淺談聲波法技術(shù)在采礦中的應(yīng)用

李 鵬

(潞安礦業(yè)集團(tuán)(公司)古城煤礦，山西 長(zhǎng)治 046000)

在我國(guó)的現(xiàn)有能源中，煤炭占有很大的比重，因此，必須解決好采礦作業(yè)中的安全性并保證礦井生產(chǎn)的連續(xù)性。由于井下開(kāi)采活動(dòng)打亂了原巖應(yīng)力所處的原有平衡狀況，引起了應(yīng)力的重新分布，為保證安全生產(chǎn)，就要采取措施來(lái)減輕、調(diào)節(jié)、改變和利用礦山壓力［1］。

為了能夠有效地監(jiān)測(cè)巖體的動(dòng)態(tài)變化和揭露已有的地質(zhì)構(gòu)造，而又不破壞地下的整體結(jié)構(gòu)，可以利用巖體中自然的或人工激發(fā)的物理場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)目的。而彈性波的引入恰好能順利地解決這一問(wèn)題［2］。

所謂彈性波，是指彈性介質(zhì)中物質(zhì)粒子間有彈性相互作用，當(dāng)某處物質(zhì)粒子離開(kāi)平衡位置，即發(fā)生應(yīng)變時(shí)，該粒子在彈性力的作用下發(fā)生振動(dòng)，同時(shí)又引起周?chē)Ｗ拥膽?yīng)變和振動(dòng)，這樣形成的振動(dòng)在彈性介質(zhì)中的傳播過(guò)程稱(chēng)為“彈性波”。它在液體、氣體中是以波(縱波)的形式傳播的，而在固體中還能以波(橫波)的方式傳播。

1 彈性波的傳播理論

1．1 應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系

由于物體受到外力和應(yīng)力的作用，而巖體中應(yīng)力作用的結(jié)果是使其發(fā)生變形，甚至破裂。而應(yīng)力和應(yīng)變之間存在的關(guān)系取決于材料及實(shí)驗(yàn)的情況，通常情況下取為線(xiàn)彈性關(guān)系：

式中：

式中：

μ*和λ*—彈性常數(shù);

δik—單位矩陣符號(hào)［3］。

1．2 動(dòng)力學(xué)方程［4］

彈性動(dòng)力學(xué)方程是由物體內(nèi)的應(yīng)力、外力及運(yùn)動(dòng)加速度構(gòu)成的約束條件，在此我們用積分方式考慮建立方程為：

式中：

ρ—為質(zhì)點(diǎn)密度;

f—體積力;

F—作用在表面上的力;

V—物體體積;

S—物體表面積。

不考慮質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量ρd v隨時(shí)間變化的問(wèn)題，則上式左邊可以寫(xiě)成并且邊界上的面力應(yīng)該與物體內(nèi)的應(yīng)力保持連續(xù)，則有：σijni=Ti，最后應(yīng)用高斯定理(Gauss)將上式變形為：

故可以得出動(dòng)力學(xué)方程：

1．3 巖體中的波動(dòng)方程

巖體的彈性特征決定開(kāi)采應(yīng)力的動(dòng)態(tài)變化。這些彈性特征參數(shù)與地球物理參數(shù)，如縱橫波在巖石中的傳播速度等聯(lián)系在一起。

通過(guò)建立模型，可以得到巖體中的波動(dòng)方程：

波動(dòng)方程表明，在無(wú)限體中，震動(dòng)所形成的波因兩種不同形式的變形而形成兩種波—縱波和橫波，且以不同的波速傳播。波速為：

從上式可得出，lame 常數(shù)為：λ*= ρ(v2α-2v2β)和μ*= ρv2

β 。

2 聲波法在采礦中的應(yīng)用

2．1 聲波測(cè)量方法及原理

根據(jù)采礦地質(zhì)條件及研究目的，采礦聲波方法有以下幾種測(cè)量方式：

2．1．1 采礦巷道中的聲波剖面法

巷道中的聲波剖面法主要是測(cè)量巷道沿剖面線(xiàn)的聲波參數(shù)(主要是速度)。測(cè)量時(shí)，在剖面線(xiàn)上安裝地震波的激發(fā)點(diǎn)和接收點(diǎn)，以便激發(fā)地震波和接收地震波。巷道聲波剖面示意圖見(jiàn)圖1。

2．1．2 巷道間的聲波透視法

采礦巷道中的剖面法技術(shù)只獲得沿剖面線(xiàn)的一維聲波剖面分布，而且只考慮測(cè)量段的地質(zhì)采礦條件。為了消除這些缺陷，采用聲波透視法，它可以測(cè)量煤層平面，通常由兩條平行的巷道切割的部分，其中之一為激發(fā)，之二為接收。巷道間的地震透視法示意圖見(jiàn)圖2。

2．1．3 鉆孔中的聲波剖面法

鉆孔中的聲波剖面技術(shù)與巷道中的振動(dòng)剖面技術(shù)類(lèi)似，只是將巷道用鉆孔代替了。這種方法主要用來(lái)解決特殊的問(wèn)題，例如，采用地球物理法確定煤層的沖擊傾向性，以及采用簡(jiǎn)單的方法不能實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題，如為消除鄰近煤層的停采線(xiàn)對(duì)研究區(qū)域的影響等。鉆孔中的聲波剖面法布置示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 鉆孔中的聲波剖面法布置示意圖

測(cè)量時(shí)，鉆孔中布置接收探頭，并按一定的距離移動(dòng)探頭。每次測(cè)量時(shí)，在鉆孔進(jìn)行激發(fā)，記錄彈性波在鉆孔中傳播的特征。

2．1．4 鉆孔中的聲波剖面法

這種方法是用來(lái)測(cè)試兩個(gè)或多個(gè)鉆孔之間巖體的應(yīng)力應(yīng)變變化規(guī)律。常用的是相互平行的兩個(gè)鉆孔，其中一個(gè)安設(shè)激發(fā)點(diǎn)，另一個(gè)安設(shè)接收探頭。鉆孔之間的聲波透視法示意圖見(jiàn)圖4。

圖4 鉆孔之間的聲波透視法示意圖

2．2 聲波法預(yù)測(cè)沖擊礦壓動(dòng)力危險(xiǎn)

聲波測(cè)量方法的選擇主要是根據(jù)具體的采礦地質(zhì)條件和所要解決的問(wèn)題而定。對(duì)于不同的問(wèn)題，可選用較優(yōu)化的聲波方法，解決問(wèn)題所采用的方法見(jiàn)表1。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和測(cè)量?jī)x器的改進(jìn)，該方法有著極大的應(yīng)用前景，能夠較精確地確定開(kāi)采過(guò)程中的應(yīng)力變化和探測(cè)煤巖的物理力學(xué)參數(shù)等問(wèn)題。

表1 解決問(wèn)題所采用的方法數(shù)

3 結(jié)論

采礦地球物理學(xué)是采礦科學(xué)的一個(gè)新的分支，而其中的彈性波理論在采礦中的應(yīng)用也有著發(fā)展前景。而電子計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，促進(jìn)了地球物理方法的發(fā)展。本文通過(guò)介紹彈性動(dòng)力學(xué)方程，并分析了彈性波理論中的聲發(fā)射法的原理和應(yīng)用，通過(guò)這些方法的論述體現(xiàn)了采用彈性波理論研究礦山開(kāi)采問(wèn)題的4個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：1)與打鉆孔、掘巷道探測(cè)相比，觀察、測(cè)量成本低。2)采礦中的許多現(xiàn)象和過(guò)程只能用采礦地球物理方法才能進(jìn)行測(cè)量、記錄和分析。例如巖體震動(dòng)、沖擊礦壓、煤和瓦斯突出等礦山動(dòng)力現(xiàn)象，而采用其他測(cè)量方法則不可能做到。3)獲得的信息量大。4)研究測(cè)量具有非破壞性。

因此，可以預(yù)計(jì)，在21世紀(jì)將主要應(yīng)用地球物理方法來(lái)測(cè)量、觀測(cè)和研究采礦作業(yè)中的一系列難題。

［1］ 錢(qián)鳴高，石平五．礦山壓力與巖層控制［M］．江蘇：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2003：78-95．

［2］ 孔 丹，李許偉，趙紅超．采礦地球物理方法預(yù)測(cè)沖擊礦壓［J］．煤礦現(xiàn)代化，2009(6)：39-40．

［3］ 竇林名，謝耀社，方新秋，等．采礦地球物理學(xué)概論［M］．江蘇：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2005：13-17．

［4］ 竇林名，谷德鐘，曹樹(shù)剛．沖擊礦壓及其防治［J］．礦山壓力與頂板管理，2004(2)：215-218．