巴州敦德矿业有限责任公司 新疆维吾尔自治区 830000
摘要：由于矿山地质条件复杂和参数取值的不确定性较大，无论是实验室试验，或是数值模拟计算分析，都不能百分之百正确的预测岩体开采后的力学效应，计算结果存在一定程度的局限性。而唯一能达到这一目的的方法就是对开采后空区周围岩体（顶板岩体和矿柱）的实际反应进行实地观测。因此，现场岩体应力与变形的观测就成为采矿等岩体工程中确定岩体结构应力与变形、破坏的必要手段，而且，其观测工作应成为采矿工程设计与监控的一个必不可少的组成部分。矿体开采过程中围岩变形的监测反馈信息不仅能够对计算结果的从整体上予以验证，亦能够根据监测信息进行预测预报，确保开采工作的安全进行。同时，对于敦德铁矿，矿体开采后上覆围岩的冒落状态也是大家密切关注的问题。
关键字：围岩变形；预测预报；力学效应；冒落状态
采矿过程中，随着有用矿物被采出，采空区周围矿山岩体原来的自然平衡状态被破坏，围岩通过变形、破坏（开裂、冒落等）和应力重分布达到新的平衡状态。围岩中应力重分布，以及围岩的变形和破坏称之为地压现象。地压现象主要表现为矿房顶板应力释放、沉降变形、顶板垮冒、矿柱应力集中和矿柱失稳破坏等，威胁内部生产活动安全。
1、地下开采引起围岩冒落情况监测
1.1巷道内施工钻孔探测采空区
因地表无法到达施工，本次钻孔探测方法通过井下方式施工。在矿山开采至三分层时，在离采空区最近点选取最优位置布设钻孔，根据现场条件选取五分层斜坡道位置设计钻孔，钻孔施工过程中，若岩芯比较完整，采取率较高且回水正常，考虑钻孔处于原岩位置；若无岩芯且几乎无回水，结合施工位置，考虑钻孔在采空区内施工；若有少量岩芯，回水较少且钻孔进尺较难，结合钻孔施工位置，考虑钻孔在破碎区内，钻孔施工位置及推测冒落区如图1.1所示。
.png)
图1.1设计钻孔布置图
1.2、三维激光探测
本项目采空区探测可采用英国MDL公司研制的地下空区三维激光扫描仪C-ALS（图2.1），C-ALS直译为三维激光精密探测系统，该系统主要针对地下矿山隐伏采空区的探测，设备的直径只有50mm，可以预先钻大于或等于65mm的探洞，然后将设备从探洞伸入空区内，通过前部激光扫描仪，测量出整个空区的三维形状以及表面反射性，并且该设备在水平和竖直方向都可以实360无盲角探测，无需人员进入，采用全自动化三维机器人式扫描，三维激光探测法是利用激光发出至空区壁返回的时间差计算出距离从而构建出采空区的三维空间形态模型。
针对敦德铁矿开采条件及设备探测条件，设备部署要求为：
1）上倾钻孔：向上保证角度为0-45°（与水平方向夹角），深度不超于30米；
2）水平钻孔：水平保证水平直线方向，深度不超于50米；
3）下向垂直钻孔：向下保证垂直方向，深度150米；
4）下倾钻孔：角度不超于30°（与垂直方向夹角），深度控制在80米之内。
1.3方案比选
由于四分层与五分层采区均在斜坡道位置封堵，方案1计划在离五分层空区最近点选取最优位置布设钻孔，根据现场条件选取靠近五分层封堵位置设计上斜孔，设计高程3998m，方位角320°，上斜角度9.5°，孔深51米。根据设计院要求上倾钻孔向上保证角度为0-45°（与水平方向夹角），深度不超于30米，方案1钻孔深度大于30米，方案不合理。
.png)
图2.1三维激光扫描仪C-ALS
方案2计划在方案1位置处设计水平孔，设计高程3998m，方位角323°倾角0°，孔深43米，符合水平钻孔要求。
目前敦德铁矿生产速度较快，并对斜坡道位置进行了封堵，难以进行水平钻孔的施工。三维激光探测对探测条件有一定的要求，需要提前规划、部署，需要根据生产实际条件与需求，提前进行安排。
2、地下开采引起地表变形情况监测
敦德铁矿地表条件复杂，在自然、人为或两者的综合因素作用下，必然会在矿体开采过程中产生地表塌陷。准确识别及预测这些潜在滑坡、塌陷是减轻和避免地质灾害的关键所在。滑坡或塌陷范围的监测传统技术手段可采用水准测量、GPS测量、三维激光扫描、测量机器人、遥感、近景摄影测量等手段进行监测。这些常规的测量手段存在的主要问题是费时费力、监测区域面积小、设备仪器价格昂贵、且只能获取若干独立点上的形变观测结果，同时考虑敦德铁矿的具体条件，因此无法满足敦德铁矿地表自然山坡滑坡、地表塌陷范围的监测要求。
星载合成孔径雷达干涉测量是近几十年来发展的新式变形监测的测量技术，它在各种气候条件下都可连续监测，监测的空间范围广泛，监测范围取决于SAR影像的幅宽，且精度可达到毫米级。
合成孔径雷达利用小天线作为单个辐射单元，沿某一固定方向移动，在不同位置接收同一地物返回的雷达信号并进行相关处理，进行成像。通过小天线的运动形成一个等效大天线，就可以获取高分辨率的星载合成孔径雷达图像（图2.1）。
.png)
图2.1合成孔径雷达成像原理
3、地下开采巷道变形预警
3.1地下开采巷道变形预测方法
目前国内外对此进行了大量的研究，常用的研究法有拉格朗日插值法、指数平滑法、样条插值法、回归模型法、人工神经网络法、时间序列分析法以及灰色系统理论方法等，目前工程中应用较多的是时间序列分析法、灰色系统理论和神经网络法。
3.2巷道围岩及支护变形预报的时间序列预测方法
时间序列分析是目前对动态数据处理的一种有效方法，它不要求考虑影响观测值的各种力学因素，而是对这些观测数据进行处理，并可利用它们对未来进行预测。
时间序列分析对观测数据有一定要求：等时性和稳定性。
由于井下观测干扰多、难度大、时间长，要想做到等时间观测相当困难，偶然的失误和缺值将使实测数据全部作废，这时，需要采用某种方法补足欠缺的观测值才能解决观测中各种干扰。
3.3巷道掘进初期围岩变形灰色模型预测
灰色系统理论克服了时间序列预测理论需要数据多和等时性强等缺点，它可通过少量等时或非等时实测数据，建立相应的预测模型，达到定量预测预报的目的。
3.4巷道围岩及支护变形的人工神经网络模型预测方法
人工神经网络是模仿生物及人脑结构和功能的一种信息处理系统，它具有大规模并行结构、信息的分布式存储和并行处理功能，具有良好的自适应性、自组织性和容错性；具有较强的学习、记忆、联想、识别功能，对数据具有良好的拟合能力等。学习过程中对网络先选一组初始连接权及阈值，输入训练样本计算输出值，并把输出值同期望值的误差反向传回网络，修改连接权及阈值以减小误差，直到得到满意的权值及阈值，这样便得到了网络的具体模型。训练完成后，将待预测样本输入网络，进行检验预测。
4、结束语
根据敦德铁矿现场实际条件和需求，提出了利用三维激光精密探测系统探测采空区和利用合成孔径雷达干涉测量监测地表塌陷和边坡破坏的监测方法。研究了巷道变形破坏的机理及破坏特征，分析了地下开采时巷道变形的预警方法。
参考文献
[1]《深凹露天转地下开采高陡边坡变形与破坏规律》北京科技大学学报，宋卫东等，2010.2.
[2]《露天转地下开采覆盖层安全结构和边坡变形动力冲击与控制研究》第二届金属采矿科学前沿论坛，蔡美峰，2009.6.
[3]《深部矿体崩落法开采地表沉降规律研究》硕士论文，东龙宾，2014.7.