巖石聲發(fā)射的沖擊礦壓危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)及預(yù)報(bào)的地音法

巖石聲發(fā)射的沖擊礦壓危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)及預(yù)報(bào)的地音法

影響礦壓是礦山壓力的動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象。它的快速、強(qiáng)烈、暴力的破壞特點(diǎn)是對(duì)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?jiǎn)栴}變得越來(lái)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(xiǎn)。世界各國(guó)如波蘭,捷克,德國(guó),美國(guó),加拿大,俄羅斯,南非,法國(guó),日本等對(duì)沖擊礦壓的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)、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(jī),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(xiǎn)性評(píng)價(jià)方面,世界各國(guó)特別是波蘭(70%以上為沖擊礦壓礦井)采用的方法有綜合評(píng)價(jià)方法,其中包括分析認(rèn)識(shí)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(diǎn)進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)價(jià),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(kāi)始.首先是由歐伯特(Obert)在鋅礦和鉛礦測(cè)量地震波傳播時(shí)開(kāi)始,其后在美國(guó)的密歇根(Michigan)銅礦進(jìn)行.隨后地音的研究在美國(guó)、日本、南非、波蘭、德國(guó)、俄羅斯、捷克等國(guó)家展開(kāi).研究表明,巖體中隨機(jī)發(fā)射的地音信號(hào)與巖體中的壓力水平及其增長(zhǎng)有關(guān),以此來(lái)評(píng)價(jià)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(cè)采掘面及周?chē)鷰r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(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)研究表明,巖石的聲發(fā)射與巖石在載荷作用下破壞的過(guò)程緊密相關(guān).簡(jiǎn)單地說(shuō),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(yàn)表明,這種關(guān)系特別是在蠕變的第二階段,可以說(shuō)是成正比.假設(shè)某個(gè)時(shí)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(xiě)成下式兩邊積分可以得到式中:X(t)為從加載開(kāi)始到時(shí)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(shí),存在某個(gè)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(shí)刻巖體破壞的危險(xiǎn)狀態(tài)值,Z(t)=X(t)/Xc確定了t時(shí)刻巖石在載荷影響下,實(shí)際破壞的危險(xiǎn)程度.式(3)表明了地音與巖石破壞過(guò)程和巖石破壞危險(xiǎn)之間的關(guān)系.對(duì)于井下采掘作業(yè)來(lái)說(shuō)考慮一個(gè)固定點(diǎn)或者是采掘面推進(jìn)過(guò)程中的某個(gè)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)意義不大.因?yàn)椴删蚬ぷ髅媸窍蛭雌茐牡脑济后w推進(jìn)的.因此,采掘工作面前方的破壞程度和危險(xiǎn)性有兩個(gè)過(guò)程:1)隨著時(shí)間的增長(zhǎng),破壞程度(完全破壞或接近于破壞)和危險(xiǎn)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(kāi)采速度來(lái)限制,但實(shí)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(gè)平衡狀態(tài).該平衡狀態(tài)的特點(diǎn)是接近于一個(gè)穩(wěn)定的危險(xiǎn)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(gè)穩(wěn)定值.對(duì)于該狀態(tài)來(lái)講,聲發(fā)射的較小變化通常是一個(gè)概率事件,證明巖體破裂的危險(xiǎn)性有小的變化.聲發(fā)射的較大變化和較長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間說(shuō)明了平衡狀態(tài)的變化和危險(xiǎn)性的變化——危險(xiǎn)性增加或降低.上述觀點(diǎn)就是連續(xù)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)法的基礎(chǔ).設(shè)E為過(guò)去一小時(shí)內(nèi)聲發(fā)射的能量或事件數(shù),E-為一段時(shí)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(gè)函數(shù)F0,它與單位時(shí)間內(nèi)因巖體危險(xiǎn)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(lái)代替.則對(duì)于連續(xù)時(shí)間段來(lái)說(shuō)這樣,采用連續(xù)監(jiān)測(cè)的地音法,可以通過(guò)巖體破壞危險(xiǎn)狀態(tài)值,來(lái)確定采掘工作面的沖擊礦壓危險(xiǎn)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(shuō)明巖體內(nèi)應(yīng)力的增加及沖擊礦壓危險(xiǎn)性的增加.對(duì)于采掘工作面,為評(píng)價(jià)沖擊礦壓的危險(xiǎn)性,以如下八個(gè)地音指標(biāo)為基礎(chǔ)來(lái)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(shí)的小時(shí)平均事件數(shù)N-wh;4)非采煤小時(shí)的小時(shí)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(shí)的小時(shí)平均地音強(qiáng)度E-wh;8)非采煤小時(shí)的小時(shí)平均地音強(qiáng)度E-sh.對(duì)于給定的單位時(shí)間,可以確定上述每個(gè)指標(biāo)的偏差值.如對(duì)于采煤班的班平均事件數(shù)N-wt,其偏差值為其余類(lèi)推(式中N為觀測(cè)班的事件數(shù)).3采礦作業(yè)的監(jiān)督管理采用地音法對(duì)沖擊礦壓的危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí),可將沖擊礦壓的危險(xiǎn)程度分為4級(jí),即:a級(jí),無(wú)沖擊危險(xiǎn).所有的采礦作業(yè)按作業(yè)規(guī)程進(jìn)行.b級(jí),弱沖擊危險(xiǎn).此時(shí),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(xiǎn)狀態(tài)的觀測(cè)及采礦作業(yè)的監(jiān)督管理.c級(jí),中等沖擊危險(xiǎn).在這種危險(xiǎn)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(duì)觀測(cè)結(jié)果和控制情況測(cè)量記錄在案,觀測(cè)的危險(xiǎn)程度不再增長(zhǎng).d級(jí),強(qiáng)沖擊危險(xiǎn).此時(shí):1)應(yīng)停止采礦作業(yè),不必要的人員撤離危險(xiǎn)區(qū)域;2)生產(chǎn)礦長(zhǎng)應(yīng)當(dāng)確定限制和降低沖擊礦壓危險(xiǎn)程度的方法和措施,并檢驗(yàn)防治措施的效果,確定實(shí)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(xiǎn)程度有了降低,則采礦作業(yè)可繼續(xù)進(jìn)行;如果危險(xiǎn)狀態(tài)不變,必須繼續(xù)采取防治措施;如果沖擊礦壓危險(xiǎn)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(guò)專(zhuān)家分析、處理的意見(jiàn),經(jīng)上級(jí)批準(zhǔn),方可實(shí)施防治措施及進(jìn)行采礦作業(yè).4影響礦山壓力的評(píng)估4.1工作面危險(xiǎn)性狀態(tài)評(píng)定差差分.采用地音法進(jìn)行班評(píng)價(jià)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(duì)沖擊礦壓危險(xiǎn)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià).通過(guò)歸一化處理,采掘工作面的危險(xiǎn)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(xiǎn)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(duì)采掘工作面進(jìn)行沖擊礦壓危險(xiǎn)狀態(tài)班評(píng)價(jià)的具體實(shí)施方法.4.2時(shí)段與實(shí)際危險(xiǎn)狀態(tài)的關(guān)系根據(jù)小時(shí)地音事件數(shù)及地音強(qiáng)度的偏差(采煤小時(shí)或非采煤小時(shí)地音事件數(shù)及地音強(qiáng)度的偏差),可評(píng)價(jià)沖擊礦壓的危險(xiǎn)狀態(tài).通過(guò)歸一化處理,采掘工作面的危險(xiǎn)程度可表示為:式中:＿d為以本班及前幾個(gè)班數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)確定的該班實(shí)際危險(xiǎn)狀態(tài);d為小時(shí)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(shí)數(shù),其余符號(hào)意義同前.對(duì)于目前在煤礦采用的三八工作制度來(lái)說(shuō),如果下一個(gè)小時(shí)的偏差值d是下降的,則沖擊礦壓的危險(xiǎn)狀態(tài)由下式來(lái)計(jì)算以小時(shí)地音事件數(shù)及地音強(qiáng)度的偏差為基礎(chǔ),通過(guò)上述關(guān)系式確定危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí),其沖擊礦壓危險(xiǎn)程度應(yīng)不低于該班開(kāi)始時(shí)的危險(xiǎn)程度.表1為根據(jù)小時(shí)地音事件數(shù)及地音強(qiáng)度的偏差對(duì)采掘工作面沖擊礦壓危險(xiǎn)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)的具體實(shí)施方法.5沖擊礦壓危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)波蘭卡托維茲(Katowice)礦是一個(gè)高沖擊礦壓危險(xiǎn)的礦井.其中所有的巷道、工作面都采取了沖擊礦壓危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的地音法.圖2表示了一個(gè)月時(shí)間內(nèi),采用地音法對(duì)535b垮落法工作面,535a充填法工作面、535c工作面的開(kāi)切眼及535a的回風(fēng)巷沖擊礦壓危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的結(jié)果.實(shí)踐表明,這些工作面的沖擊礦壓危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)比較準(zhǔn)確6聲發(fā)射指標(biāo)和預(yù)報(bào)方法1)巖石的聲發(fā)射和巖石在載荷作用下破壞的過(guò)程緊密相關(guān),根據(jù)其相互關(guān)系