采空区围岩冒落特征一直是采矿工程领域的研究热点问题之一,其与自身形成特点和周边环境条件等相关。针对采空区围岩冒落潜在危害,实际工程通常有2 类处理方法:一类是阻止采空区冒落,如采空区顶板支撑、废石充填或胶结充填等;另一类是利用围岩冒落做有用功,强制崩落或自然崩落采空区围岩,释放空区围岩内部冒落能以消除危害,同时为实际生产创造便利条件,如诱导冒落回收多空区残留矿体、形成安全生产要求的覆盖岩层和控制空区冒透地表进程等,而后者往往需要对采空区冒落进程进行监控。
采空区冒落涵盖了岩体失稳破坏过程,监测方式可分为事前监测和事后监测。事前监测方法以声发射监测和微震监测为主,MIAO 等开展了静态—动态耦合试验,结合声发射技术和数字图像技术分析了高静应力下轻微动态扰动对岩体破裂的影响;LIU 等结合室内声发射和现场微震监测研究了深部采场崩落前应力场和位移场分布特征和演化特征的差异;贾宝新等研究了采空区层状岩体的微震传播信号与岩层密度、结构面数量和空区断面等的关系;吴顺川等将岩体破裂震源定位问题定性为受多因素干扰的复杂非线性反演过程,并讨论了震源定位精度的发展方向。事后监测以应力监测和位移监测为主,杨俊哲等利用微震监测和顶板深基点位移监测等研究了回采工作面覆岩运移破断结构特征;刘学生等利用声发射监测技术和应力监测系统等研究了深部超大断面硐室群围岩变形破裂演化规律。这些监测方法可为采空区围岩失稳破坏提供较为准确的预测信息,但主要针对采空区稳定至不稳定阶段。对于空区形成初期的不稳定到稳定的过程,其所体现的宏观冒落特征与规律的研究较薄弱。
当不稳定至稳定阶段持续时间较长时,采空区冒落特征和规律掌握不及时,将影响采空区安全治理方案制定和实施。本研究以河北某铁矿因下部民采空区与生产区域采场相互贯穿形成的复杂不规则冒落空区为工程背景,结合三维激光扫描技术、现场调查结果和开拓、采准工程现状等,提出联合监听冒落岩块撞击声响与监测拱脚变形的采空区冒落持续监测方法,探究采空区从形成初期的不稳定到稳定的冒落特征,为同类型空区冒落监测和安全治理提供借鉴。
1 方法原理
本研究所述采空区冒落持续监测方法适用于大型采空区冒落活动监测,包含冒落岩块撞击声响监听和采空区冒落拱拱脚变形监测2 个方面。后者属于宏观破坏,主要发生于监测区域空区通口(多为巷道)围岩破坏,可用激光测距仪、无人机扫描等方式测量,方法原理在此不作赘述。冒落岩块撞击声响监听主要用于表征采空区围岩的冒落程度,通过监听冒落岩块撞击较大声响和较小声响予以区分,该方法较为经济实用,方法原理如图1 所示。1—采空区;2—冒落岩块;3—冒落岩块堆体;4—冒落气流;5—巷道;6—防冒落冲击散体堆;7—声光探头;8—插销;9—探照灯;10—光纤;11—计算机;12—地表如图1 所示,不同块度的冒落岩块2 从采空区围岩冒落后,在下落过程会产生冒落气流4,下落至空区底部会撞击冒落岩块堆体3 产生不同声响。冒落气流大小与冒落岩块块度成正比,但均可利用防冒落冲击散体堆6 予以缓冲,较大冒落或批量冒落时,防冒落冲击散体堆6 上方预留通口处会产生小部分气流,可用于辅助确定空区冒落程度。声光探头7 主要用于监听并录制防冒落冲击散体堆6 后方空区冒落岩块与空区底板散体的撞击声响,并将相应信息传输至地表调度室计算机中心。在探照灯9(或其他光照条件)辅助下,地表调度室人员可随时监听或查询防冒落冲击散体堆6 后方冒落岩块撞击声响和前方冒落气流大小。空区冒落岩块撞击声响监听方法可有效监测大型采空区冒落活动,通过区别较大冒落和较小冒落撞击岩块的声响特征,并结合防冒落冲击散体堆预留通口处的冒落气流大小,可较为准确地识别采空区的较大冒落和较小冒落。结合采空区冒落拱拱脚变形监测,可建立拱脚变形与冒落岩块撞击声响之间的联系,对于进一步研究大型采空区冒落规律具有较好的现实意义。河北某铁矿为鞍山式磁铁矿床,属急倾斜厚矿体,围岩以片麻岩为主,岩体质量分级为Ⅲ～Ⅳ级,为中等稳定—不稳定。-60 ～-210 m 水平矿体应用分段空场嗣后充填采矿法开采,-210 m 水平以上为采矿权开采范围(图2)。回采工作面进入-210 m 阶段后,下部民采空区突然发生大规模塌冒,在-210 m 水平生产区域形成较大范围的冒落空区(图2(a)),并很快冒透至-165 m 水平(图2(b))。三维激光探测结果显示,冒落空区高度约120 m,沿矿体走向最大宽度约102 m,垂直走向最大宽度约98 m,顶板标高为-163. 34 m,底板标高为-287. 13 m,投影面积为6 735.86 m2,体积约24.5 万m3。同时,该空区北部分布4 个大小不等的民采空区(9#穿采空区、8#穿采空区、8#穿盲采空区和7#穿采空区)。
现场调查可知,冒落空区埋深大、规模大、不规则且位于主要生产区域,形成初期便处于阵发性冒落活动状态,冒落岩块撞击空区底板较大声响频繁发生,冒落活动剧烈且规律性较差。此外,采空区的不规则性易引起空区冒落拱拱脚因应力集中发生破坏,存在进一步增加采空区跨度的可能性。因此,需要研究该复杂不规则空区的持续冒落监测方法和空区冒落特征,有效掌握空区冒落规律,为空区安全治理提供一定的理论基础。3 采空区持续冒落监测方法
因冒落空区自形成伊始便处于剧烈的阵发性冒落活动状态,此时开展事前监测(如声发射或微震监测等)不具备监测的时效性。为甄别空区围岩冒落程度及防范空区危害事故,提出监听冒落岩块撞击声响与监测拱脚变形并举的采空区持续冒落监测方法。
3.1 冒落岩块撞击声响监听方法
在-195 m 水平10-2#穿脉近空区防冒落冲击隔墙前安装井下视频监听设备(图3),用于监听空区冒落岩块撞击声响及冒落频次。现场监测设备主要利用声光监测仪监听并录制防冒落冲击隔墙后方空区冒落岩块与空区底板散体的撞击声响。冒落岩块撞击声响包含较小声响和较大声响,通过岩块间的撞击音量大小、频次及持续时间予以区分,并由调度室值班人员实时记录。从现场录制的视频可知,冒落岩块撞击较小声响清脆响亮,多为间断发生,且持续时间短促,可用于表征空区围岩的零星冒落;冒落岩块撞击较大声响沉闷、浑厚而又响亮,并伴随阵发性忽高忽低的轰隆声,一次较大声响的平均时长约10 min,与井下爆破声响区别较大,可用于表征空区围岩的批量冒落,也可用于表征空区围岩的阵发性冒落程度。因此,利用声光监测仪可较好地监听并识别冒落岩块撞击声响,同时也便于掌握空区围岩的冒落频次,是甄别空区围岩冒落程度及防范空区危害事故较为直接且经济合理的监测手段。
3.2 采空区拱脚变形监测方法
对在-210 m 分段出露的冒落空区而言,其实际拱脚在-210 m 水平之下,受采矿权影响(图2(b)),该区域因无开拓与采准工程,对应的拱脚变形破坏无法监测,故拱脚监测区域可选择-180、-195、-210 m 3 个水平,通过监测数据分析空区拱脚活动状态与冒落拱变化。拱脚变形监测位置可选择与冒落空区连通的巷道通口附近围岩。-180、-195、-210 m 3 个水平的拱脚变形监测区域如图4 所示,考虑近空区北侧陷落危害较大,可选择部分巷道作为辅助监测区(图4(b)中的9-4#穿脉)。因冒落空区在-195 m 水平受断层影响较大,在10-2#穿脉后方散体堆设置位移监测点,利用HJH-20-30A 型收敛仪监测该处水平位移和垂直位移变化。此处位移监测的意义在于评价目标采空区经大规模冒落和治理后的最终稳定状态,同时,-195 m 水平位移监测点(图4(b)“★”符号)附近存在断层,当该点位移达到长期收敛,则说明目标采空区其他通口处围岩也达到位移收敛状态。图4 中变形监测区邻近冒落空区,属空区围岩冒落影响范围,该区域空区拱脚变形破坏属宏观现象,届时拱脚发生垮塌引起空区边界沿穿脉发生变化,监测以直观观测为主,可由激光测距仪测定变形监测区域破坏范围。观测时应提前做好考察,且必须在安全工作人员陪同下进行,事先做好安全排险工作。4 采空区围岩周期性冒落特征分析
4.1 监听数据分析
2019 年7 月16 日(冒落空区形成时间)—2020年1 月20 日的空区冒落岩块撞击声响监听结果如图5 所示。由图5 可知:2019 年7 月16 日—2019 年12 月09日,空区围岩批量冒落频繁发生,且岩块冒落撞击声响每日持续时间较长,体现了空区冒落的阵发性和持续性,这一时期可称为阵发性冒落阶段。该阶段持续时间约5 个月,期间围岩冒落活动剧烈且频繁发生,表明空区围岩处于极不稳定状态。2019 年12 月10—28 日,空区岩块冒落频次不多,且较大声响基本不存在,冒落岩块撞击声多为依附于母岩的岩石碎片冒落,偶尔会监听到少量碎岩掉落底板发出的撞击声响,但声响持续时间短促,可认为冒落空区围岩在不断建立新的应力平衡过程中达到了暂时稳定,这一时期可称为短暂稳定阶段。然而,2019 年12 月29 日冒落空区仅冒落岩块撞击较大声响就达8 次(图5(b)),且冒落岩块撞击声每次与每日平均持续时间也有较大增长(图5(c)和图5(d))。与此同时,防冒落冲击隔墙上方预留空间涌出较大气流,表明空区在经历阵发性冒落阶段后,并未形成长期稳定的冒落拱,此时空区围岩在某种因素诱导下,再次发生批量冒落。经现场调查,2019 年12 月26 日空区在-195 m水平10-2#穿脉处的拱脚发生严重破坏(图6),破坏原因是该处围岩破碎且节理裂隙发育,加之空区不规则使拱脚处易形成应力集中所导致。如图7 所示,在拱脚应力集中作用下,拱脚围岩逐步发生片落,使拱脚线与水平线的夹角越来越大,冒落逐步向极限平衡拱变化。2019 年12 月29 日,即3 d 后监听到空区冒落岩块撞击声响较大,空区围岩发生批量冒落,可见拱脚变形破坏会导致空区围岩批量冒落发生。通过对图4 中变形监测区拱脚进行变形监测,同时结合空区冒落岩块撞击较大声响监测数据,可分析冒落空区经阵发性冒落活动后,其围岩冒落体现的一般规律。由图5 可知,其形成伊始至2019 年12 月09日可称为阵发性冒落阶段,经阵发性冒落活动后,空区围岩形成短暂稳定阶段(2019 年12 月10 日—2019 年12 月29),随后空区围岩再次出现批量冒落,并伴随较大的岩块撞击声响。2019 年12 月29 日之后空区围岩冒落特征可通过2019 年11 月18 日—2021 年3 月2 日冒落岩块撞击较大声响监听数据(图8)进行分析。图8 显示,2019 年12 月29 日之后,冒落岩块撞击较大声响呈周期性变化,虽然发生频次较小,但仍能引发空区围岩批量冒落。与此同时,空区围岩批量冒落与稳定状态呈周期性交替变化,且后期稳定状态持续时间更长,可能与空区治理进度有关。这一阶段空区围岩批量冒落周期性特征明显,可理解为空区冒落拱不断稳定与失稳的周期性变化,因此,这一阶段可称为周期性冒落阶段。图8 冒落岩块撞击较大声响与空区拱脚变形破坏的统计结果通过对比变形监测与监听结果(图8)可知,空区围岩周期性冒落阶段,每次空区发生批量冒落前,变形监测区内总是发生拱脚变形破坏,这表明拱脚变形不仅是引起冒落空区围岩批量冒落的宏观因素,同时该批量冒落还呈现一定的周期变化,周期为15～30 d,随着空区治理进度逐步增大。由图8 进一步分析可知:空区围岩批量冒落滞后拱脚变形的时间为3 ～8 d,整体呈现增大趋势,这与空区充填治理进度相关。不稳定采空区治理的关键在于及时支撑冒落拱拱基以限制空区跨度增大。此次空区变形监测区域为-180、-195、-210 m 3 个水平,在周期性冒落初期阶段,空区充填治理进度缓慢,对空区-210 m 水平下部围岩提供的支撑作用有限,使得每一周期形成的冒落拱稳定性较差,易受到拱脚变形破坏影响,因此滞后期一般较短。伴随空区不断充填治理,在冒落空区得到有效充填治理时,充填体提供的横向支撑稳定了空区下部拱基,使得周期性冒落阶段后期每一周期形成的冒落拱稳定性较好,因此围岩批量冒落滞后期较长。这一变化关系也可从-195 m 水平10-2#穿脉位移监测点(图4(b))的监测数据(图9)得到印证。由图9 可知:自 2019 年10 月9 日开始监测以来,-195 m 水平10-2#穿脉位移监测点水平位移和垂直位移在监测期间均有较大变化,水平位移整体向空区一侧移动,垂直位移整体向下移动。当监测点距离冒落空区边缘较远时(监测初期),其位移变化量较小。伴随10-2#穿脉内拱脚变形监测区围岩的变形破坏,空区边缘线逐步向监测点靠近,导致监测点出现较大位移。但在空区不断进行充填治理过程中,伴随空区逐步被充填料填充,监测点位移变化逐步收敛,表明空区冒落拱进入较为稳定的状态,此时拱脚变形破坏不易引起空区围岩发生较大冒落。4.3 周期性批量冒落预测
从监听结果可知,冒落岩块撞击较大声响沉闷、浑厚而又响亮,并伴随阵发性忽高忽低的轰隆声,一次较大声响的平均时长约10 min,符合空区围岩批量冒落特征,可用于表征空区围岩的批量冒落。经阵发性冒落活动形成的相对稳定阶段,空区冒落拱稳定性较差,在拱脚应力集中或拱基弱化等因素影响下,拱脚易率先发生变形破坏,进而破坏空区围岩内部力系平衡,引发空区围岩发生较大冒落(也可称为批量冒落),因此,可将空区拱脚变形破坏作为空区围岩进入批量冒落的前兆,用以预测空区围岩的批量冒落。由岩块冒落较大声响与冒落空区拱脚变形的对应关系(图8)可知,每次空区批量冒落前变形监测区内均会出现一定程度的拱脚破坏,且拱脚变形破坏3～8 d 后,空区出现冒落岩块撞击较大声响,即开始发生批量冒落。由此可知,拱脚变形破坏引起空区围岩批量冒落发生的滞后期为3 ～8 d。考虑拱脚变形破坏主要沿穿脉方向扩展,可定义hk 为2 次边界扩展差(指同一穿脉内连续2 次引起批量冒落的空区边界扩展差值),用以界定拱脚变形破坏程度。每次批量冒落前拱脚破坏造成的空区边界扩展范围如图10 所示。受拱脚处围岩内部节理裂隙影响,不同变形监测区内2 次边界扩展差hk 大不相同,且空区边界发生的时间也不同,但每次空区批量冒落前,变形监测区内均有一定程度的空区边界扩展。统计所有变形监测区内的hk 值,可知2 次边界扩展差取值区间为1.9～2.8 m,平均值为2.35 m,最小值可近似取2 m。由此可见,对于埋深大、规模大且不规则的冒落空区而言,空区形成初期的阵发性冒落活动达到的稳定状态持续时间较短,此后若拱脚变形破坏造成空区边界扩展超过2 m,空区围岩极有可能发生批量冒落。5 结 论
(1)监听冒落岩块撞击声响可甄别冒落的空区围岩冒落程度。结果表明,河北某铁矿空区冒落过程大致可分为阵发性冒落和周期性冒落2 个阶段,前者主要发生在空区形成初期,持续时间约5 个月,期间冒落岩块撞击较大声响频繁发生;后者发生在前者形成的相对稳定状态破坏之后,期间可引起具有一定周期性变化的空区围岩批量冒落。(2)冒落岩块撞击声响监听和拱脚变形监测结果显示,因冒落空区形成条件的复杂性与特殊性,该空区进入周期性冒落阶段的成因与空区拱脚变形有关,周期性冒落阶段周期为15 ～30 d,空区围岩批量冒落滞后拱脚变形破坏的时间为3～8 d。(3)空区拱脚变形破坏可作为空区围岩进入批量冒落的前兆,监测2 次空区边界扩展差可预测空区围岩批量冒落的发生时机。河北某铁矿冒落空区拱脚变形破坏造成空区边界扩展超过2 m 时,空区围岩极有可能发生批量冒落。(4)本研究提出的联合监听冒落岩块撞击声响与监测拱脚变形的采空区冒落持续监测方法,是甄别空区形成初期的不稳定到稳定阶段冒落程度较为直接且经济合理的监测手段,可为同类型空区冒落监测和安全治理提供参考。
