矿山顶板安全预警新体系研究

矿山顶板安全预警新体系研究

温龙江李江李元吉

招金矿业股份有限公司大尹格庄金矿山东招远265414

摘要：由于矿山重大事故频繁发生,造成巨大的人员伤亡和经济损失,引起了国家高度重视和社会的强烈反响。而我国正处于工业化进程中,一方面需要大力开采矿产资源,另一方面矿山安全面临着巨大挑战。然而矿山安全预警、监测技术落后于采矿技术的现状最终导致了矿山环境日益恶化,事故频发。本文分析矿山顶板安全现状，阐述矿山顶板安全预警管理新体系。

关键词：矿山；顶板；安全；预警

随着矿山企业不断发展，现将地质超前预报技术推广运用到矿山顶板安全检测中,查明掌子面前方的异常情况,为采场、巷道设计及安全监控提供超前信息。围绕微地震监测技术形成新的矿山安全管理体系,通过监测数据分析围岩稳定性,对矿山进行三级预警,克服了传统安全管理静态、定性的缺点,实现远程、动态、实时跟踪监测,并能对微地震事件进行三维可视化显示,对指导矿山安全生产、提高矿山安全管理水平及降低灾害损失重大意义。

一、矿山顶板安全现状分析

我国煤矿顶板安全管理差,大面积冒顶片帮重大伤亡事故频繁发生，目前各种围岩稳定性基础理论尚未成熟,失稳判据难以确定[1],缺乏适用的稳定性理论和定量分析方法,限制了此领域的发展。随着计算机技术的飞速发展,通过数值模拟的方法对围岩稳定性进行研究,但地下矿山地质、环境条件复杂,难以进行真实模拟,大部分围岩稳定性数值模拟都建立在大量的假设和简化的基础上,而且各种数值模拟方法都有其局限性,模拟结果的可靠性、实用性还有待进一步研究。当前,采空区顶板事故安全监测、预警和控制常采用顶板分级管理制度。根据顶板岩石的软硬和稳固程度、地质构造的破坏程度、采矿场跨度大小、破坏程度、顶板矿岩透水性等的不同,将顶板分为3级,根据顶板级数的不同,则分别采取相应的顶板管理方法。这种顶板分级的安全管理方法,对降低矿山顶板事故有一定的积极作用,但是这种顶板分析管理只是一种静态的、定性的安全管理,还不是严格意义上的安全监控系统。目前,围岩稳定性研究及失稳判据等尚未取得重大突破,对矿山顶板管理工作仍采用传统方法或稍有改进,出现了停滞不前的现状。因此,有必要寻求在现有理论及技术水平下的安全管理方法创新,提高地下矿山顶板管理水平,确保矿山安全生产。

二、矿山顶板安全预警管理新体系

在传统顶板管理的基础上,提出以地质超前预报技术结合微地震监测技术形成新的矿山安全监控、预警管理新体系,对矿山安全预警,既能促进矿山生产安全,取得良好的生产效益和社会效益,又能促进新技术的发展、完善。

1、一级预警。随着计算机技术、数据采集和信号处理技术的快速发展,微震监测技术正得到深入研究与推广应用。在南非、加拿大、澳大利亚等国家,微震监测技术已经广泛应用到实际矿山工程中,取得了良好的效果。微地震事件的定位是岩体微地震研究中的关键技术,是分析微破裂时空演化和破裂机制、进而分析岩体破裂过程和失稳前兆的基础[2]。采用HZMS48型微地震监测仪对定位功能进行试验验证,以判断微地震的定位精度。试验场地为水泥地人行道,周围为草坪。试验采用HZ-MS48型微地震监测仪,三分量传感器均埋藏在草坪下,在竖直方向上各传感器有一定的高程差值,与周围泥土耦合良好。在水泥地上敲击产生微震信号进行定位试验。试验分多组进行,在不同地点分别敲击,记录波形,分别进行定位比较。由于篇幅所限,其中一组敲击点及其定位结果。通过试验,定位位置为(16,20),与实际敲击点位置基本吻合,证明微地震具有良好的定位功能,能够满足矿山对微地震事件定位精度的要求。段毅等通过微地震三维模型可以较精确直观的模拟出采矿工作面的实际情况与事件点的具体位置,并能显示信息合理预测前方的地压情况。通过动态三维可视化软件可以以天为单位动态显示工作面推进及破裂源定位点的情况,全方位多角度查看破裂事件点与工作面位置之间的关系,可查看监测期内任意一天的破裂事件点与工作面推进位置关系,并在三维模型中显示定位结果。可见,微地震监测技术可以对矿山微震事件进行精确定位及三维显示,根据工作面前方微震事件发生发展趋势指导矿山开采、支护等,提高采矿工作安全程度和矿山安全管理水平,降低灾害损失。在初级预警的基础上,使用微地震监测技术监测矿山围岩状态,通过监测到的微地震事件,分析生产活动对围岩稳定性的影响,它具有远程、实时、动态、三维的特点,能够连续监测,实现矿山安全的动态管理,经过数据处理后可进一步分析岩石破裂发生的规模、性质等,能够掌握断层活动性质,确定顶底板围岩稳定性等,采用震动定位原理还可以进行破裂源定位,并能在三维空间上显示出来。进而为优化爆破设计和支护设计等提供可靠的参考依据。在采矿活动的影响下,岩体中原有的微裂纹、节理裂隙等在应力变化的条件下会发生扩展、积聚,最终导致岩体失稳,采用微地震监测其发生、发展情况判断其是否对采空区或巷道顶板围岩稳定性造成威胁,或可能造成的危害程度,以及微震事件发生的位置及频率大小,利用其动态三维可视化的功能实现实时动态跟踪监测,使井下安全状况评估变得更直观、更简单。通常在矿山来压或即将发生岩体失稳事件时都会在局部区域群发大量的微地震事件,通过微地震监测就可以及时预警,撤出井下人员、设备,确保安全。

2、二级预警。在掌握了矿山不良地质现象前提下,可以依据微震事件的发生情况对矿山围岩稳定性进行评价,从而对险情进行预警,达到保障生产安全的目的。可以分为以下情况。群发的微震事件将形成新的破裂带,它将与原有断层、裂隙等结构面组合切割岩体为不同形状,针对这些结构面的排列组合形式切割成的岩体空间形状是否稳定,评价矿山安全状况。当巷道通过或有采空区处于这些地带时,被切割破碎的岩体极不稳固,容易发生冒顶、塌方等事故。采用这种方法能够有效的避免井下光线不足造成的顶板检查盲区,提前预判可能发生冒顶的岩体大小,并根据可能冒顶岩体的尺寸与巷道宽度、采空区跨度间的关系,判断发生冒顶的危险性,依据危险性大小进行预警,及时采取措施处理潜在的危险有害因素。若巷道或采空区附近有断层,群发微震事件产生的破裂带贯穿断层时,可能激活断层活动,产生地震等,造成巷道破坏或影响采空区的稳定性,进而危害到整个矿山的生产安全。当巷道或采空区附近的断层为含水或含泥断层,群发事件导致的裂隙带与之贯通时,则会发生突水突泥等危险。若断层内聚集有瓦斯等有毒有害气体,贯通的裂隙就成了“导气管”,将瓦斯导入巷道、采区工作面等,当达到一定条件时就会发生爆炸或窒息、中毒等事故,危害矿山安全生产和作业人员的生命安全。群发微震事件产生的贯通裂隙带如果与地下水连通,则可能导致透水事故,水淹井巷、采区等,造成巨大的设备损失和人员伤亡等事故。此外,在掌握了不良地质体的性质、规模、分布,以及微地震事件发生的规模、频率、趋势等资料后,即可对不良地质现象、微震事件群发引起的围岩失稳等导致的灾害规模及损失进行定量评估,从而达到定量分析的目的。

总之，围岩稳定性研究中存在的缺陷和矿山顶板安全管理,采用超前预报技术结合微地震监测技术对矿山顶板安全进行三级预警,形成新的顶板安全预警、监控管理体系层层递进,可克服传统顶板管理方法的缺陷。冒顶片帮是地下矿山最为常见的事故之一,也是矿山安全管理的重点和难点,因此对矿山顶板事故控制与安全管理研究具有重要意义。

参考文献：

[1]李爱兵.岩体声发射检测技术在采场顶板安全分级中的应用[J].西南科技大学学报,2015,(2).

[2]周先明.岩体声发射智能监测设备及矿山安全预报技术[J].矿业研究与开发,2016,(2).

[4]周训兵，李仕雄.浅谈矿山顶板安全预警新体系研究[J].金属矿山，2015（12）.

[5]王玉成，孙宝生，.中国矿山安全现状与对策[J].矿业研究与开发，2016，（2）.