巖石聲發(fā)射的沖擊礦壓危險性評價及預(yù)報的地音法

巖石聲發(fā)射的沖擊礦壓危險性評價及預(yù)報的地音法

影響礦壓是礦山壓力的動力學(xué)現(xiàn)象。它的快速、強(qiáng)烈、暴力的破壞特點是對礦山安全的巨大威脅，給礦山造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員損失。特別是隨著采深的增加，影響礦壓問題變得越來越突出。徐州、北京、大同、撫順、北票、兗州、棗、新斌等礦山存在影響礦壓的風(fēng)險。世界各國如波蘭,捷克,德國,美國,加拿大,俄羅斯,南非,法國,日本等對沖擊礦壓的危險性評價、沖擊礦壓防治等方面的研究都非常重視,并取得了很大的成績,使煤礦沖擊礦壓的發(fā)生減少到了最低水平.在沖擊礦壓的危險性評價方面,世界各國特別是波蘭(70%以上為沖擊礦壓礦井)采用的方法有綜合評價方法,其中包括分析認(rèn)識法,地震法,地音法以及小直徑鉆孔法.這些方法為在可能發(fā)生的沖擊礦壓的地點進(jìn)行危險性評價,采取相應(yīng)的防治措施打下基礎(chǔ).地音的研究從30年代開始.首先是由歐伯特(Obert)在鋅礦和鉛礦測量地震波傳播時開始,其后在美國的密歇根(Michigan)銅礦進(jìn)行.隨后地音的研究在美國、日本、南非、波蘭、德國、俄羅斯、捷克等國家展開.研究表明,巖體中隨機(jī)發(fā)射的地音信號與巖體中的壓力水平及其增長有關(guān),以此來評價巖體中的應(yīng)力狀態(tài).地音研究的目的就是確定巖體中的應(yīng)力狀態(tài)以及預(yù)測采掘面及周圍巖體突然、猛烈的破壞例如沖擊礦壓煤和瓦斯突出垮落等1同雙向破壞試驗結(jié)果實驗研究表明,巖石的聲發(fā)射與巖石在載荷作用下破壞的過程緊密相關(guān).簡單地說,在單軸增載荷的作用下,巖石試塊的聲發(fā)射強(qiáng)度與非彈性(破壞)體積變形(擴(kuò)張)緊密相關(guān).絕大多數(shù)的試驗表明,這種關(guān)系特別是在蠕變的第二階段,可以說是成正比.假設(shè)某個時刻,地音發(fā)射的能量大小w(t)與擴(kuò)張速度,也就是破壞速度ε′(t)的關(guān)系可以寫成下式兩邊積分可以得到式中:X(t)為從加載開始到時間t的總破壞變形;w(t)為與巖石微破壞有關(guān)的地音事件總能量;C,Ca為常數(shù).在一定的條件下,如果試塊破壞時,存在某個破壞變形的標(biāo)準(zhǔn)值,記為Xc,上式兩邊由該值相除,并記C0=X0/Xc,C1=Ca/Xc,則式中,Z(t)為t時刻巖體破壞的危險狀態(tài)值,Z(t)=X(t)/Xc確定了t時刻巖石在載荷影響下,實際破壞的危險程度.式(3)表明了地音與巖石破壞過程和巖石破壞危險之間的關(guān)系.對于井下采掘作業(yè)來說考慮一個固定點或者是采掘面推進(jìn)過程中的某個運動點意義不大.因為采掘工作面是向未破壞的原始煤體推進(jìn)的.因此,采掘工作面前方的破壞程度和危險性有兩個過程:1)隨著時間的增長,破壞程度(完全破壞或接近于破壞)和危險性增加;2)采掘工作面推進(jìn)到?jīng)]有破壞的區(qū)域.從理論上講,巖體破壞的速度可以由工作面開采速度來限制,但實際很難做到.通常在巖體破壞速度與采掘工作面推進(jìn)速度之間有一個平衡狀態(tài).該平衡狀態(tài)的特點是接近于一個穩(wěn)定的危險程度和每噸煤或者每平方米出露頂板的聲發(fā)射值接近于一個穩(wěn)定值.對于該狀態(tài)來講,聲發(fā)射的較小變化通常是一個概率事件,證明巖體破裂的危險性有小的變化.聲發(fā)射的較大變化和較長的持續(xù)時間說明了平衡狀態(tài)的變化和危險性的變化——危險性增加或降低.上述觀點就是連續(xù)聲發(fā)射監(jiān)測法的基礎(chǔ).設(shè)E為過去一小時內(nèi)聲發(fā)射的能量或事件數(shù),E-為一段時間內(nèi)這些值的平均值,d為能量或事件數(shù)的偏差值.偏差值定義為假設(shè)存在一個函數(shù)F0,它與單位時間內(nèi)因巖體危險程度平均值的變化ΔZ-而變化的平均偏差值d-(t)有關(guān).函數(shù)F0是未知的,但可以由近似值F1來代替.則對于連續(xù)時間段來說這樣,采用連續(xù)監(jiān)測的地音法,可以通過巖體破壞危險狀態(tài)值,來確定采掘工作面的沖擊礦壓危險程度.2煤班事件數(shù)額的確定由上可知,巖體中聲發(fā)射的地音強(qiáng)度及事件數(shù)增加,說明巖體內(nèi)應(yīng)力的增加及沖擊礦壓危險性的增加.對于采掘工作面,為評價沖擊礦壓的危險性,以如下八個地音指標(biāo)為基礎(chǔ)來確定地音強(qiáng)度和事件數(shù)的偏差.1)采煤班的班平均事件數(shù)N-wt;2)非采煤班的班平均事件數(shù)-st;3)采煤小時的小時平均事件數(shù)N-wh;4)非采煤小時的小時平均事件數(shù)N-sh;5)采煤班的班平均地音強(qiáng)度E-wt;6)非采煤班的班平均地音強(qiáng)度E-st;7)采煤小時的小時平均地音強(qiáng)度E-wh;8)非采煤小時的小時平均地音強(qiáng)度E-sh.對于給定的單位時間,可以確定上述每個指標(biāo)的偏差值.如對于采煤班的班平均事件數(shù)N-wt,其偏差值為其余類推(式中N為觀測班的事件數(shù)).3采礦作業(yè)的監(jiān)督管理采用地音法對沖擊礦壓的危險性進(jìn)行評價時,可將沖擊礦壓的危險程度分為4級,即:a級,無沖擊危險.所有的采礦作業(yè)按作業(yè)規(guī)程進(jìn)行.b級,弱沖擊危險.此時,1)所有采礦作業(yè)可按作業(yè)規(guī)程進(jìn)行;2)加強(qiáng)沖擊礦壓危險狀態(tài)的觀測及采礦作業(yè)的監(jiān)督管理.c級,中等沖擊危險.在這種危險狀態(tài)下,下一步的采礦作業(yè)應(yīng)當(dāng)與沖擊礦壓的防治措施一起進(jìn)行.對觀測結(jié)果和控制情況測量記錄在案,觀測的危險程度不再增長.d級,強(qiáng)沖擊危險.此時:1)應(yīng)停止采礦作業(yè),不必要的人員撤離危險區(qū)域;2)生產(chǎn)礦長應(yīng)當(dāng)確定限制和降低沖擊礦壓危險程度的方法和措施,并檢驗防治措施的效果,確定實施沖擊礦壓防治措施的工作人員.3)如果采取措施后,沖擊礦壓危險程度有了降低,則采礦作業(yè)可繼續(xù)進(jìn)行;如果危險狀態(tài)不變,必須繼續(xù)采取防治措施;如果沖擊礦壓危險程度繼續(xù)升高,則所有的采礦作業(yè)必須停止,暫停或關(guān)閉采掘面及巷道.通過專家分析、處理的意見,經(jīng)上級批準(zhǔn),方可實施防治措施及進(jìn)行采礦作業(yè).4影響礦山壓力的評估4.1工作面危險性狀態(tài)評定差差分.采用地音法進(jìn)行班評價根據(jù)班地音事件數(shù)及地音強(qiáng)度的偏差(采煤班或非采煤班的地音事件數(shù)及地音強(qiáng)度的偏差),對沖擊礦壓危險狀態(tài)進(jìn)行評價.通過歸一化處理,采掘工作面的危險性程度可表示為式中:＿d0為以本班數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)確定的危險狀態(tài),d為地音事件數(shù)或地音強(qiáng)度的偏差值.圖1介紹了采用地音法對采掘工作面進(jìn)行沖擊礦壓危險狀態(tài)班評價的具體實施方法.4.2時段與實際危險狀態(tài)的關(guān)系根據(jù)小時地音事件數(shù)及地音強(qiáng)度的偏差(采煤小時或非采煤小時地音事件數(shù)及地音強(qiáng)度的偏差),可評價沖擊礦壓的危險狀態(tài).通過歸一化處理,采掘工作面的危險程度可表示為:式中:＿d為以本班及前幾個班數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)確定的該班實際危險狀態(tài);d為小時地音事件數(shù)及地音強(qiáng)度的偏差值;t為偏差持續(xù)的小時數(shù),其余符號意義同前.對于目前在煤礦采用的三八工作制度來說,如果下一個小時的偏差值d是下降的,則沖擊礦壓的危險狀態(tài)由下式來計算以小時地音事件數(shù)及地音強(qiáng)度的偏差為基礎(chǔ),通過上述關(guān)系式確定危險狀態(tài)時,其沖擊礦壓危險程度應(yīng)不低于該班開始時的危險程度.表1為根據(jù)小時地音事件數(shù)及地音強(qiáng)度的偏差對采掘工作面沖擊礦壓危險狀態(tài)進(jìn)行評價的具體實施方法.5沖擊礦壓危險性評價波蘭卡托維茲(Katowice)礦是一個高沖擊礦壓危險的礦井.其中所有的巷道、工作面都采取了沖擊礦壓危險性評價的地音法.圖2表示了一個月時間內(nèi),采用地音法對535b垮落法工作面,535a充填法工作面、535c工作面的開切眼及535a的回風(fēng)巷沖擊礦壓危險性評價的結(jié)果.實踐表明,這些工作面的沖擊礦壓危險性評價比較準(zhǔn)確6聲發(fā)射指標(biāo)和預(yù)報方法1)巖石的聲發(fā)射和巖石在載荷作用下破壞的過程緊密相關(guān),根據(jù)其相互關(guān)系