聲發(fā)射監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)沖擊地壓危險(xiǎn)狀態(tài)的機(jī)制及應(yīng)用研究

楊 磊，馮美華

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013)

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聲發(fā)射監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)沖擊地壓危險(xiǎn)狀態(tài)的機(jī)制及應(yīng)用研究

楊 磊1，2，馮美華1，2

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013)

為了研究聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)在沖擊地壓危險(xiǎn)狀態(tài)評(píng)價(jià)和預(yù)警應(yīng)用中的可行性，理論分析了聲發(fā)射活動(dòng)與煤巖損傷的關(guān)系，基于實(shí)驗(yàn)室測(cè)試驗(yàn)證了聲發(fā)射指標(biāo)與煤層沖擊傾向性的相關(guān)性，并將研究成果應(yīng)用到了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐。研究結(jié)果表明：聲發(fā)射活動(dòng)能夠直接反映煤巖材料的損傷程度，聲發(fā)射事件的峰值能量與煤層沖擊傾向性呈正相關(guān)關(guān)系，一定程度上揭示了煤巖發(fā)生沖擊破壞的能力，是評(píng)價(jià)沖擊地壓危險(xiǎn)狀態(tài)的基礎(chǔ)?；诎l(fā)震概率與報(bào)準(zhǔn)率的衡量標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用聲發(fā)射敏感指標(biāo)地音異常系數(shù)對(duì)沖擊危險(xiǎn)狀態(tài)給出了評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)，確定了潛在沖擊危險(xiǎn)區(qū)域和危險(xiǎn)狀態(tài)，有利于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)提前采取措施，降低沖擊危險(xiǎn)。

聲發(fā)射；沖擊地壓危險(xiǎn)狀態(tài)；損傷；沖擊傾向性；地音異常系數(shù)

沖擊地壓是在高應(yīng)力狀態(tài)下積聚有大量彈性能的煤巖體突然發(fā)生破壞、冒落或拋出的具有破壞性的動(dòng)力災(zāi)害，其巨大的破壞性和復(fù)雜性已成為制約煤礦安全生產(chǎn)的重大隱患[1-3]。

隨著我國(guó)礦井逐步進(jìn)入深部開采，沖擊地壓?jiǎn)栴}日趨嚴(yán)重，已成為煤礦工程與巖石力學(xué)領(lǐng)域公認(rèn)的最嚴(yán)重的災(zāi)害之一。因此，深入開展沖擊地壓的危險(xiǎn)狀態(tài)評(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)防治研究已成為我國(guó)煤礦安全持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵課題。

煤巖等固體材料在外界條件作用下，以彈性波的形式快速釋放彈性能的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射[4]，在煤礦現(xiàn)場(chǎng)稱之為地音，其在一定程度上反映了煤巖材料內(nèi)部的微破裂狀況，而該微破裂的進(jìn)一步發(fā)展則易形成最終的斷裂失穩(wěn)，即沖擊地壓。由此可見，對(duì)煤巖進(jìn)行聲發(fā)射監(jiān)測(cè)可以實(shí)現(xiàn)沖擊地壓的危險(xiǎn)評(píng)價(jià)和預(yù)警。

基于聲發(fā)射監(jiān)測(cè)的對(duì)象及原理，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)聲發(fā)射技術(shù)展開了大量的基礎(chǔ)及應(yīng)用研究[5-8]，取得了許多成果，但主要集中在實(shí)驗(yàn)室煤巖破裂的聲發(fā)射機(jī)理、參數(shù)特征及煤礦井下適應(yīng)性等方面，而將其應(yīng)用于煤礦現(xiàn)場(chǎng)沖擊地壓危險(xiǎn)狀態(tài)評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)方面的研究較少，其主要原因在于聲發(fā)射信號(hào)能量低、頻次高，抗干擾能力小，且在煤巖體這種裂隙發(fā)育且非均質(zhì)的材料中衰減太大，在煤礦這種復(fù)雜條件下難以被接受，再加上微震監(jiān)測(cè)技術(shù)的不斷完善，使得聲發(fā)射(地音)監(jiān)測(cè)技術(shù)至今未得到普遍應(yīng)用。

但不可否認(rèn)的是，聲發(fā)射監(jiān)測(cè)的是沖擊地壓發(fā)生前的煤巖微破裂，是真正能實(shí)現(xiàn)沖擊地壓危險(xiǎn)狀態(tài)評(píng)價(jià)和預(yù)警的技術(shù)手段。因此，本文首先分析了聲發(fā)射與煤巖損傷的關(guān)系，在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上得出了能夠反映煤巖沖擊破壞能力的聲發(fā)射敏感指標(biāo)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用，對(duì)敏感指標(biāo)進(jìn)行了優(yōu)化并研究了其在評(píng)價(jià)和預(yù)警沖擊地壓危險(xiǎn)狀態(tài)的應(yīng)用效果，為國(guó)內(nèi)其他礦井應(yīng)用聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)提供了應(yīng)用基礎(chǔ)和借鑒。

1 聲發(fā)射與煤巖損傷關(guān)系分析

損傷是指存在于材料內(nèi)部的各種缺陷，卡錢諾夫在研究金屬損傷時(shí)提出損傷變量D來(lái)衡量材料損傷程度，D=1-ω，ω為連續(xù)性變量。當(dāng)D=1時(shí)表示材料完全破壞；D=0時(shí)表示無(wú)損狀態(tài)；0

煤巖材料通常不均勻，內(nèi)部包含微裂紋和孔隙等缺陷，外界作用引起微裂紋擴(kuò)大、損傷并且均勻分布在整個(gè)試樣中。目前認(rèn)為煤巖材料的損傷主要以微裂紋延伸的形式開始，這種微裂紋的延伸由局部應(yīng)力集中引起。由于聲發(fā)射是材料破壞過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力波，與微裂紋或缺陷有直接的關(guān)系，且監(jiān)測(cè)到的聲發(fā)射分布是一種統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律，因此，損傷與聲發(fā)射之間必然存在一定關(guān)系，可以建立起統(tǒng)計(jì)損傷與聲發(fā)射的關(guān)系。

設(shè)單位面積微元體破壞的聲發(fā)射率為n，則單位面積dA破壞時(shí)的聲發(fā)射累積事件數(shù)為：

N=n·dA

(1)

整個(gè)截面面積A破壞時(shí)的聲發(fā)射累積事件數(shù)為NA，則：

(2)

假定微元的強(qiáng)度分布服從Weibull 分布，其分布密度函數(shù)為：

(3)

根據(jù)微元的強(qiáng)度分布假設(shè)可知，當(dāng)試件的應(yīng)變?cè)黾觗ε時(shí)，則產(chǎn)生破壞的截面增加量dA為：

dA=A·φ(ε)·dε

(4)

將式(4)代入式(2)得：

N=NA·φ(ε)·dε

(5)

損傷量D是材料損傷程度的量度，各微元中存在的缺陷反映了其損傷程度，并且直接影響著微元的強(qiáng)度，微元損傷率與損傷量的關(guān)系為：

(6)

由式(5)和式(6)可知，當(dāng)截面面積破壞達(dá)AO時(shí)，損傷變量D為：

(7)

由此可見，聲發(fā)射活動(dòng)可以直接反映煤巖材料的損傷程度。因此可以通過(guò)監(jiān)測(cè)得到的聲發(fā)射活動(dòng)特征來(lái)推斷煤巖變形破壞情況，對(duì)一個(gè)既定的煤巖系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，則可依此判斷沖擊地壓危險(xiǎn)狀態(tài)。

2 聲發(fā)射活動(dòng)與沖擊傾向性相關(guān)性

沖擊傾向性作為煤巖介質(zhì)的固有屬性，在一定程度上反映了煤巖材料積聚變形能和發(fā)生沖擊破壞的能力，為了驗(yàn)證聲發(fā)射監(jiān)測(cè)能切實(shí)有效地評(píng)價(jià)煤巖材料的沖擊危險(xiǎn)狀態(tài)，首先在實(shí)驗(yàn)室對(duì)聲發(fā)射活動(dòng)與煤巖的沖擊傾向性指標(biāo)的相關(guān)性進(jìn)行驗(yàn)證。

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

本試驗(yàn)試件來(lái)自3個(gè)礦區(qū)不同煤層，在實(shí)驗(yàn)室按國(guó)標(biāo)加工成φ50mm×100mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣，在試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行1次加載和循環(huán)加卸載試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中把聲發(fā)射傳感器用耦合劑和膠帶粘貼在試件上，用于采集聲發(fā)射信號(hào)。

試驗(yàn)所用的加載系統(tǒng)為TAW-2000微機(jī)控制高溫巖石三軸試驗(yàn)機(jī)，加載系統(tǒng)采用高性能電液伺服比例閥組及計(jì)算機(jī)數(shù)字控制。聲發(fā)射測(cè)試采用美國(guó)物理力學(xué)公司(Physical Acoustic Corporation)生產(chǎn)的PCI-2全數(shù)字化聲發(fā)射信號(hào)采集分析系統(tǒng)。

試驗(yàn)時(shí)，采用軸向位移加載和負(fù)荷加載控制方式，通過(guò)對(duì)試件進(jìn)行1次加載和循環(huán)加卸載，記錄和分析試件的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性能量指數(shù)、沖擊能量指數(shù)及動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間。聲發(fā)射試驗(yàn)采樣率設(shè)為1MHz，前置放大器和主放大器增益設(shè)為40dB，即信號(hào)放大倍數(shù)為100倍，采用4個(gè)通道同時(shí)采集數(shù)據(jù)，全程進(jìn)行聲發(fā)射信號(hào)的采集，主要采集參數(shù)包括撞擊數(shù)、振鈴計(jì)數(shù)、能量計(jì)數(shù)、峰值能量等特征參數(shù)，加載過(guò)程與聲發(fā)射監(jiān)測(cè)保持同步，以方便聲發(fā)射參數(shù)與沖擊傾向性4個(gè)指標(biāo)的相關(guān)分析。

2.2 相關(guān)性分析

沖擊傾向性的4個(gè)指標(biāo)中，主要包括2個(gè)能量指數(shù)，1個(gè)強(qiáng)度指數(shù)和1個(gè)時(shí)間指數(shù)，而聲發(fā)射特征參數(shù)中與之相近的為能量計(jì)數(shù)和峰值能量，其中峰值能量可以涵蓋2個(gè)能量指數(shù)和時(shí)間指數(shù)的相關(guān)信息，因此，對(duì)聲發(fā)射峰值能量與沖擊傾向性的4個(gè)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，如圖1所示。

圖1 峰值能量與沖擊傾向性指標(biāo)的相關(guān)性

從圖1中可以看出，聲發(fā)射峰值能量與彈性能量指數(shù)、沖擊能量指數(shù)和單軸抗壓強(qiáng)度可以很好地?cái)M合，從擬合曲線可以看出隨著彈性能量指數(shù)、沖擊能量指數(shù)和單軸抗壓強(qiáng)度的增加，聲發(fā)射事件峰值能量隨之增加，表明峰值能量與彈性能量指數(shù)、沖擊能量指數(shù)和單軸抗壓強(qiáng)度呈較好的正相關(guān)關(guān)系；此外，隨著動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間的增加，事件的峰值能量隨之降低，呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。由此可見，聲發(fā)射事件的峰值能量與煤巖沖擊傾向性存在較好的正相關(guān)關(guān)系，直接反映了煤巖發(fā)生沖擊破壞的能力，在一定程度上有助于評(píng)價(jià)沖擊危險(xiǎn)狀態(tài)。

3 沖擊危險(xiǎn)聲發(fā)射評(píng)價(jià)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用評(píng)價(jià)指標(biāo)

聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于煤礦現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)稱為地音技術(shù)，與實(shí)驗(yàn)室不同的是，煤礦現(xiàn)場(chǎng)條件復(fù)雜，受噪音干擾、安裝工藝及監(jiān)測(cè)對(duì)象等因素的影響，直接應(yīng)用單一的能量、事件數(shù)等指標(biāo)進(jìn)行沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)效果并不理想，也無(wú)法給出評(píng)價(jià)指標(biāo)的具體臨界值。然而，由于地音監(jiān)測(cè)的高度敏感特征，對(duì)于煤巖體內(nèi)部微破裂均會(huì)引起地音能量及頻次的大幅變化，這種異常變化卻易于掌握，因此，選取地音能量異常指數(shù)PE與頻次異常指數(shù)PN作為現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)沖擊地壓危險(xiǎn)的主要指標(biāo)，其計(jì)算公式如下：

(8)

(9)

為了辨別這兩個(gè)指標(biāo)的合理性與有效性，運(yùn)用發(fā)震概率與報(bào)準(zhǔn)率對(duì)其評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行衡量。發(fā)震概率是指評(píng)價(jià)過(guò)程中預(yù)測(cè)正確的次數(shù)與預(yù)測(cè)總次數(shù)的比值，報(bào)準(zhǔn)率是指報(bào)對(duì)次數(shù)與應(yīng)預(yù)報(bào)次數(shù)的比值[11]。

圖2為6個(gè)礦井21個(gè)采掘工作面能量異常系數(shù)、頻次異常系數(shù)與發(fā)震概率的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，從圖中可見，能量異常系數(shù)和頻次異常系數(shù)這兩個(gè)危險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)與發(fā)震概率呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)關(guān)系，因此，通過(guò)計(jì)算這兩個(gè)指標(biāo)可以評(píng)價(jià)當(dāng)前的沖擊地壓危險(xiǎn)程度。

圖2 地音異常系數(shù)與發(fā)震概率的統(tǒng)計(jì)關(guān)系

3.2 應(yīng)用效果驗(yàn)證

依據(jù)上述分析得到的評(píng)價(jià)指標(biāo)與衡量標(biāo)準(zhǔn)，在內(nèi)蒙古古山煤礦進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用驗(yàn)證。古山煤礦一井主要可采煤層為6-2煤層，目前開采深度為400m左右，煤層平均厚度為14.95m，煤層傾角26°，煤層上覆頂板巖層為輝綠巖侵入體，厚度230m左右。礦井目前正在回采069-2綜采工作面，該面西臨上分層069-1和068-1采空區(qū)，南臨068-2采空區(qū)，東臨066-1和065-2采空區(qū)，屬于三面環(huán)島區(qū)，在開采過(guò)程中頻繁發(fā)生沖擊地壓顯現(xiàn)，該礦于2012年引進(jìn)了ARAMIS M/E微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和ARES—5/E地音監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2013年2月27日3時(shí)56分，069-2工作面回風(fēng)巷距切眼110m位置靠近頂板位置發(fā)生一起高能事件，震級(jí)ML1.7，釋放能量1.86×106J，井下有轟隆聲，局部頂煤垮落。圖3為2月24日至3月2日地音事件頻次、能量異常系數(shù)的變化情況，根據(jù)古山煤礦長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)規(guī)律確定其異常系數(shù)的安全線、黃色預(yù)警線與紅色預(yù)警線分別為0.25，1和2。從圖中可以看出，沖擊地壓發(fā)生前地音活動(dòng)波動(dòng)較為劇烈，2月26日晚班，運(yùn)輸巷頻次異常系數(shù)已超過(guò)2，能量異常系數(shù)及回風(fēng)巷頻次異常系數(shù)也已接近2，從地音能量的小時(shí)異常系數(shù)來(lái)看，其前兆時(shí)間為8h。沖擊地壓發(fā)生后，煤巖體恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)，地音活動(dòng)明顯變?nèi)酢?/p>

隨后5月18日、5月20日、5月22日、5月23日、5月25日和5月29日共發(fā)生6個(gè)高能沖擊事件，微震監(jiān)測(cè)定位結(jié)果表明，這些事件均發(fā)生在069-2運(yùn)輸巷超前50～100m處，震感較為強(qiáng)烈。

圖4為該時(shí)間段內(nèi)地音活動(dòng)和能量異常系數(shù)變化情況，從圖中可見，這個(gè)時(shí)間內(nèi)地音波動(dòng)較為強(qiáng)烈，沖擊事件發(fā)生概率很高。從預(yù)測(cè)結(jié)果來(lái)看，6個(gè)沖擊事件中有4個(gè)事件發(fā)生前3個(gè)班時(shí)出現(xiàn)黃色預(yù)警，1個(gè)事件發(fā)生前1～2個(gè)班時(shí)發(fā)出紅色預(yù)警，1個(gè)事件處于黃色預(yù)警線以下，有沖擊報(bào)準(zhǔn)率為83%，表明地音異常系數(shù)在現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)沖擊危險(xiǎn)有較高的準(zhǔn)確性。

圖4 地音異常系數(shù)評(píng)價(jià)沖擊危險(xiǎn)報(bào)準(zhǔn)情況

4 結(jié) 論

(1)聲發(fā)射活動(dòng)直接反映了煤巖材料的損傷程度，通過(guò)監(jiān)測(cè)煤巖內(nèi)部的聲發(fā)射活動(dòng)特征可推斷煤巖變形破壞情況，依此判斷沖擊地壓危險(xiǎn)狀態(tài)。

(2)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，聲發(fā)射事件的峰值能量與煤巖沖擊傾向性存在較好的正相關(guān)關(guān)系，直接反映了煤巖發(fā)生沖擊破壞的能力，是評(píng)價(jià)沖擊地壓危險(xiǎn)狀態(tài)的基礎(chǔ)。

(3)運(yùn)用發(fā)震概率與報(bào)準(zhǔn)率對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行衡量顯示，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用地音異常系數(shù)評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)沖擊危險(xiǎn)具有較高的準(zhǔn)確性，有利于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)提前采取措施，降低沖擊危險(xiǎn)。

[1]姜耀東，潘一山，姜福興，等.我國(guó)煤炭開采中的沖擊地壓機(jī)理和防治[J].煤炭學(xué)報(bào)， 2014，39(2)：205-213.

[2]藍(lán) 航，毛德兵，潘俊鋒，等.沖擊礦壓綜合防治技術(shù)體系及應(yīng)用[J].煤礦開采，2011，16(3)：119-124.

[3]藍(lán) 航，齊慶新，潘俊鋒，等.我國(guó)煤礦沖擊地壓特點(diǎn)及防治技術(shù)分析[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2011，39(1)：11-15.

[4]鄒銀輝.煤巖聲發(fā)射機(jī)理初探[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2004，31(1)：31-33.

[5]李庶林，尹賢剛，王泳嘉，等.單軸受壓巖石破壞全過(guò)程聲發(fā)射特征研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23(15)：2499-2503.

[6]鄒銀輝.AE聲發(fā)射監(jiān)測(cè)煤與瓦斯突出技術(shù)[D].重慶：煤炭科學(xué)研究總院重慶研究院，2003.

[7]文光才，李建功，鄒銀輝，等.礦井煤巖動(dòng)力災(zāi)害聲發(fā)射監(jiān)測(cè)適用條件初探[J].煤炭學(xué)報(bào)，2011，36(2)：278-282.

[8]楊永杰，王德超，郭明福，等.基于三軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn)的巖石損傷特征研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2014，33(1)：98-104.

[9]余天慶，錢濟(jì)承.損傷理論及其應(yīng)用[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1993.

[10]秦躍平，孫文標(biāo)，王 磊.巖石損傷力學(xué)模型分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003，22(5)：702-705.

[11]李 巖，馬江軍，左 政，等.地音監(jiān)測(cè)技術(shù)在常村煤礦沖擊地壓預(yù)警中的應(yīng)用[J].中國(guó)煤炭，2016，42(1)：22-26.

[責(zé)任編輯：潘俊鋒]

青年論壇

Rock Burst Risk State Monitoring Evaluation Mechanism with Acoustic Emission and It’s Application

YANG Lei1,2，F(xiàn)ENG Mei-hua1,2

(1.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China； 2.Mining Institute，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China)

In order to study the feasibility of acoustic emission monitoring technology，which apply in rockburst risk state evaluation and forewarning，the relationship between acoustic emission and coal and rock damage was analyzed，the relationship between acoustic emission index and coal seam burst potential was verified by experiment，then the results were applied in field.The results showed that coal and rock material damage degree could be reflected immediately by acoustic emission activity，the relationship between the peak value of acoustic emission and coal seam burst potential was positive relationship，it revealed burst broken capacity in some degree，and its a base of rock burst risk state evaluation.Based on criterion of rock burst frequency and forecast accuracy，rock burst risk state was evaluated and forecast by acoustic emission sensitive index rock noise abnormal index in field，then potential burst risk zone and dangerous state，it good references for taking some advanced measures in field，and burst risk was decreased.

acoustic emission；rock burst risk state；damage；rock burst tendency；rock noise abnormal index

2016-06-22

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.06.026

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51574149)

楊 磊(1988-)，男，江蘇淮安人，助理研究員，主要從事沖擊地壓、巖層控制等方面的研究工作。

楊 磊，馮美華.聲發(fā)射監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)沖擊地壓危險(xiǎn)狀態(tài)的機(jī)制及應(yīng)用研究[J].煤礦開采，2016，21(6)：92-95，103.

TD324

A

1006-6225(2016)06-0092-04