN2地质雷达监测技术

探地雷达作为工程物探检测的一项新技术，由于其具有连续、无损、高效和高精度等优点，可以探测无法进入的空间(图4)，目前已经逐渐引入地下矿山空区探测方面，通过对接收的反射信号进行处理和图像解译，达到识别隐蔽目标物的目的[9]。

图4 探地雷达工作原理示意图

该技术应用后，数据处理结果见图5。由图可以看出，巷道顶板12m位置，反射波变化明显，且有好几处存在间断的反射波，可能是棱形矿岩与松散垫层分界面。12～36m以上均未见强烈的反射波，且介质相对较均匀，得出从棱形矿岩以上直到36m以上均可能为松散的矿岩垫层，垫层厚度至少25m，满足安全生产要求。但是，随着空区体积的增大，相应的空区预防处理措施需要有针对性的制定与实施。

图5 典型剖面监测示意图

3 结 论

为预防大面积采空区所带来的危害，本文采用“封闭+监测”的技术手段处理空区。封闭隔离采空区进行灾害防治，并采用先进的顶板监测、地压监测、地质雷达监测等技术手段结合的方式全方位监测采空区，预知空区形态及应力状态变化，进而采取相应的防治措施，预防顶板冒落所产生的压缩气流和冲击震动、采空区陷落、地压应力对周边及地表所构成的影响。

1)为防止压缩气流的伤害，通过用岩石阻波墙和混凝土阻波墙，并在墙体内留设不超过0.5m2空隙，此空隙用于释放顶板小面积冒落所产生的压缩气流和利于今后监测设备深入采空区观测。

2)为防止冲击震动的伤害，通过采场出矿量的控制和地质雷达、地表观测孔等，保证缓冲层留有足够厚度，使顶板冒落的岩石落在缓冲层上，而不至于落在未崩的整体岩层上，这样尽可能降低下部工程的破坏。

3)采用先进技术手段对空区进行全面监测，实时掌握采空区应力、岩移变化规律，空区发生趋害变化时，可采用重置隔离墙或充填空区等技术，提前预防灾难性危害的发生。

[1] 李中林.矿山岩体工程地质力学[M].北京：冶金工业出版社，1987.

[2] 方春根，李不骄.天马山硫金矿段地压监测分析与控制[J].黄金，2009，30(10)：29-32.

[3] 徐必根，王春来，唐绍辉，等.特大采空区处理及监测方案设计研究[J].中国安全科学学报，2007，17(12)：147-151.

[4] 饶运章，冯环.马坑铁矿地压监测的必要性研究[J].矿业研究与开发，2007，27(5)：29-30.

[5] 王秋衡，袁慧珍，刘美英，等.矿山地压灾害的安全预测与预报研究[J].有色金属：矿山部分，2005，57(4)：20-22.

[6] 尹彦波，李爱兵.矿山地压灾害预警及预警模型可视化研究[J].采矿技术，2010，10(2)：34-35.

[7] 余乐文.FBG传感技术在矿山地压监测中的应用[J].有色金属：矿山部分，2012，64(5)：9-12.

[8] 黄应盟，邓金灿，毛建华，等.高峰矿区100号矿体采空区治理与地压监测研究[J].矿业研究与开发，2000，25(3):18-25.

[9] 张耀平，董陇军，袁海平.新型探地雷达设备在采空区覆盖层厚度探测中的应用[J].中国矿业，2011，20(4)：114-118.

Research into the security monitoring and prevention technologies of a iron mine goaf

LI Quan-zhong

(Tongling An Tong Well Development Limited Liability Company，Anqing 246131，China)

The paper introduces a large area cavity status.For a large area of the existence of hidden cavity，we combined the advanced the roof monitoring technology，geostatic pressure monitoring technology，geological radar monitoring technology to monitor all-round the cavity.Then we successfully mastered the cavity surrounding rock pressure activity law.So we can be targeted to develop the destructive damage prevention measures，to predict cavity hazards，to ensure safety in deep scale mining.The technology can provide an important reference on the domestic and foreign similar mining safety and high efficient mining.

geostatic activity；roof monitoring technology；roof monitoring technology；geological radar monitoring technology

2014-12-10

李全中(1967-)，男，采矿工程师，主要从事采矿技术与管理工作。E-mail：529730064@qq.com。

TD178

A

1004-4051(2015)06-0098-03