矿山采空区和巷道施工安全监测系统

1. 概述
为了科学、合理回采资源，需要对采用崩落采矿方法所带来的地表岩石移动、地表陷落、上部山体的次生地质灾害、开采过程中的地压显现、回采顺序、开采极限暴露面积、地压监测、上盘围岩的控制崩落及开采过程中不同围岩类型的巷道开拓支护等技术进行研究，减少由于开采而带来的安全问题，提高企业的竞争能力和经济效益。
目前主要的矿体，由于矿体赋存条件复杂、开采难度大，根据该近年来的开采实践，所使用的采矿方法有：有底部结构分段空场法、全面法、超前切顶护顶空场法、浅孔留矿采矿法等，且随着开采的不断进行，采空区越来越多、越来越大，采空区引发的地压已威胁到周边井巷工程的使用，使相邻井巷出现片帮、开裂等现象，并且还将影响到周围未采矿体的回采，如果没有有效的空区和巷道的稳定性评价、处置措施和地压监控措施等，则顶板一旦冒落不仅加大矿石回采的贫化与损失，也必然对安全生产造成严重的威胁。为保证矿山的安全生产，为及时掌握地表公路的移动规律、空区形态、巷道的支护受力状况，监测施工过程中的回采巷道安全，对暴露的大空区、运输巷道和回采巷道等的稳定性进行的施工监测是很有必要的。依据开挖揭示的地质条件，结合现场实际以及设计意图，内观监测方法主要采用：锚杆应力计、收敛计、声发射仪器、液压枕和多点位移计，外观主要包括地表沉降观测。监测仪器设备工程量见表1:

2. 引用标准和规程规范
(1)《混凝土大坝安全检查监测技术规范》(试行)SDJ336-89；
(2)《土石坝安全监测技术规范》SI60-94；
(3)《水位观测标准》GBJ138-93；
(4)《国家一、二等水准测量规范》GB12897-91；
(5)《水利水电工程施工测量规范》SL52-93；
(6)《国家三角测量和精密导线测量规范》；
(7) 设计图纸和有关文件。

3. 监测的目的
（1）对地压动态的监测，为采矿的安全经济和高效提供保证。地压显现及其程度取决于于地质条件和采矿的工程条件。由于地质情况的复杂性和不同的采矿工艺，不可避免的使得地压的预测预报具有一定的偏差。另一方面，矿体的开采是不断向前推进的，空间形态不断变化，使得地压显现具有动态性质。地压的动态性和复杂性决定了对地压实时监测的必要性，只有通过监测掌握实际的地压显现情况，并结合矿山先期的地压监测结果和施工工艺，才能正确把握地压活动特征及其发展变化趋势，为采矿工作的安全、经济和高效进行提供保障。
（2）掌握矿体开采过程中的地压变化规律，为矿体采准和回采设计提供参考依据，矿体开采过程中，地压的显现及其变化虽然复杂，但对一定的地质环境和采矿工艺，其变化又是有规律的。通过对地压的长期监测，可以掌握地压的变化规律，为地压控制及下一步矿体开采设计提供参考依据，如采场结构参数的选择，回采顺序的确定，巷道的支护形式、支护参数与支护时机等。
（3）地压监测可为空区的变形、巷道的变形预报提供依据，通过监测可以及时掌握巷道的变形情况和空区岩体的应力状态。

4. 地压监测的内容
根据空区的形态、区段的采矿方法、巷道支护情况，从掌握地压变化规律和便于进行地压监测出发，地压监测内容包括以下几点：
（1） 随矿体回采向前推进，采空区上下盘围岩应力变化规律；
（2） 采矿过程中，底部结构（穿脉联络巷道和出矿巷道）岩体应力及其变化规律；
（3） 采矿过程中凿岩水平（尤其是二次回采的矿房上方）岩体应力及其变化规律；
（4） 盘区之间隔离矿柱的压力及其变化规律；
（5） 巷道围岩的变形破坏规律；
（6） 空区顶板沉降与冒落破坏规律；

5. 监测手段、工作原理及测点布置
 根据该矿矿岩特征、采矿工艺和对常用矿山地压手段的考察与分析，同时兼顾经济性、灵敏性、简便性和可靠性的原则，矿床开采中围岩应力监测采用钻孔应力计或土压力计；空区顶板岩体变形监测采用钢丝位移计、冒落监测采用声发射仪，巷道变形和支护情况监测采用多点位移计、锚杆应力计和收敛计配合使用进行观测，空区的变形引起上覆岩层产生移动采用高精度水准确仪器对其地表进行沉降观测。

5.1. 液压式钻孔应力计
液压式钻孔应力计的工作原理是：当岩体中的应力发生变化时，其中的钻孔尺寸必然发生变化，预置在钻孔中的压力枕的油压随之变化，通过连接在压力枕上的压力表或转化元件，可以读出或计算出压力枕中的压力变化，从而获得岩体中的应力变化情况。液压式钻孔应力计实际表现的是钻孔横截面面积的变化量。声发射仪

岩体声发射监测是岩体在变形和破坏过程中应变能突然释放而产生的弹性应力波，它从岩体内的发源点传播到岩体表面。岩体声发射是岩体变形、破坏过程中不同阶段的共同特征。岩体在不稳定断裂传播阶段，声发射特别明显，能量释放的大小和速度也显著增加。因此，监测并掌握岩体结构破坏时的声发射特征，就可预报工程岩体的稳定和安全程度。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指标，破裂速率增长，总频度必然激增；大时间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指标，提供综合分析的一个最基本参量。巷道收敛量测
巷道收敛量测采用内空变位的量测方法，是判断围岩动态的重要手段之一。采用收敛计观测围岩位移，巷道周边收敛是指洞室周边相对方向上两固定点连线上的相对位移值，它是洞室开挖所引起围岩变形最直观的表现，采用洞室净空变化测定计进行量测。目的是量测巷道周边位移、了解收敛状况、断面变形状态，判断洞室的稳定性。在巷道内选择若干个横断面，在每个断面的巷道围岩中埋设一对或多对测点，用收敛计或杆式伸长计量测每对测点的相对位移，用位移反分析法求取围岩应力分布状态及弹模，从而识别工程岩体的稳定程度。巷道收敛观测示意见图1所示。

5.2. 多点位移计量测
多点位移计是一种监测边坡深部位移的有效手段，它利用在岩体中钻孔后，在孔内不同深度埋设测点固定锚头，它与锚头连接的测杆，测杆外用护管与灌浆水泥沙浆隔开，上部设位移读数装置来量测沿钻孔轴线上的不同深度的测点位移变化。大量的工程实践表明，地下工程在开挖后的短时间内围岩内部会发生了大部分的弹塑性变形，如果在开挖后沿掌子面埋设多点位移计可以监测围岩内部不同部位的位移变化情况，在空区附近和巷道周围埋设多点位移计，通过各测点的监测位移不但可以推测出测点位移随开挖面推移的变化情况，而且更重要的是，多点位移计径向各点累计变形随时间增长的变化幅度不一致，即围岩内部不同的深度受开挖的影响不同，变形情况也不一样，因此可以把围岩内部的变形分成几个不同的区域，并根据多点位移计各埋设点的径向距来确定松动圈的范围，来判断围岩的稳定性。

5.3. 地表沉降观测
距离地表比较近的大空区，随着采动的影响、重复爆炸荷载或空区暴露时间的延长，空区会产生不同程度的片帮、冒顶、跨落或者岩移，有时会直接贯通到地表或者使地表产生不均匀沉降，当沉降速度过大，地表会形成大的塌陷区，影响地表的建筑物或者危害到居民的生命安全。为确保井上、下安全生产，针对矿体地压特点，结合矿山岩移塌陷的经验，建立和完善塌陷区地表岩层移动观测网和井下地压监测系统。