矿山地压监测讲解

矿山地压监测

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重庆大学自动化学院二O一三年五月

前言

矿山地压是矿山生产活动中一种常见的自然现象。金属矿山的矿体形态万千,多数存在于坚硬、脆性的岩层中,岩体结构完整而节理裂隙发育。在完整和比较完整的岩体中可积聚有很大的弹性应变能。当连续开采面积达到一定范围,就会超过地下工程构件的极限承载能力,矿山整个系统就不可避免地遭到破坏,引起岩层塌陷,酿成灾害。

由于采场地压受各方面影响因素较多,采场地压控制已成为空场采矿法开采工艺的关键环节。为了经济、合理地回收矿物资源和处理采空区,降低开采成本,延长矿山服务年限,促进采矿技术的交流与进步,并为矿山生产提供理论指导,必须对地压进行有效的监测和治理。利用和控制好地压,对于确保安全、经济高效地开采地下矿产资源预防地质灾害,具有重要意义。

一、地压的定义

地压是泛指在岩体中存在的力，它既包含原岩对围岩的作用力，围岩间的相互作用力，又包含围岩对支护体的作用力。地压的大小，不仅与岩体的应力状态、岩体的物理力学性质、岩体结构有关，还与工碜壮质、支护类型及支护时间等因素有关。地压会引起围岩及护体的变形、移动和破坏，称为地压现象。在脆性岩体中，可能发生冒顶、片帮等围岩的破坏现象；在塑性岩体中，表现为巷道顶板下沉、两帮突出、底板鼓起等现象。

当围岩中的应力不超过其弹性极限时，地压可全部由围岩来承担，井巷可以不加支护而能在一定时期内维持稳定。当围岩中的应力超过

了围岩强度极限时，为了维护井巷断面形状，并保持其稳定，必须采取支护，这时的地压是由围岩和支护体共同承受。可见，作用在支护体上的压力仅是地压的一部分。

二、造成矿山灾害性地压活动的主要因素]1[

根据灾害性地压活动方式, 可以分为渐进式和突发式的两类。第一类型是在矿岩不属于坚硬的条件下, 采空区的岩层垮落是渐进的过程, 利用普通的地压观测手段和岩层控制技术, 完全可以掌握地压发展趋势, 采取相应的对策, 而不致于造成矿山地下工程的重大破坏。第二类型是在矿岩属于坚硬的条件下, 矿山开采后, 将会在岩体内形成众多的连续或非连续的采空区, 在空区顶板岩层尚未出现垮落时,可称之为稳定的采动区域。但是, 当开采空区达到其岩层本身难以承受的某一应力或变形极限值时,支撑矿柱或顶板岩层就会产生突然的大量垮落, 采空区内原来存有的空气被突然急骤地撞出而造成巨大的暴风, 这一风暴的冲击力很大, 波及到开采区域四周的矿山开采系统, 导致人员伤亡, 设备毁坏, 酿成灾难。

产生灾害性地压活动的主要因素有原生的和人为的两大因素。原生的因素有岩体性质、岩体节理、层理、裂隙和断层形式及其分布状态、岩体赋存条件、原岩应力和地下水等; 人为次生的因素有采矿方法、空区大小形状及其分布状态、空区自身相互关系及其与矿山工程的相互关系、爆破冲击载荷和时间因素等等, 诸多影响因素中, 导致灾害性地压活动的最根本原因是大量的连续的采空区的存在, 换句话说, 采空区是灾害性地压活动的主控因素。矿山地压实例表明, 在不同矿山

和不同开采区域内, 即使采空区面积相同, 而其地压表现形式、剧烈程度和地压活动时间也不尽相同, 这是由于采空区大小和形状以及其相互位置对产生大面积地压活动起着相当重要作用的结果。

三、监测的主要目的和任务

1掌握回采工作面上覆岩层运动规律，确定需控岩层范围，建立回采工作面支架与顶板相互关系，进行基本顶来压的监测预报。根据回采工作面顶板来压的特点提出合理的顶板控制措施，如支护方式、支护强度、特种支护和回采工艺等，为工作面高产、高效、安全创造条件。

2划分回采工作面煤层直接顶的类别和基本顶的级别，为支架选型和确定其合理技术参数提供依据。

3对正在使用的新型支架的适应性进行考察。即从矿山压力控制的角度对既定条件下使用的支架从形式、也正、参数和使用效果等方面进行效应性评价。研究提出合理的支架结构、架型、工作阻力和支架可缩量等。

4研究分析回采工作面底板破坏规律。对工作面底板进行分类，并提出松软地板控制技术措施，达到提高支护质量的目的。

5研究掌握采动影响和支撑压力分布规律。包括改进相邻采区或近距离煤层的开采顺序、确定煤柱的合理位置和尺寸，确定回采巷道断面形状、规格及支架参数，确定煤壁前方巷道加强维护范围、沿空留巷和沿空送巷的支护措施，确定回采工作面端头支护技术措施等，以便保证安全生产，提高资源采出率，提高技术经济效果。

6握巷道围岩活动规律，实现围岩控制的科学化。包括：选择巷道开掘的合理位置和时间，确定围岩松动范围，研究巷道围岩变形规律，进行围岩稳定性分类，确定合理的巷道支护形式。支护参数，对巷道。硐室的稳定性进行监测预报。

7用采掘新工艺、新技术（包括新采煤方法、新支护形式、新工艺组织等）进行资料积累，从矿山压力角度对应用效果提出评定性意见，例如研究和评价厚煤层放顶煤开采的顶煤可放性等。

8采掘工作进行支护监测。其任务包括：监测日常生产过程中支架工作质量、围岩活动情况、安全隐患情况等与安全生产有关的技术因素，监测和评价支架的实际支撑能力，已达到保证采掘工作面支护质量良好，安全生产可靠的目的，在保证采掘工作面顶板安全的前提下充分发挥支架的有效工作阻力。

9、决矿山压力与围岩运动方面的难题。监测分析回采工作面矿山压力分布和围岩运动规律、巷道大变形特性，从矿山压力与围岩控制原理出发，探讨如回采工作面坚硬顶板和破碎顶板的控制技术、软岩和动压巷道大变形控制技术等问题。

10、究冲击地压等矿井动力现象的综合防治技术。包括冲击地压的监测、危险区域的划分、煤层注水和松动爆破措施的制定、开采解放层的设计等。

四、矿山监测的方法

1光弹应力技术的应用- 光弹应力计( 长沙矿冶研究院)

方法: 通过光弹应力计与数码相机配合, 得到各测试点的应力照

片, 通过对比条纹级别的增加与减少, 来判断应力的分布情况。从而达到监测地压的目的。

光弹性应力计(简称光应力计)是监测围岩应力变化的一种简单可行的有效方法且能长期观测。光弹性方法分为二类: ①室内光弹性模拟,解决己知载荷条件下工程结构的应力分布问题; ②现场观测所用的光应力计和光应变计,它是上述方法的逆过程,即通过观测到的应力条纹(应力分布状况)反求受力状态(载荷值) 。

2电磁辐射技术的应用- 电磁辐射仪( 中国矿业大学)

方法: 岩石电磁辐射是岩体受载变形破裂过程中向外辐射能量的一种现象, 与岩体的破裂过程密切相关。电磁辐射信息综合反映了冲击地压、岩爆等岩石动力现象的主要因素, 电磁辐射强度主要反映了岩体的受载程度及变形破裂程度。脉冲数主要反映了岩体变形及微裂的频次。

(1)仪器所受到的干扰因索主要有电机车、电动铲车等,设备在工作中由于电流的变化而产生的电磁辐射对仪器在监测中能够造成干扰。比较而言,地音仪,干扰因素要小得多。(2)能量每天都在重新分布。只是有外因诱发的时候变化的幅度要大、要明显。总体上讲,有能量释放时,强度值趋于平稳,能量在重新分布时会使测点周围的应力增加,达到下一个平衡点。当监测点的强度值有大幅度的升高或是降低,是应力重新分布、能量重新平衡的过程,也是可能发生地压显现的时期,也是引起观测者关注的时期。(3) 观测者在监测中将能量的预警强度值暂定为100,绝大部分测点的监测值均在预警值以下,观测者暂定的预警值还没

有很好的依据,还需要观测者在长期的监测中,同时考虑不同的监测点,不同的地质条件。不同的外界诱因等多方面的因素,进行论证,得到更可靠的临界值作为预警预报值。

3爆破震动测试的应用- 爆破震动仪( 东北大学)

方法: 采用TOP508S 振动信号自记仪, 爆破前试验人员将测震盒带入巷道中, 通过测震预埋件固定在巷道内, 将记录仪设置在等待采集的状态下, 爆破过程中记录仪自动触发并记录下传感器收集到的地震信号。通过RS232 接口将震动信号输入到计算机上, 进行分析和处理。

实践初步认识: 结合红透山铜矿地下开采爆破的具体情况, 通过现场监测、动态位移反分析和智能神经网络方法, 分别研究爆源在地表和地下两种条件下爆破对地下构筑物的影响, 获得了可靠的数据和一些规律: - 647 中段水平附近区域爆破震动的衰减时间为70~ 100 ms 左右, 只要设计好段间微差时间, 完全可以控制段与段之间的爆破震动的叠加问题。适当一增加段间的微差时间, 使爆破震动不发生叠加, 只要控制好单段的最大药量, 可以放宽对总药量的限制。此外侧帮产生压应力集中, 是剪切破坏的易发区, 巷道的面板局部出现拉应力, 可能引起拉伸破坏。这与巷道的实际破坏现象相符合。

4原岩应力的测试- 应变仪( 中国地质研究院地质力学所)

矿山进行原岩应力测定的根本目的是掌握矿区(采区)各处原岩应力的大小和主应力方向,以便进一步研究采矿技术、采场地压管理及坑道工程的维护。全应力解除法有以下几点。

(1)从岩体的表面向岩体的内部打大孔,直至需要测量岩体应力的部位, 孔径一般为130 ～150mm,钻完后将孔底磨平。(2)从大孔底打同心小孔,供安装探头使用,一般为36～38, 121121,孔深度为孔径的10 倍,孔上倾1°～3°,孔打完后要放水冲洗,保证孔中没有钻屑和其它的杂物。(3)用一套专用的装置将测量的探头固定到小孔的中央部位。(4)用第一步打的大孔的薄钻头继续延深大孔,从而使小孔周围的岩芯实现应力解除,由于应力解除引起的小孔变形或应变由包括测试探头在内的

测量系统测定出并通过记录仪记录下来。

5声发射技术的应用- 智能地音仪( 长沙矿冶研究院)

方法: 探头将感受到的微弱声能并转化为电能,经放大器放大和程控带通滤波器滤波后供A/ D 转换, 并将转换得到的数据存入高速缓冲区内, 同时进行数字滤波, 快速傅立叶变换、波形识别, 并能立刻判断出此信号是否有用的声发射信号。是则记录下此次事件。并将波形存入RAM 盘, 最后送至计算机, 对数据进行分析和处理。

实践初步认识: 应用此设备对于采场和巷道进行了重点监测, 通过仪器本身记录的能量值、事件率、波形图来分析地压稳定的情况。获得了许多关于采场的岩体声发射的资料, 为矿山灾害预测、生产的组织和调整提供了大量的数据资料。随着经验的积累以及仪器的改进, 相信会达到很好的效果。

前景展望: 岩体的声发射是岩石受力作用时, 内部发生了变形或局部微破裂产生了弹性波。根据岩石的声发射的大小、多少和频率可以了解到岩石的变形和破坏的过程。岩石的宏观破坏现象是许多微观

破裂的综合表现。岩石发生破坏主要是与裂纹的产生、扩展及断裂的过程有关。岩石在其微观破裂过程中会产生大量的声发射信息, 研究岩石的声发射特征, 将会有助于岩体工程稳定性的监测和预报工作。深入的研究岩石声发射特征及其规律使我们有可能进一步的弄清岩石的破坏机制、提出新的强度和断裂判据。国外许多矿山及科研院所都在做这方面的研究工作, 我国的长沙矿山研究院对此设备进行了升级和改进, 新研制的St1- 12 型声发射定位系统有效的解决了我们在生产中存在的问题, 在滤波过程及干扰的处理中, 采用了频率开窗、时域开窗和快速Fourier 变换, 使整个监测精度有了很大的提高。此外由于联接电脑主机可以解决全天候监测, 克服了过去捕捉不到临界状态的问题, 使我们建立起岩体稳定性的声发射参数及岩体冒顶临界值的确定方法, 最终建立起预测模型, 及矿山地压监测网, 实现对矿山的井下生产安全工作起到预警预报的作用。

五、声发射技术分析]2[

1声发射与煤岩体损伤破坏的关系

煤岩体声发射是煤岩体破裂过程中产生的弹性波，与煤岩体内部的微裂隙或缺陷有直接的关系。而损伤是煤岩体内部微裂隙或缺陷生长与扩展的结果，因而它与煤岩体内部缺陷的演化关系和生长直接相关。因此，损伤与声发射之间有着必然的因果关系。又由于监测到的声发射分布是一种统计分布，因此，可以建立起损伤与声发射的关系。 若单位面积微元破坏时的声发射率用η表示，则单位面积dA 破坏时的声发射事件数Ωd 为dA d η=Ω （1）

又当整个截面A 。破坏时声发射累积量为0η，则可表示为

000A Ω=η （2）

将产生应变εd 时所对应的破坏截面dA 表示为

εε?d A dA )(0= （3）

式(3)中妒)(ε?为微元强度的统计分布函数——weibull 分布形式，即：)exp()(1α

εεαε?m m m -=- （4）式（4）中m 和α均为常数。将（2）、（3）、（4）代入式（1）并积分得： D dx x x m m m m m =--=??

????-=ΩΩ?-)exp(1)exp()(00100εεεεε （5） 从而可以得到由声发射累积Ω值表示的煤岩体损伤：

)1(0

ΩΩ-=εσE （6） 式(6)表明，声发射累积是煤岩体损伤程度的直接反映。换言之，可以通过监测到的声发射特征来推断岩石破坏演化的类型。而对一个既定的煤岩系统来说，声发射能量水平的高低及其变化规律往往对应着煤岩的不同破坏类型。由此可见，煤岩体在采掘活动的影响下产生不同的声发射类型，与煤岩体的破坏和运动形式有着密切的关系。 2声发射与冲击地压危险性的关系

冲击地压是煤岩体破坏时的一种动力现象。从破坏现象来说，声发射是煤岩微观破裂的一种显现，冲击地压是煤岩体宏观破裂的一种显现，是井下采场遭受到明显可见的突然破裂的现象。构造运动和采掘影响而形成高度应力增高和弹性变形能的储存，是冲击地压发生的

根本原因。因此，在没有采取适当的释放应力和能量情况下，在应力增高采掘工作面，就可能诱发冲击地压。

冲击地压发生的应力、能量准则和冲击倾向性准则如下：

1)应力准则

c σσ= (7)

式中：σ为煤体应力；c σ为单轴抗压强度。

2)能量准则

按以下两式分别计算煤层由于体积变化和形状变化而形成的单位体积的弹性能:222)()1(6)1)(21(H E W γμμμν

-+-= (8) 222)()

1(6)21(H G W γμμφ--= (9) 如果仅考虑重力作用，那么位于深度H 处的单位煤体的总能量W 即为φνW 与W 之和，即：

2)()

1(2)1)(21(H E W γμμμ-+-= （10） 再考虑支承压力区的应力增高系数K ，则式（10）可以写成： 2)K ()

1(2)1)(21(H E W γμμμ-+-= （11） 破碎煤岩体单位体积能量2U 为

)1(2U 0202>=k E

k c σ （12） 按冲击地压能量条件则有：2U W > （13）

3)冲击倾向性准则 1≥H E

E K K （14）

式中：E K 为煤岩体或围岩的冲击倾向性指数；H E K 为冲击倾向性指数极

限值。

煤岩体的破坏准则、能量准则和冲击倾向性准则是煤岩体脆性破坏的准则。煤岩体的脆性破坏过程实质上是裂隙的扩展过程，而声发射是这种扩展过程中的声学效应，声发射信号的强弱反映了煤岩体破坏时的能量释放程度，同时声发射的强弱也是评价煤岩体脆性破坏倾向性(即冲击倾向性)的信息和指标。

综上所述，声发射与冲击地压有着密切的联系，煤岩体的声发射信号的特点是出现在煤岩体破坏的初期。因此，利用声发射可以预测煤岩体的破坏，或者说利用声发射预测冲击地压是可行的。

六、地压监测网布设的基本原则

（1）地压监测是一个长期的过程，布设的监测网应与矿山开采现状相结合，考虑矿山长、短期的监测布置；（2）地压监测网的布设与矿山的生产紧密结合，对开采区域实行重点监测，以保障开采区域的安全，立足矿山的现有开采条件；（3）地压监测网内的观测手段多样化。同时采用压力监测、位移监测、岩体声发射监测等多种地压监测手段。（4）根据矿山矿区地质条件和采矿方法，矿山的地压规律、岩体类型及其物理力学性质等设定观测网和网内测点的分布。（5）根据现场实际和适用性，恰当地选择地压观测仪器的种类、规格型号及其埋设方式。

七、监测方法和监测设备选择的准则

一个完善可靠的矿山地压监视系统应包括：及时的符合实际需要

的网点布置、正确的监测方法、可靠的监测技术、设备和科学的分析手段，因此，准确选择好监测方法和监测设备是监测工作成功的关键。

在地下工程体的监测中，根据监测方法的不同使用的监测设备不同，在同一种监测方法中，依据监测设备使用的位置、监测的对象、监测目的的不同使用的仪器设备也不相同，总体来说，根据上述监测分类，各类中常用的监测设备有：①应力（压力）变化测量设备有：空芯包体应力计(压力计)、压磁应力计、钻孔应力计、压力盒、测力计、应变计、液压计、光弹应力计等；②内部微破坏的监测设备有：声波仪、声发射仪等。

八、总结

在进行地压监测时,应综合应用各种分析方法,对矿山地压进行监测,测点布置充分考虑该矿各种岩石的性质,能够及时全面地反映出地压活动规律。利用已有的工程经验进行定量和定性分析,只有将科学方法与工程经验相结合,才能更好地改进、完善上述方法,使之更好地应用于工程实践中。对今后矿山地压灾害起到预防作用,防治结合,能确保安全、经济、高效地开采地下矿产资源。

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提升企业管理水平。

九、参考文献

[1]金属矿山地压灾害发生机理研究。叶粤文

[2]声发射预测冲击地压技术研究. 李秋林，吕贵春