聲發(fā)射累計(jì)差量指標(biāo)的應(yīng)用研究

馬雄忠，王文杰

（武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢430081）

隨著礦山向深部開采，采礦殘留的大量沒有進(jìn)行及時(shí)處理的巷道、采空區(qū)等在強(qiáng)大的地壓力作用下，很容易發(fā)生失穩(wěn)坍塌事故，這嚴(yán)重威脅著礦山生產(chǎn)安全［1］。

世界各國(guó)對(duì)采空區(qū)的穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)進(jìn)行了大量研究，提出了很多監(jiān)測(cè)方法。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法有壓力監(jiān)測(cè)法、位移監(jiān)測(cè)法等，這些方法雖然操作簡(jiǎn)單，但是監(jiān)測(cè)人員必須要在測(cè)點(diǎn)附近監(jiān)測(cè)，而這些區(qū)域往往屬于危險(xiǎn)區(qū)域，危險(xiǎn)性較大。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，20世紀(jì)70年代，在國(guó)外出現(xiàn)了聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)，該技術(shù)可以在距離測(cè)點(diǎn)較遠(yuǎn)的地方進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可靠度較高，因此，很快在巖土工程中得到了廣泛應(yīng)用。我國(guó)自20世紀(jì)80年代引進(jìn)該技術(shù)至今，在聲發(fā)射軟件開發(fā)、監(jiān)測(cè)設(shè)備制造等方面已經(jīng)有了很大的進(jìn)步?，F(xiàn)在，巖體聲發(fā)射技術(shù)已經(jīng)成為預(yù)測(cè)地下工程巖爆及研究巖體穩(wěn)定性的一種重要手段［2－3］。

巖體聲發(fā)射技術(shù)是根據(jù)巖體在變形破壞時(shí)發(fā)出的聲波信號(hào)來判斷巖體內(nèi)部損傷的一種動(dòng)態(tài)無(wú)損檢測(cè)方法。聲發(fā)射強(qiáng)弱通常用與聲發(fā)射頻率和幅值能量有關(guān)的參數(shù)來描述，如聲發(fā)射事件率、大事件率、能率等。傳統(tǒng)的聲發(fā)射分析法通常是按照已制定的一些標(biāo)準(zhǔn)對(duì)聲源信息進(jìn)行分級(jí)評(píng)定，許多準(zhǔn)則中規(guī)定劃分標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，只要有一項(xiàng)不滿足，就依此確定聲發(fā)射源的穩(wěn)定性等級(jí)，這樣就沒有合理的考慮其他聲發(fā)射因素的影響，加之短期的聲發(fā)射信號(hào)很容易受到外部因素的干擾。因此，常用的分析方法存在很大缺陷，這經(jīng)常導(dǎo)致預(yù)報(bào)偏差，為礦山正常生產(chǎn)帶來很大影響。

基于上述認(rèn)識(shí)，在測(cè)得聲發(fā)射參數(shù)值的前提下，提出了聲發(fā)射累計(jì)差量指標(biāo)，該指標(biāo)綜合考慮了一段時(shí)間內(nèi)幾個(gè)參數(shù)的變化情況，可有效的用于采空區(qū)圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，更好的保障了礦山生產(chǎn)安全。

1 聲發(fā)射監(jiān)測(cè)巖體穩(wěn)定性存在的問題

巖體聲發(fā)射信號(hào)攜帶了大量與礦巖體的穩(wěn)定狀態(tài)密切相關(guān)的信息，在一定程度上反映了礦巖體結(jié)構(gòu)特征及其破壞過程，這是聲發(fā)射技術(shù)運(yùn)用于巖土工程的主要理論依據(jù)。在實(shí)際應(yīng)用中，常根據(jù)聲發(fā)射大事件率、事件率和能率來評(píng)判礦巖體的穩(wěn)定性［4－5］。其中，大事件率（G）表示單位時(shí)間內(nèi)聲發(fā)射信號(hào)幅值大于儀器設(shè)定值的次數(shù)，單位為次／分，反映大振幅聲發(fā)射事件的頻度；事件率（N）表示單位時(shí)間內(nèi)接收到的聲發(fā)射信號(hào)總次數(shù)，單位為次／分，反映聲發(fā)射信號(hào)的頻度；能率（E）與聲發(fā)射信號(hào)能量成正比，反映聲發(fā)射信號(hào)能量強(qiáng)弱，無(wú)量綱。

傳統(tǒng)的聲發(fā)射信號(hào)分析方法是考查一個(gè)或幾個(gè)特征參數(shù)值的變化，當(dāng)被考察特征值接近或者超過經(jīng)驗(yàn)值時(shí)就發(fā)出預(yù)報(bào)，但由于礦山井下環(huán)境復(fù)雜，聲發(fā)射儀器抗干擾能力不強(qiáng)，單天短期的信號(hào)很容易受到外部因素的干擾，如打鉆、放炮等施工作業(yè)都會(huì)引起聲發(fā)射數(shù)據(jù)異常。而且對(duì)于考察一個(gè)還是幾個(gè)特征參數(shù)往往沒有明顯的界定，有時(shí)一個(gè)參數(shù)達(dá)到了預(yù)警值，但其他的參數(shù)還處于安全區(qū)間，因此，分析方法的缺陷經(jīng)常導(dǎo)致預(yù)報(bào)偏差，為礦山帶來了較嚴(yán)重的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。

2 聲發(fā)射累計(jì)差量指標(biāo)

隨著采礦活動(dòng)的進(jìn)行，地應(yīng)力發(fā)生重新分布，在地下采空區(qū)形成應(yīng)力集中區(qū)。當(dāng)集中的應(yīng)力達(dá)到圍巖的破壞強(qiáng)度時(shí)，圍巖結(jié)構(gòu)開始發(fā)生破壞，這時(shí)聲發(fā)射參數(shù)也開始相應(yīng)的升高。圍巖破壞約劇烈，破壞范圍越大，產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)也越多，幅值越大。當(dāng)壓力釋放完畢，空區(qū)圍巖達(dá)到新的應(yīng)力平衡狀態(tài)，此時(shí)，聲發(fā)射信號(hào)開始減小減弱，重新回到正常水平。由此可知，采空區(qū)從穩(wěn)定狀態(tài)到失穩(wěn)狀態(tài)，再回到穩(wěn)定狀態(tài)的過程中，聲發(fā)射現(xiàn)象是連續(xù)變化的，并且會(huì)持續(xù)一段時(shí)間?；谝陨险J(rèn)知，本文設(shè)計(jì)了巖體聲發(fā)射累計(jì)差量指標(biāo)，利用一段時(shí)間內(nèi)的大事件率、事件率、能率累計(jì)差量變化的平均值來評(píng)價(jià)巖體穩(wěn)定性，該指標(biāo)綜合考慮了三種參數(shù)一段時(shí)間內(nèi)的變化情況，可以弱化了短期干擾信號(hào)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)利用率高，能夠更準(zhǔn)確的用于評(píng)價(jià)采空區(qū)穩(wěn)定性。

令聲發(fā)射累計(jì)差量指標(biāo)為U，大事件累計(jì)差量指標(biāo)為Ug，事件率累計(jì)差量指標(biāo)為Un，能率累計(jì)差量指標(biāo)為Ue。

設(shè)某一時(shí)間段巖體聲發(fā)射大事件率數(shù)據(jù)序列為

其中，Gi為時(shí)序?yàn)閕時(shí)的事件率。

對(duì)序列項(xiàng)前后相減，得序列

將正差量的和定為C1，負(fù)差量的絕對(duì)值的和定為C2

用相同的方法可求出Ug和Ue。

巖體聲發(fā)射累計(jì)差量指標(biāo)在0～1之間變化。

以多個(gè)礦山巖體聲發(fā)射監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和巖體的多次失穩(wěn)事件為依據(jù)，得出了巖體失穩(wěn)各階段聲發(fā)射參數(shù)的一般變化規(guī)律和累計(jì)差量指標(biāo)一般變化規(guī)律，如圖1、圖2所示。

圖1 聲發(fā)射參數(shù)變化規(guī)律

圖2 累計(jì)差量指標(biāo)變化規(guī)律

巖體聲發(fā)射聲發(fā)射狀態(tài)大致可以分為穩(wěn)定狀態(tài)、活動(dòng)狀態(tài)、破壞狀態(tài)，分別對(duì)應(yīng)于巖體破壞過程中的穩(wěn)定期、活動(dòng)期、破壞期。穩(wěn)定期的巖體處于穩(wěn)定狀態(tài)，內(nèi)部活動(dòng)不劇烈，聲發(fā)射參數(shù)值較小，產(chǎn)生的信號(hào)波動(dòng)都為短期波動(dòng)，此時(shí)的聲發(fā)射信號(hào)認(rèn)為是巖體內(nèi)細(xì)微裂隙閉合或產(chǎn)生新的細(xì)微裂隙所致，這個(gè)階段的累計(jì)差量指標(biāo)值也較小，一般在0～0.6之間波動(dòng)?；顒?dòng)期巖體受到的地應(yīng)力接近或超過巖體的強(qiáng)度值，內(nèi)部活動(dòng)開始加劇，存在的細(xì)微裂隙開始擴(kuò)張成大裂隙，并產(chǎn)生新的張拉裂縫，這段時(shí)間巖體發(fā)出的聲發(fā)射信號(hào)開始增強(qiáng)，相應(yīng)的聲發(fā)射累計(jì)差量指標(biāo)值也開始上漲，這段時(shí)期的累計(jì)差量指標(biāo)值在0.6～1之間波動(dòng)，當(dāng)指標(biāo)值大于0.75時(shí)，認(rèn)為巖體已經(jīng)接近失穩(wěn)破壞，此時(shí)需要對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行密集監(jiān)測(cè)，如果指標(biāo)值繼續(xù)增大，說明巖體有可能發(fā)出失穩(wěn)破壞，須對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域發(fā)出失穩(wěn)預(yù)報(bào)，礦方應(yīng)迅速預(yù)警區(qū)段工作人員和設(shè)備，以保障礦山生產(chǎn)安全。破壞期巖體裂縫進(jìn)一步擴(kuò)大，在采空區(qū)內(nèi)體現(xiàn)為頂板掉塊甚至垮塌，但由于活動(dòng)期巖體已經(jīng)釋放了大量的變形能，因此此階段聲發(fā)射信號(hào)開始降低，累計(jì)差量指標(biāo)也開始回落到0.5附近的正常水平。

對(duì)比圖1和圖2可知，聲發(fā)射累計(jì)差量指標(biāo)弱化了短期干擾信號(hào)帶來的影響，而且對(duì)巖體的中長(zhǎng)期聲發(fā)射現(xiàn)象很敏感，比聲發(fā)射參數(shù)分析法更早的預(yù)測(cè)到了巖體的失穩(wěn)破壞，為礦山避免事故發(fā)生創(chuàng)造了時(shí)間，而且該指標(biāo)綜合考慮了三個(gè)聲發(fā)射指標(biāo)，能使預(yù)測(cè)更合理可靠，對(duì)確保礦山生產(chǎn)全意義重大。

3 采場(chǎng)穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)

廣西佛子礦是矽卡巖型礦床，礦物組分以方鉛礦和閃鋅礦為主，圍巖主要為砂巖、粉砂巖、灰?guī)r等，礦巖致密堅(jiān)硬，穩(wěn)固性良好。礦區(qū)內(nèi)構(gòu)造裂隙發(fā)育，但多被后期石英、方解石脈所填充，膠結(jié)緊密，富水性、透水性很弱。104號(hào)礦體是礦區(qū)內(nèi)最大的保有礦體，礦體位于最北部六塘礦段的06～015勘探線之間，礦體長(zhǎng)470m，傾斜延伸199m，埋深246～430m，埋藏標(biāo)高－66～－183m，平均厚度為4.36m。礦體走向北東－北北東22°～37°，傾向南東，平均傾角67°。

佛子礦所使用的采礦方法均為淺孔留礦法，礦塊沿走向布置，長(zhǎng)40～60m，中段高40m，采場(chǎng)兩端各設(shè)人行天井，采場(chǎng)采高36m。一般留3.5～4m頂柱，如礦體較長(zhǎng)，連續(xù)布置采場(chǎng)，則留間柱8m。目前，佛子礦104＃礦體100m中段以上全部采空，180m中段和138m中段各形成5個(gè)采場(chǎng)，100m中段形成9個(gè)采場(chǎng)，60m中段開始回采礦房，20m中段正在做采切準(zhǔn)備，－20m標(biāo)高鉆孔見礦，準(zhǔn)備開拓。為了確保生產(chǎn)安全，防范采空區(qū)失穩(wěn)造成的安全事故，佛子礦對(duì)104＃礦體建立了聲發(fā)射地壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)編號(hào)從Ⅰ～Ⅶ，位置如圖3所示。

圖3 104＃礦體監(jiān)測(cè)孔布置圖

104＃礦體聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)于2012年7月正式投入運(yùn)行，成功監(jiān)測(cè)到了多次采空區(qū)圍巖失穩(wěn)事故，但也出現(xiàn)過誤報(bào)情況。2012年9月16日，138m中段014線附近的Ⅲ號(hào)監(jiān)測(cè)孔聲發(fā)射大事件率和事件率同時(shí)超過預(yù)警值，能率沒有達(dá)到預(yù)警值，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。按照傳統(tǒng)的聲發(fā)射參數(shù)分析法，該監(jiān)測(cè)孔輻射范圍內(nèi)有可能發(fā)生頂板冒落掉塊等失穩(wěn)事故，監(jiān)測(cè)人員立即向監(jiān)測(cè)負(fù)責(zé)人匯報(bào)情況，礦山?jīng)Q定暫停該區(qū)段的生產(chǎn)作業(yè)，將人員和設(shè)備緊急撤離，但隨后的監(jiān)測(cè)觀察發(fā)現(xiàn)，該處并沒有發(fā)生失穩(wěn)事故，而且聲發(fā)射數(shù)據(jù)又恢復(fù)到了正常水平，故此次預(yù)報(bào)是一次誤報(bào)，這對(duì)礦山正常的生產(chǎn)作業(yè)產(chǎn)生了一定影響。如果采用聲發(fā)射累計(jì)差量指標(biāo)來進(jìn)行分析，結(jié)合之前幾天的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)情況，計(jì)算得該處當(dāng)天的指標(biāo)值為0.67，未達(dá)到預(yù)警值0.75，將不會(huì)發(fā)出失穩(wěn)預(yù)報(bào)，可見累計(jì)差量法可以弱化干擾因素，作出更合理的預(yù)測(cè)。

表1 聲發(fā)射參數(shù)分析法誤報(bào)案例

2013年3月18日104號(hào)礦體138中段011線附近的Ⅴ號(hào)監(jiān)測(cè)孔輻射范圍內(nèi)出發(fā)生了采空區(qū)頂板小范圍冒落事故。若用累計(jì)差量指標(biāo)法分析可知，早在3月16日，指標(biāo)值就達(dá)到了0.78，超過了預(yù)警值，之后3月17日指標(biāo)值進(jìn)一步增大，達(dá)到0.94，到3月18日破壞當(dāng)天指標(biāo)值達(dá)到最大值1，相關(guān)數(shù)據(jù)見表2，冒落區(qū)域見圖4?？梢娐暟l(fā)射累計(jì)差量指標(biāo)分析法可以較準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)采空區(qū)頂板失穩(wěn)冒落事故，對(duì)礦山安全生產(chǎn)意義重大。

表2 聲發(fā)射累計(jì)差量指標(biāo)分析法預(yù)報(bào)案例

圖4 采空區(qū)冒落區(qū)域

4 結(jié)論

根據(jù)巖體穩(wěn)定狀態(tài)與聲發(fā)射信號(hào)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，提出了評(píng)價(jià)巖體穩(wěn)定性的聲發(fā)射累計(jì)差量指標(biāo)。該指標(biāo)綜合考慮了一段時(shí)間內(nèi)大事件率、事件率和能率的變化情況，克服了傳統(tǒng)聲發(fā)射參數(shù)分析法易受干擾、數(shù)據(jù)利用不充分的弊端，可以更早更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)巖體失穩(wěn)事故。運(yùn)用該指標(biāo)對(duì)佛子礦104＃礦體進(jìn)行采空區(qū)穩(wěn)定性預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果與礦山實(shí)際情況相一致。

［1］王寧，韓志型，王月明.評(píng)價(jià)巖體穩(wěn)定性的聲發(fā)射相對(duì)強(qiáng)弱指標(biāo)［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2005，27（2）：190－192.

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