SFKG－2型便攜式巖石聲發(fā)射儀在大紅山鐵礦的成功應(yīng)用

■彭朝偉 ■玉溪大紅山礦業(yè)有限公司，云南 玉溪 653405

1 前言

大紅山鐵礦是我國(guó)井下特大型地下開(kāi)采礦山，位于玉溪市新平縣戛灑鎮(zhèn)，是昆鋼的主要鐵礦石原料基地，集采、選、管道三大部分，礦山于2006年底投產(chǎn)，2007年即已達(dá)產(chǎn)。隨著礦山的逐漸回采，形成了主采空區(qū)、中部采空區(qū)和上部采空區(qū)三個(gè)較大的采空區(qū)，其暴露面積與空間立體交錯(cuò)在目前國(guó)內(nèi)礦山是最大也是最復(fù)雜的。在2009年初，主采區(qū)各分段空區(qū)暴露面積如下:480m分段為4.5萬(wàn)m2，460m分段為6.8萬(wàn) m2，440m分段為8.5萬(wàn) m2，420m分段為6.6萬(wàn) m2，在這個(gè)空區(qū)面積暴露條件下，主采區(qū)各分段發(fā)生了劇烈的片幫、冒頂、斷裂及巖爆，處于主采區(qū)移動(dòng)范圍內(nèi)的850m運(yùn)輸平巷受空區(qū)的影響，巷道先后出現(xiàn)開(kāi)裂、下沉、錯(cuò)動(dòng)，最終整個(gè)巷道冒落，隨后上方的920m回風(fēng)平巷也逐漸冒落和下沉(850m和920m巷道垮塌見(jiàn)圖1)。在整個(gè)地壓活動(dòng)變化過(guò)程中，公司與科院?jiǎn)挝缓献?，?50m和920m平巷使用SFKG－2型便攜式巖石聲發(fā)射儀進(jìn)行地壓監(jiān)測(cè)。通過(guò)監(jiān)測(cè)，初步掌握了地壓活動(dòng)規(guī)律，對(duì)主采區(qū)周圍受地壓活動(dòng)影響較大的地方提出支護(hù)意見(jiàn)，對(duì)礦區(qū)淺部正在開(kāi)采的V2礦體提出“強(qiáng)采”的指導(dǎo)性意見(jiàn)，并加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)檢查，在安全的前提下避免了礦石損失，為礦山創(chuàng)造了效益。

圖1 850m和920m巷道垮塌

2 SFKG－2型便攜式巖石聲發(fā)射儀監(jiān)測(cè)

2.1 監(jiān)測(cè)原理

聲發(fā)射是指材料局部因能量的快速釋放發(fā)出瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象，其技術(shù)屬于檢測(cè)超聲技術(shù)領(lǐng)域，是一種動(dòng)態(tài)無(wú)損傷監(jiān)測(cè)技術(shù)。當(dāng)固體材料在受到外力作用時(shí)，發(fā)生局部或整體破裂(或晶格滑移)，伴隨著破裂而發(fā)生的向外發(fā)射聲波的情況。巖石工程結(jié)構(gòu)在破壞之前，必然持續(xù)一段時(shí)間以聲的形式釋放積蓄的能量，這種能量釋放的強(qiáng)度，隨著結(jié)構(gòu)臨近失穩(wěn)而變化，每一個(gè)聲發(fā)射都包含著巖體內(nèi)部狀態(tài)變化的豐富信息，正是對(duì)“聲發(fā)射傳感器”接收到的信號(hào)進(jìn)行處理、分析，從而預(yù)測(cè)巖體塌方、冒頂、片幫、滑坡和巖爆等地壓現(xiàn)象，室內(nèi)研究資料表明，當(dāng)對(duì)巖石試件增加負(fù)荷時(shí)，可觀測(cè)到試件在破壞前的聲發(fā)射次數(shù)急劇地增加，幾乎所有的巖石當(dāng)負(fù)荷加到破壞強(qiáng)度的60%時(shí)，就會(huì)發(fā)生聲發(fā)射與微震現(xiàn)象，其中有的巖石即使加到破壞強(qiáng)度的20%，也可發(fā)生這種現(xiàn)象。

2.2 聲發(fā)射分析處理技術(shù)

SFKG－2型便攜式巖石聲發(fā)射儀監(jiān)測(cè)主要對(duì)以下參數(shù)進(jìn)行分析，從而得出巖層的穩(wěn)定性情況。第一，事件率(頻度):單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生的聲發(fā)射次數(shù)，單位為次/min，是用聲發(fā)射評(píng)價(jià)巖體狀態(tài)時(shí)最常用的參數(shù);第二，振幅:聲發(fā)射波形的峰值振幅，根據(jù)設(shè)定的閾值可將一個(gè)事件劃分為小事件和大事件;第三，能率:單位時(shí)間內(nèi)聲發(fā)射能量之和;第四，事件變化率和能率變化:單位時(shí)間內(nèi)聲發(fā)射事件率和能率的變化;第五，頻率分布。聲發(fā)射信號(hào)的特征決定于震源性質(zhì)、所經(jīng)巖體性質(zhì)及監(jiān)測(cè)點(diǎn)到震源的距離等?；緟?shù)與巖體的穩(wěn)定狀態(tài)密切相關(guān)，基本上反映了巖體的破壞現(xiàn)狀。事件率和頻率等的變化反映巖體變形和破壞過(guò)程;振幅分布與能率大小，則主要反映巖體變形和破壞范圍;事件變化率和能率變化，反映了巖體狀態(tài)的變化速度。巖體處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，事件率等參數(shù)很低，且變化不大，一旦受外界干擾，巖體開(kāi)始發(fā)生破壞，聲發(fā)射活動(dòng)隨之增加，事件率等參數(shù)也相應(yīng)升高，發(fā)生沖擊地壓之前，聲發(fā)射活動(dòng)增加得更為明顯，而在臨近發(fā)生沖擊地壓時(shí)，聲發(fā)射活動(dòng)頻數(shù)反而減小。巖體內(nèi)部應(yīng)力重新趨于平衡狀態(tài)時(shí)，其數(shù)值又隨之降低。若在監(jiān)測(cè)體周圍以一定的網(wǎng)布置一定數(shù)量的傳感器組成傳感器陣列，當(dāng)監(jiān)測(cè)體內(nèi)出現(xiàn)聲發(fā)射時(shí)，傳感器即可將其拾取并將這種震動(dòng)的物理量轉(zhuǎn)換為電壓量或電荷量，通過(guò)多點(diǎn)同步采集測(cè)定各傳感器接收到該信號(hào)的時(shí)刻，連同各傳感器坐標(biāo)及所測(cè)波速代入方程組求解即可確定聲發(fā)射與震源的時(shí)空參數(shù)，達(dá)到定位之目的。因巖體聲發(fā)射信號(hào)及其參數(shù)變化出現(xiàn)在巖體破壞之前，故實(shí)施巖體聲發(fā)射監(jiān)測(cè)可對(duì)地壓災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)，從而根據(jù)分析結(jié)果，及時(shí)采取有效措施以盡可能避免重大事故的發(fā)生。

3 SFKG－2型便攜式巖石聲發(fā)射儀在大紅山鐵礦的應(yīng)用

3.1 傳感器的現(xiàn)場(chǎng)安裝布置

根據(jù)大紅山鐵礦地壓活動(dòng)實(shí)際情況，首先在850m運(yùn)輸平巷安裝了8個(gè)傳感器，其次在920m回風(fēng)平巷安裝了8個(gè)，共形成16通道的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，共同對(duì)大紅山鐵礦主采區(qū)上覆巖層進(jìn)行監(jiān)測(cè)，安裝在現(xiàn)場(chǎng)的傳感器見(jiàn)圖2所示。

安裝傳感器之前，使用混凝土把傳感器螺栓和巷道壁固定在一起，待混凝土充分凝固，把傳感器和螺栓連接在一起，這樣便完成聲發(fā)射監(jiān)測(cè)前的傳感器安裝工作。

3.2 聲發(fā)射儀現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及分析

監(jiān)測(cè)工作開(kāi)始于2009年3月13日?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，采用了每周進(jìn)行1到2次監(jiān)測(cè)、每次在每個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行5－10次、每次1分鐘監(jiān)測(cè)的制度?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)照片見(jiàn)圖3。當(dāng)天的監(jiān)測(cè)記錄見(jiàn)表1。

圖3 巖石聲發(fā)射儀在850水平巷道進(jìn)行監(jiān)測(cè)中

表1 3月13日聲發(fā)射監(jiān)測(cè)記錄

圖4是3月13日進(jìn)行聲發(fā)射監(jiān)測(cè)時(shí)在1分鐘內(nèi)所記錄到的1個(gè)波形。為了看清楚圖中前一個(gè)幅度較高的點(diǎn)，對(duì)該點(diǎn)進(jìn)行了局部放大(在水平軸，即時(shí)間軸上展開(kāi))，所得結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖43 月13日在1號(hào)測(cè)點(diǎn)獲得的聲發(fā)射波形(記錄時(shí)間1分鐘)

由圖5可見(jiàn)，圖4中幅度較高的2個(gè)點(diǎn)，代表的是1個(gè)頻率約為20Hz的低頻聲發(fā)射信號(hào)和2個(gè)頻率在1KHz以上的高頻聲發(fā)射信號(hào)。

圖5 圖4的部分放大圖(在水平軸，即時(shí)間軸上展開(kāi))

聲波在巖石中傳播時(shí)，不同頻率的信號(hào)，衰減不同:高頻信號(hào)衰減較快，低頻信號(hào)則衰減較慢。因此，接收到的低頻聲發(fā)射信號(hào)，通常是聲發(fā)射活動(dòng)發(fā)生在離測(cè)點(diǎn)較遠(yuǎn)處，傳播較長(zhǎng)距離后，聲波衰減成了低頻信號(hào)所致。高頻聲發(fā)射信號(hào)，則意味著測(cè)點(diǎn)與聲源的距離較近，聲波尚未產(chǎn)生大的衰減。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)使用SFKG－2型便攜式巖石聲發(fā)射儀對(duì)大紅山鐵礦主采區(qū)上覆巖層進(jìn)行監(jiān)測(cè)，掌握了礦山地壓活動(dòng)規(guī)律，指導(dǎo)礦山安全生產(chǎn)，并對(duì)研究礦區(qū)巖石移動(dòng)規(guī)律、地表塌陷區(qū)的的管理以及后期相關(guān)的主動(dòng)處理礦區(qū)地壓的措施提供了依據(jù)，但礦山開(kāi)采是個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，隨井下的不斷開(kāi)采，地壓活動(dòng)越明顯，加之國(guó)內(nèi)和國(guó)際地壓監(jiān)測(cè)技術(shù)在逐步提高，監(jiān)測(cè)方式也在增加，為了礦山的安全生產(chǎn)，必須在現(xiàn)有基礎(chǔ)上多加學(xué)習(xí)研究，充分應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)，從而更好指導(dǎo)礦山安全生產(chǎn)。

［1］《金屬礦山地下開(kāi)采》，冶金工業(yè)出版社.

［2］趙虧、袁海平，《礦山地壓監(jiān)測(cè)》，化學(xué)工業(yè)出版社.

［3］昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院，《大紅山鐵礦地壓活動(dòng)規(guī)律及頂板自然崩落規(guī)律》.