一种硬岩矿山地压耦合预测的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种矿物勘测技术，尤其涉及一种硬岩矿山地压耦合预测的方法。
【背景技术】
[0002] 目前，我国部分老矿山开采面临着深部资源储量有限，而开采前期遗留了大量的 矿柱或难采矿体尚未回采的现象，这部分矿体矿量大，品位高，极具回采价值。但残留或难 采矿体大都集中在地压区，这些区域在前期回采过程中经历了多次反复扰动，致使回采区 域应力较大，岩体强度弱化严重，使得回采面临较大的安全风险，为保障安全高效回采地压 区残留及难采矿体，须在回采过程中辅以适用的地压预测的方法，合理判断矿体稳定性，指 导安全生产。目前，矿山主要地压监测及预测方法包含以下几方面。
[0003] 其一，位移监测
[0004] 位移监测法测量矿岩内部由于应力作用导致的外部位移，该方法更多的应用于长 期使用的巷道内或地压显现前期暴露处的位移监测。该方法快捷方便、成本低，但不适用于 地压显现严重和充填后的采场等区域，且该方法更多凭经验对变形变化规律进行分析，对 地压区岩体稳定性评判存在滞后性和不确定性。
[0005] 其二，应力监测
[0006] 应力监测法是把监测元件安放至矿柱内部，充分测量内部应力变化，指导后续采 掘工作，具有很强的抗干扰能力。单一的应力监测仪器能依据监测结果判断矿柱应力变化 情况，进而反映局部区域应力集中与释放的规律。但应力监测仅限于判断岩体支撑部位应 力的大小变化情况，对于岩体是否破裂以及由破裂引发的承载能力下降甚至失稳无法进行 判别。因此，依靠单一的应力监测方法无法预测回采地段岩体稳定性状况。
[0007] 其三，声发射监测
[0008] 声发射监测是利用声发射信号推测声发射机理及传播介质特征的技术。岩石受力 变形时，岩石小裂纹周围应力集中，应变能较高，随外力增加，裂纹扩展，从而贮存的一部份 能量以声波形式释放。被声发射监测仪接受，借此判断岩体的破坏情况，目前在矿山岩体稳 定性预测中被广泛应用。但实验室反复试验已经证明，岩石在受压全过程都会产生声发射 现象，即承压过程的微裂纹闭合以及重新张开直至大面积裂纹贯通都伴随着声发射现象的 产生，声发射监测接受到的信号可能是承载压力的各个过程，而实际只有裂纹扩展贯通阶 段才是岩体失稳的前兆。因此，现场单一声发射监测也不能准确预测岩体失稳。
[0009] 以上各种地压监测预测方法都体现出手段单一，无法得到准确预测信息的缺点， 在硬岩矿山难采矿体和残留回采过程中，由于岩石坚硬，承受次生集中应力较强，存储应变 能较大，一旦发生岩体失稳，极易诱发冲击地压，对安全回采形成极大威胁。目前针对硬岩 矿山岩体稳定性监测预测的主要方法有应力监测和声发射监测等主要技术手段。但两种技 术手段在监测和预测方法上主要存在以下缺陷。
[0010] (1)监测方法单一
[0011] 目前在硬岩矿山地压监测中多采用应力监测或声发射监测，采用单一监测方法仅 能对回采过程中的岩体应力变化情况和内部结构破坏情况进行分析说明，但两种方法都不 能独立说明岩体是否处于破坏状态，对于难采和残留矿体回采而言，无论采用哪种监测方 法都不能准确判别地压状况。
[0012] (2)预测结果片面
[0013] 对矿山应力监测结果进行分析，以此来判别可能出现的地压显现，预测结果过于 片面，主要由于应力反映的是岩体受回采扰动而形成的此生应力的变化情况，应力升高和 降低有可能是应力聚集与消散的过程，也有可能是峰值破坏前后阶段。因此，以应力的升高 和降低来判断岩体失稳，进而预测地压显现，显然过于片面。同理，声发射事件数和能率等 主要监测指标的密集出现被认为是岩体失稳的前兆也过于武断。因为岩石孔隙压密及裂纹 萌生阶段也伴随着声发射现象的产生，此外，岩石发生塑性变形直至破裂之前也有密集声 发射现象产生，这两个阶段岩石仍然具有较大的承载能力，并未失稳。岩石失稳真正发生在 峰值之后裂纹贯通阶段，这一阶段同样有密集声发射事件产生。因此单纯依靠声发射指标 来判断岩体的稳定性状况很难得到准确的结论，致使最终预测结果出现偏差。
[0014] (3)缺乏有效的耦合预测模式
[0015] 硬岩矿山在监测过程中也会将两者配合使用，但对于监测结果的融合分析依然欠 缺耦合模式，多数分析认为应力增加，声发射指标密集出现就是失稳的前兆，这种分析方法 并不能真正说明岩石的真实稳定性状况，因为岩石承受压力的过程伴随了应力上升，声发 射出现。因此，目前的耦合预测方法具有较大的局限性，也不能真正实现硬岩矿山地压的准 确预测。
[0016] 综上所述，目前的监测方式存在单一性、片面性。对预测结果的准确性形成了较大 的影响。同时，在预测方法上目前缺乏有效的多信息耦合模式，致使多种监测方法的耦合预 测存在较大的局限性。
【发明内容】
[0017] 本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种硬岩矿山地压耦合预测的方 法。
[0018] 本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
[0019]本发明包括以下步骤：
[0020] ①监测传感器布置:传感器设置为圆柱状，规格小于矿山通常钻孔直径38_，传感 器布置时，首先在监测点处的岩壁上选择方便施工部位施工两个（p38mm的钻孔，分别为 应力测孔和声发射测孔，要求孔深大于2m，通常为2~2.5m，为保证两种测量信号反映同一 处岩体信息，两个测孔水平距离小于〇.5m，同时考虑方便施工，通常为0.3~0.5m，然后在应 力计测孔中将钻孔应力计放入孔底，并通过拧动应力计弹片将钻孔应力计施加预应力在 lOMPa左右，然后在另一钻孔中将声发射传感器放入，要求传感器探头接触点与孔底岩面紧 密接触，以保证接受岩体声发射信号，最后分别将测试导线与测试设备联通，实现连续监测 并记录监测数据；
[0021] ②测试数据耦合预测:利用声发射仪监测得到的声发射数据和钻孔应力计得到的 岩体应力监测值，对二者在同一时间轴上进行耦合分析，分别将钻孔应力值和声发射事件 数作为双纵轴数据，时间作为横轴数据，通过出现的耦合模式判断地压区岩体的稳定性状 况。
[0022]具体地，所述步骤②中声发射和应力的耦合预测模式如下：
[0023] (1)稳压一稳定模式:该模式下整个监测过程钻孔应力值保证在恒定范围，声发射 仪监测获得的声发射事件数很少甚至没有，出现该耦合模式表明岩体内部并未出现应力集 中，也并未发生破坏，整个岩体处于稳定状态，短期内不会有地压显现；
[0024] (2)升压一稳定模式:该模式下，整个监测过程钻孔应力值逐步升高，同时声发射 监测仪获得的声发射事件数较少，出现该耦合模式表明监测部位应力出现集中，并且有逐 渐上升的趋势，同时岩体内部结构在压力的作用下原先张开的裂隙在逐渐闭合，出现少量 声发射事件。岩体处于承载初期，稳定性较好，短期不会出现地压显现；
[0025] (3)升压一承载模式:该模式下，整个监测过程钻孔应力值逐渐升高，同时随着监 测时间延长，声发射事件数密集出现，出现该耦合模式表明监测部位出现应力集中，岩体中 的应力逐渐增大，同时岩体内部出现新的裂纹，并且裂纹在不断扩展，整个区域部位岩体进 入塑性变形阶段，但相关实验表明该阶段岩体仍然具有极大的承载能力，短期内不会出现 大规模的破坏，岩体仍处于稳定承载期。不会出现地压显现；
[0026] (4)降压一稳定模式:该模式下，整个监测过程应力逐渐下降，同时声发射监测仪 并未捕获大量声发射事件，声发射事件数较少甚至为零。出现该耦合模式表明该监测部位 岩体先前集中的次生应力逐步减小，主要可能由于周边某处实施回采或应力释放所致，整 个岩体处于次生应力转化阶段，由于岩体卸载，少量声发射事件数产生，岩体内部并未发生 大规模破裂，岩体处于稳定状态，短期内不会出现地压显现；
[0027] (5)降压一失稳模式:该模式下，整个监测过程应力逐步下降，同时声发射监测仪 得到大量声发射事件，且密集出现。出现该耦合模式表明岩体内部在发生破裂，并且裂纹在 逐步扩大甚至贯通，应力监测值下降也表明整个岩体内部结构发生破裂导致承载能力下 降，这一模式正是整个岩体失稳的先兆，岩体处于宏观破坏前期，短期内即会出现较大的地 压显现；
[0028] 通过以上五种应力与声发射事件数的耦合预测模式，基本涵盖了岩体承载变形直 至破坏监测过程中可能出现的各种耦合结果，将监测得到的岩体声发射参量和应力监测值 在时间轴上耦合分析，可以根据分析结果对照上述五种耦合预测模式，最终实现硬岩矿山 地压精准预测。
[0029] 本发明的有益效果在于：
[0030] 本发明是一种硬岩矿山地压耦合预测的方法，与现有技术相比，本发明针对以上 多种监测方法在预测岩体稳定性的信息及方法缺陷，提出技术适用强、准确性高的硬岩矿 山应力-声发射联合监测方法。实现多种监测方法采集信息的耦合分析，从技术原理上摒除 单一监测技术信息反映的缺陷，从而得到一套完整而有效的地压监测预测方法，准确预测 残留及难采矿体回采过程的地压状况，保障作业人员及设备的安全，实现硬岩矿山地压准 确预测，具有推广使用的价值。
【附图说明】
[0031] 图1是本发明的钻孔平面布置图；
[0032] 图2是本发明的钻孔应力计布置剖面图；
[0033] 图3是本发明的声发射传感器布置剖面图；
[0034] 图4是本发明的耦合预测坐标轴；
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