一种浅部采空区地表与地下相结合监测预警系统及方法与流程

本发明属于采矿工程技术领域，具体涉及一种处理采空区过程中浅部采空区地表与地下联合监测预警系统及方法。

背景技术：

我国众多金属露天矿由于历史原因遭到集体和个体小矿点的不规范的乱采乱挖，在露天采区形成了大量的采空区。露天金属矿采空区的稳定性与否决定着机械设备、车辆能否安全通过，对于露天矿安全开采至关重要。目前采空区监测手段主要分为两类：一是传统的地表监测系统例如沉降仪、测斜仪、应变计等直接测量仪器，以及在开采区域建立地表移动观测站，包括水准测量、三角高程测量、导线测量等，这些传统的地表监测系统最大的不足在于无法获取岩体内部的破坏信息，很难起到预警预报的作用；二是采空区地下监测系统，主要有应力监测如锚杆测力计，位移监测如多点位移计以及围岩损伤破裂监测如微震监测系统。现有露天矿浅部采空区稳定性监测预警系统存在以下三方面不足：①采空区隐蔽性强、空间分布无规律，顶板塌陷情况难以预测；②目前监测系统多采用一种或者两种监测手段，监测方式过于单一，很难从应力、位移和岩体内部损伤破裂综合预警空区稳定性；③一般根据经验方法布置监测点，导致某些测点监测效果不佳。这就给露天矿采空区稳定性监测预警技术带来了巨大困难。这就客观要求一种浅部采空区地表与地下相结合监测预警系统及方法出现，通过地表与地下相结合监测的方法，分别从地表变形、内部岩体受力、发生沉降及围岩破裂损伤综合判定浅部空区稳定性，继而对浅部空区进行预警预报。对于节约矿山资金投入，保障矿山安全生产具有重要意义。

技术实现要素：

本发明所要解决的是浅部采空区地表与地下相结合监测预警问题，本发明可提供有效的浅部采空区上覆岩层塌陷过程监测和预警，以便采取相应的措施，有效防浅部采空上覆岩层塌陷造成人员伤亡和经济损失。

本发明的技术方案如下：

一种浅部采空区地表与地下相结合监测预警系统，包括地下微震监测系统、地下变形监测系统、地下应力监测系统、地表变形监测系统和云平台；

所述的地下微震监测系统、地下变形监测系统、地下应力监测系统、地表变形监测系统分别和云平台相连；四个监测系统将采集到的数据传输至云平台，用于工作人员查看和分析。

所述地下微震监测系统包括微震监测设备、数据分析服务器和数据存储服务器。微震监测设备主要包括微震传感器和数据采集仪。

所述的微震传感器、数据采集仪、数据存储服务器和数据存储服务器依次相连，微震传感器监测到的波形数据通过电缆传输至数据采集仪，数据采集仪通过光缆将上述数据传输至数据存储服务器。数据存储服务器用于实时查看和存储波形数据，确定疑似微震事件，将疑似微震事件传输至数据分析服务器。数据分析服务器根据波形特征进一步确认微震事件；根据微震事件的p波及s波的到时，计算微震事件的空间位置和发生时间，根据微震事件的p波及s波的波形，计算微震事件的能量、矩震级等震源参数。数据分析服务器将所得数据传输至云平台。

地下变形监测系统包含多点位移计及数据传输系统。多点位移计与数据传输系统相连；多点位移计设置在地下，每隔一定距离设置一个多点位移计，监测采空区和地表之间的岩体的沉降值。数据传输系统将沉降值传输至云平台，用于工作人员查看和分析。

地下应力监测系统包含锚杆应力计及数据传输系统。锚杆应力计与数据传输系统相连；锚杆应力计设置在地下，每隔一定距离监测采空区和地表之间的岩体内部的应力值。数据传输系统将应力值传输至云平台，用于工作人员查看和分析。

地表变形监测系统包含液压式静力水准仪及数据传输系统。液压式静力水准仪设置在地表上，监测采空区上覆地表的沉降变形规律得到沉降值，数据传输系统将沉降值传输至云平台，用于工作人员查看和分析。

进一步的，所述的微震传感器采用加速度型微震传感器，加速度型微震传感器置于浅部空区顶板下向垂直孔，孔深6～9m；加速度型微震传感器之间距离为30m～80m，以避免微震传感器在同一平面上。

进一步的，所述的锚杆应力计和多点位移计置于地下16m～18m处，锚杆应力计与多点位移计相距3m～5m。

一种浅部采空区地表与地下相结合监测预警系统的预警方法，包括以下步骤：

第一步：通过物探、钻孔手段确定浅部采空区的范围及上覆岩岩层的工程地质条件。

第二步：根据浅部采空区的范围及上覆岩岩层的工程地质条件，确定微震传感器、锚杆应力计、多点位移计和液压水准仪布置方案。

第三步：对微震监测系统、地下变形监测系统、地下应力监测系统和地表变形监测系统监测到数据进行处理和计算，获得浅部空区上覆岩层的破坏失稳过程中的微震信号、不同深度的应力值和沉降值及地表变形值。

第四步：通过对微震信号、不同深度的应力值和沉降值进行分析，判断是否存在断层或者岩性交界面活化。

第五步：当有断层或者岩性交界面活化，则根据微震信号、不同深度的应力值和沉降值判断活化阶段，从而实现对地表塌陷进行预警。

第六步：当不存在断层或者岩性交界面活化，则根据应力集中-应力释放-应力转移(3s)原理及地表塌陷前变形加速的原理，基于微震信号、不同深度的应力值和沉降值及地表变形规律对地表塌陷进行预警。

进一步的，第二步中，液压水准仪相距10m～30m，用以地表沉降监测。

本发明的有益效果：

本发明可提供有效的浅部采空区上覆岩层塌陷过程监测和预警，以便采取相应的措施，实现快速、准确定位事故发生地，有效防浅部采空上覆岩层塌陷造成人员伤亡和经济损失。

附图说明

图1(a)是微震监测系统测点方案布置图。

图1(b)是地下应力监测系统测点方案布置图。

图1(c)地下变形监测系统测点方案布置图。

图1(d)地表变形监测系统测点方案布置图。

图2是浅部采空区地表塌陷预警方法。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行进一步说明。

下面结合实施案例，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。

实施例1：

(1)利用cms三维激光扫描仪对某露天铁矿浅部空区进行探测，确定浅部采空区的位置范围及大致形态，根据浅部采空区的位置范围利用bhctv型钻孔成像仪对空区顶板进行钻孔摄像探测，确定浅部空区上覆岩层的工程地质条件。

(2)根据浅部采空区的范围及上覆岩层的工程地质条件，确定布置8个加速度型微震传感器，微震传感器的安装由浅部空区顶板打下向垂直孔，孔深6m，每个微震传感器之间距离30m，以避免微震传感器在同一平面上；确定布置2个锚杆应力计监测孔和2个多点位移计监测孔，锚杆应力计监测孔深为16m，多点位移计监测孔为16m，锚杆应力计监测孔与多点位移计监测孔相距3m，每个锚杆测力计监测孔内安装4个锚杆测力计以监测岩层应力变化，每个多点位移计孔内安装6个多点位移计以监测深部岩层位移变化；沿着浅部空区地表沉陷盆地布置12个液压水准仪，每个液压水准仪相距10m，用以地表沉降监测。

(3)对微震监测系统数据进行处理，根据微震事件的p波及s波的到时，计算微震事件的空间位置和发生时间，根据微震事件的p波及s波的波形，计算微震事件的能量、矩震级等震源参数；对多点位移计、锚杆测力计和液压水准仪数据进行处理，求出每日不同深度的平均应力值、每日不同深度的平均岩层位移值以及每日液压水准仪的平均沉降量。

(4)结合断层或者岩性交界面处地质剖面图，分析微震事件的空间分布规律、不同深度的应力值和岩层位移量，判断是否存在断层或者岩性交界面活化。

(5)如有断层或者岩性交界面活化，则需要对微震活动参数及微震信号规律进行分析并结合不同深度的应力值和采空区上覆岩层沉降值判断活化阶段，从而实现对地表塌陷进行预警。

(6)如果不存在断层或者岩性交界面活化，则需要根据应力集中-应力释放-应力转移(3s)原理及地表塌陷前变形加速的原理，基于微震信号、不同深度的应力值和沉降值及地表变形规律对地表塌陷进行预警。

实施例2：

(1)利用cms三维激光扫描仪对某露天铁矿浅部空区进行探测，确定浅部采空区的位置范围及大致形态，根据浅部采空区的位置范围利用bhctv型钻孔成像仪对空区顶板进行钻孔摄像探测，确定浅部空区上覆岩层的工程地质条件。

(2)根据浅部采空区的范围及上覆岩层的工程地质条件，确定布置8个加速度型微震传感器，微震传感器的安装由浅部空区顶板打下向垂直孔，孔深9m，每个微震传感器之间距离80m，以避免微震传感器在同一平面上；确定布置2个锚杆应力计监测孔和2个多点位移计监测孔，锚杆应力计监测孔深为18m，多点位移计监测孔为18m，锚杆应力计监测孔与多点位移计监测孔相距5m，每个锚杆测力计监测孔内安装4个锚杆测力计以监测岩层应力变化，每个多点位移计孔内安装6个多点位移计以监测深部岩层位移变化；沿着浅部空区地表沉陷盆地布置12个液压水准仪，每个液压水准仪相距30m，用以地表沉降监测。

(3)对微震监测系统数据进行处理，根据微震事件的p波及s波的到时，计算微震事件的空间位置和发生时间，根据微震事件的p波及s波的波形，计算微震事件的能量、矩震级等震源参数；对多点位移计、锚杆测力计和液压水准仪数据进行处理，求出每日不同深度的平均应力值、每日不同深度的平均岩层位移值以及每日液压水准仪的平均沉降量。

(4)结合断层或者岩性交界面处地质剖面图，分析微震事件的空间分布规律、不同深度的应力值和岩层位移量，判断是否存在断层或者岩性交界面活化。

(5)如有断层或者岩性交界面活化，则需要对微震活动参数及微震信号规律进行分析并结合不同深度的应力值和采空区上覆岩层沉降值判断活化阶段，从而实现对地表塌陷进行预警。

(6)如果不存在断层或者岩性交界面活化，则需要根据应力集中-应力释放-应力转移(3s)原理及地表塌陷前变形加速的原理，基于微震信号、不同深度的应力值和沉降值及地表变形规律对地表塌陷进行预警。