地压监测在里伍铜矿的实际应用获奖科研报告

地压监测在里伍铜矿的实际应用获奖科研报告摘

要：井下地压监测自2014年9月开始，到2019年12月止，已经获得了大量的观测数据。利用这些监测数据，可以实际有效的了解里伍铜矿各采空区矿柱、巷道及采空区地压活动情况，形成一套完整的监测系统，及时准确掌握采空区周边围岩变化情况及井下地压变化情况完善矿山安全监测控制技术，预防灾害事故，确保安全生产。

关键词：里伍铜矿;地压监测;应力计;声发射

一、里伍铜矿矿山概况及地压情况现状

里伍铜矿床位于松潘甘孜地槽褶皱系的南部边缘康滇地轴西侧，江浪背斜东南翼近轴部的倾没部位。矿体产于古生代志留泥盆纪里伍带的一套泥砂质沉积中深变质岩中，共有26个工业矿体，成群出现。矿区内有上、下两个主矿化蚀变带，上部矿化蚀变带主要产在SD12-2（5）和SD12-2（6）中，含A、B矿体;下部矿化蚀变带主要产在SD12-2（4）中，含D、E矿体。两矿化带垂直间距20～400m，平面分布上A、B矿体在南，D、E矿体在北，间距700m。矿体形态多呈似层状和透镜状，受层间裂隙、次级褶皱、岩层片理、岩性等综合因素控制，致使矿体形态也有呈叠瓦状、分枝复合状;垂向上平行重叠，纵横向上互相超覆;倾向南东，倾角20°～25°。

矿体厚度一般在1～3m之间，变化范围为0.21～17.43m，平均厚度为2.43m，普氏硬度系数f=10～12，平均体重3.1t/m3;围岩普氏硬度系数f=12～14，体重2.6t/m3。矿区范围内出露的岩石主要有4种类型，加上矿石共5种岩性。围岩主要为石英岩、石英片岩、斜长角闪岩、云母片岩;矿石类型主要有致密块状、条带浸染状、网脉团块状等。

该矿由兰州有色院设计，采用平硐-盲斜井聯合开拓。设计生产规模25万t/年，铜金属量6000t/年。全矿共划分24个中段，自2860m中段至2400m中段，中段高20m。采用中段压入式对角通风及自然通风，自流排水，局部抽水。设计采用先上盘后下盘、自上而下、自西向东后退式回采，主要运用全面法、房柱法及底盘漏斗崩落法开采。自1994年试采B4矿体至今，里伍铜矿已生产近20年，累计采出矿石600余万吨，日处理规模也由500吨/日提升到1200吨/日，截止2013年底，里伍铜矿井下采空区面积约为69万平方米，并以每年6万平方米的速度增加。

随着开采范围的增加，井下采空区不断扩大并连成片，岩体初始的应力平衡状态早已被打破，部分采空区周围岩体中的次生应力已大于岩体的极限强度，导致岩体破裂及岩移活动，频现各种地压活动现象，并日趋加剧。目前主要表现为：岩体变形并发出响声，矿柱压裂破碎，矿房顶板下沉断裂成层状冒落，底板开裂鼓起，岩层沿弱面顺走向或倾向滑移，开拓采切巷道片帮断顶，地表开裂，山体沿海底沟和江浪沟向崩塌，造成一系列地压灾害。

地表悬浮破碎岩体及岩崩堆积区一直在不断扩大，江浪沟岩崩区和海底沟侧岩崩区在拖泥山尖交汇相连，井下2640～2680中段平巷多处冒顶片帮并造成堵塞，空区时常自然冒落，现生产中段及回采作业点频现冒顶片帮现象，甚至新开采切工程亦出现断顶片帮现象;地压岩移活动频率越来越高，已造成矿山贫化损失加大，给生产中段及整个矿山生产系统构成很大的安全威胁，是一个潜在的地压灾害安全隐患。

为了防止矿山大范围岩体冒落或垮塌等灾害性地压事故的发生，保障井下生产安全，建立地压监测网，开展地压监测工作是十分必要的，对保障里伍铜矿安全生产和提高矿山安全生产管理水平，都是十分重要的。

地压监测的目标是：尽可能掌握地表岩层移动规律和井下岩体稳定性的变化情况，对可能发生的采场地压灾害和大面积岩体失稳事件进行预测预报，以避免灾害事故的发生，指导矿山安全生产。

二、地压监测方式及选择

2.1常用地压监测方式概述

常用的地压监测方式包括应力监测、变形（位移）监测、光弹监测、声发射监测、微震监测和弹性波测试等。

应力监测就是通过在现场布设监测点，也就是在现场布设压力传感器，矿柱或采场顶板中的应力将随着回采进程不断变化，压力的变化引起压力传感器中的钢弦张力发生变化（弦式传感器）或液压的变化，通过压力表或特殊的读数仪，可以确定测点的压力变化量，从而掌握地压的变化规律，可以实现提前预警的目的。常用的压力监测仪器有钻孔应力计、压力盒、压力枕等。

变形（位移）监测就是通过在现场布设监测点，监测巷道、采场周边或岩体内部随回采进程变形（位移）的变化情况。位移监测主要有机械式和电测式两种类型。机械式位移计，如多点位移计，通过动点和不动点之间的长度变化，确定岩体或采场顶板的变形量，一般适用于变形量较大的情形。电测式位移计，如差动式多点变位计、弦式钻孔位移计、顶板离层报警仪（或顶板沉降仪）等，通过弦式或电阻式传感器，将位移（变形）信号转化成电信号，采用专用的读数仪（如电桥等）读数，灵敏度高，精度也较高，适宜于小变形的精密测量。

另外，当井下存在大面积采矿活动，且埋藏不深时，可能影响上覆岩体甚至地表，因此，可以通过地表沉降观测，监测地表沉降变形的速率，一般采用精密水准仪（如N3）、经纬仪（T3）、全站仪等，通过对一系列测点的长期观测，绘制地面沉降曲线，也可以掌握地面沉降变形规律。近年来，全球定位系统（GlobalPositioningSystem，简称GPS）也被用来进行地表位移观测，但要求的精度要高（目前，采用差分GPS静态观测可以达到毫米级），即使用高精度的GPS仪进行地表岩移观测，不过单点的观测时间至少需要半个小时以上。

光弹监测实际上是应力监测的一种，利用特殊玻璃材料在不同应力条件下显示不同的应力条纹级别，从而确定应力变化的一种应力监测方法。过去多用于实验室内的应力研究，也有用于井下应力监测的，主要仪器有光弹应力计配专用偏光镜等，测量精度一般不高。此外，目前光弹应力计的生产厂家也很少。

声发射技术（AE）用于井下地压监测是利用岩石破裂过程中往往伴随声波信号的这一特点，根据声发射事件的强度，判断岩石破坏程度，确定岩石破裂地点，对大规模顶板冒落事件提供预警。国内岩体声发射技术的应用始于上世纪70年代，我国已有多家单位开发过相关的监测仪器，目前该项技术已广泛应用于硬岩矿山的地压监测预报实践中，并已积累了大量的较为成功的使用经验。

微震监测是利用岩石破裂过程中由于弹性应变能的释放，往往伴随着弹性地震波的发生，采用多点监测，可对微震事件进行定位，进而确定岩石破裂部位，根据微震事件的强度，可对大规模地压活动提供预警，特别是对岩爆事件的预警。一般采用光纤传输，可实现24小时全天候实时监测。

弹性波测试是利用弹性波在岩体内的传播特性来测定岩体的弹性常数、了解岩体的某些物理力学性质、判断岩体的完整性和破坏程度等的一种测试方法。由于弹性波在岩体中的传播速度有某些规律可循，所以，弹性波测试已较为广泛地用于采矿和地下工程的地压观测中。不过，由于在使用过程中需要有一定的技术，在一定程度上限制了该项测试方法的应用和发展。

2.2里伍铜矿地压监测项目和内容的确定

里伍铜矿矿体埋藏深度不大，约为20～350m，井下大面积的开采已经波及地表，造成地表出现多次塌陷。且由于矿体两个面出露于陡崖，地表塌陷时往往引发陡崖崩落，危害极大。为了对地表大面积塌陷进行有效的预测预报，需要对地表岩移情况进行监测。

地表岩移监测也叫地表沉降观测，一般采用精密水准仪、经纬仪和全站仪等，但使用这些观测仪器时要求地表的通视条件要好，否则需要加密点位，增大工作量。里伍铜矿地表有大量的树木和杂草，通视条件不佳，近年来发展的全球卫星定位系统（GPS）受地表通视条件的限制较小，且其测量精度已经达到毫米级，按说可使用GPS仪进行地表岩移观测，但是，GPS静态观测需要的时间过长，动态观测的精度又不够，因而，目前GPS用于地表岩移观测还不太成熟。相比较而言，全站仪更为合适。

矿区地层由一套中深沉积变质岩系组成。开采范围内出露的岩石（围岩）主要有4种类型，加上矿石共计5种岩性。4种围岩分别是石英岩、石英片岩、斜长角闪岩和云母片岩。矿石的普氏硬度系数f=10～12，围岩f=12～14。矿石和围岩的稳定性良好，属稳固类型的岩石。除断裂带及其两侧岩石以及近地表风化带需支护外，一般不用支护。

声发射技术（AE）在硬岩矿山的应用效果较好。里伍铜矿岩体坚硬，声发射现象明显，适宜采用该种监测方法。国内岩体声发射技术的应用已有40年的历史，国外的时间更长，目前该项技术已广泛应用于硬岩矿山的地压监测预报实践中，并已积累了大量的使用经验。根据里伍铜矿的岩体情况，应该优先使用岩体声发射监测方法。

压力监测使用的仪器通常有钻孔应力计、压力盒和压力枕，但对于矿山岩体而言，一般采用的是钻孔应力计。钻孔应力计最初应用于煤矿，由于使用便利目前也广泛应用于非煤矿山中。经过多年来的使用实践，认为钻孔应力计是非常适合金属矿山的，特别是硬岩金属矿山。里伍铜矿适宜使用钻孔应力计监测。

由于光弹应力计精度略低，弹性波测试有一定的技术要求，而微震监测技术系统复杂，井下探头和通讯电缆多，系统维护工作量大，所需专业水平较高，投资也大，考虑里伍铜矿较复杂的井下环境，不利于这些监测方法的实施。

根据里伍铜矿的具体情况，确定其地压监测方针为：井下地压监测和地表岩层移动观测一并进行;以井下监测为主，地表观測为辅;井下地压监测以岩体声发射监测为主，应力监测为辅。

岩体声发射监测采用DYF-2型智能声波监测多用仪。该仪器由长沙矿山研究院研制，技术先进，性能可靠，已有多年的应用历史，且使用效果较好。应力监测则采用常规的钻孔应力计。地表岩移观测采用全站仪。

此外，当岩体出现明显的开裂现象之后，可以对岩体裂缝开展宏观观测。地压宏观观测通常包括裂缝观测、声撞击和人工听声等，可作为仪器观测的有益补充。

依据前述地压监测方案制定的基本原则和地压监测方针，确定里伍铜矿地压监测的项目和内容如表1-1所示。

三、地压监测在里伍铜矿的实际应用

3.1声发射监测

根据里伍铜矿井下条件，声发射项目主要采用便携式的声发射仪进行采场岩体稳定性监测，通过监测矿山开采过程中岩体声发射参数的变化情况，进而推断采场顶板和矿柱的破坏状况。

进行岩体声发射监测时，一般是通过与岩体紧密接触的探头接收岩音信号。仪器以数字自动显示岩音事件总频度、大事件频度和能率等监测结果。总频度是岩体出现微观和宏观破裂速率的重要标志，破裂速率增长，总频度必然激增;大事件占总频度的比例预示岩体内部应力集中的程度及其变化趋势;能率是岩体破裂速度和尺寸的重要衡量标志，是供综合分析的一个最基本参量。

实际监听现场作业中，生技部现场人员携带仪器至布设声发射监测点。一个监听孔每次监听5分钟以上，每5分钟记录一次结果。监听时，除记录岩音频度外，还应注意声响大小、音色差异以及其它地压现象，以便综合分析研究。根据现场地压情况而定，通常情况下，15天监测一次，若地压不明显，监测周期可以适当延长，若地压较明显，特别是当能率显示数值较大且有跳跃变化时，则应缩短监测周期，增加监测次数。

为使声发射监测仪能准确地预报地压事件，应采用合理的监听网，建立合理的监听制度，坚持长期、连续、定期的监听，以便获得预期的监听效果。

监听现场记录的数据汇总到岩体声发射监测记录本，将其填入统计表中，然后可将统计表中的数据作成有关直方图、曲线图等。根据岩体声发射监测数据的变化趋势，判断岩体的稳定性状况。监测数据明显趋于上升时应作出预报。

3.2钻孔应力监测

钻孔应力监测主要用于测试巷道岩壁及矿柱内次生应力场的应力变化情况，其测试结果为相对应力（即应力变化值）。目前用于钻孔应力监测的仪器主要有钻孔应力计和光应力计两类。考虑到目前光应力计很少生并结合里伍铜矿生产实际情况，确定采用钻孔应力计。

在实际监测现场作业中，生技部现场人员携带应力计监测仪器至布设应力监测点。主要监测内容为矿柱及巷道（或采场）岩壁次生应力场的变化情况，记录相对应力（应力变化值）。为方便监测需要，一般与声发射监测周期相同。

监测现场记录的相对应力（应力变化值）数据汇总到地压监测应力计记录表，根据相对应力的变化计算出应力增量。通过应力变化趋势，判断岩体的稳定性情况。

3.3宏观监测

地压宏观观测通常包括裂缝观测、声撞击和人工听声等。

（1）裂缝观测

岩体裂缝观测是地压宏观监测的最直接方法，通常用肉眼观察，也可使用相应仪器。地压来临前，通常会在其附近产生裂缝，观察裂缝变化可以最直观地了解地压的发展动态。可在裂缝处埋设玻璃片，以便于量测和判断岩层的移动方向。

（2）声撞击

即矿山常用的“敲帮问顶”法。其原理是：岩石受到外来撞击时，由于振动而发声，脱离母体的危岩，其振动频率较低，发出的声音比较沙哑、低沉;而整体岩石则发出清脆响亮的声音。

（3）人工听声