王元杰
(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)
地音監(jiān)測系統(tǒng)在頂板巨厚巖層活動(dòng)規(guī)律研究中的應(yīng)用
王元杰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)
[摘要]頂板巨厚巖層的運(yùn)動(dòng)和破斷對于沖擊地壓的發(fā)生具有重大的影響,為了研究頂板巨厚巖層的活動(dòng)規(guī)律,介紹了地音監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展歷程和原理,采用地音監(jiān)測實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及地音能量和頻次與地表下沉的變化規(guī)律,對華豐煤礦頂板巨厚礫巖活動(dòng)進(jìn)行了觀測和研究。研究表明采用地音監(jiān)測系統(tǒng)可以對頂板巨厚巖層的運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測,并對其破斷進(jìn)行預(yù)測,對有效控制沖擊地壓事件的發(fā)生有很大的幫助。
[關(guān)鍵詞]地音監(jiān)測;沖擊地壓;頂板巨厚巖層;活動(dòng)規(guī)律
采場上覆厚巖層的運(yùn)動(dòng)對采礦作業(yè)空間安全有重要影響,上覆堅(jiān)硬、厚巖層大多是主要承載結(jié)構(gòu),即關(guān)鍵層,是影響沖擊地壓發(fā)生的主要因素之一,其運(yùn)動(dòng)和斷裂對沖擊地壓的發(fā)生有重大的影響[1],主要原因是在厚層堅(jiān)硬頂板滑移失穩(wěn)或破斷過程中[2],造成強(qiáng)烈地震動(dòng),釋放大量的彈性能,導(dǎo)致沖擊壓力型(頂板煤層型)沖擊地壓或沖擊型(頂板型)沖擊地壓[3-4]。如義馬千秋煤礦、新汶華豐煤礦都受到采場上覆巨厚礫巖層的影響,多次發(fā)生災(zāi)害性沖擊地壓事故,對煤礦造成了很大的損失。
因此,監(jiān)測頂板關(guān)鍵層的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,可以有效地預(yù)測礦井沖擊地壓的發(fā)生[5]。目前對頂板關(guān)鍵層運(yùn)動(dòng)規(guī)律的監(jiān)測手段主要有微震監(jiān)測技術(shù)、地音監(jiān)測技術(shù),通過微震監(jiān)測技術(shù)可以對頂板巖層的斷裂時(shí)間、位置和能量進(jìn)行計(jì)算和顯示,地音監(jiān)測系統(tǒng)則可以對煤巖體內(nèi)部破裂、微破裂信息進(jìn)行監(jiān)測和統(tǒng)計(jì),通過對煤巖體破裂前兆信息的提取和分析,起到對頂板厚巖層破裂的發(fā)生進(jìn)行預(yù)測預(yù)報(bào)的效果。本文將著重討論采用地音監(jiān)測系統(tǒng)對頂板厚巖層活動(dòng)規(guī)律的研究。
1礦井概況
新汶礦業(yè)集團(tuán)華豐煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力0.6Mt/a,1983年改擴(kuò)建后生產(chǎn)能力提高到0.9Mt/a,2006年重新核定礦井生產(chǎn)能力為1.2Mt/a。華豐煤礦是新汶煤田最西端的相對獨(dú)立的礦井,采用斜井多水平開拓,現(xiàn)有-1100m和-750m兩個(gè)生產(chǎn)水平。后組十一層煤已開采至-550m,前組六層煤已開采至-1010m。礦井開采地質(zhì)條件復(fù)雜,是全國開采最深的井田之一,水、火、煤塵、瓦斯、頂?shù)装宓雀黝悶?zāi)害比較嚴(yán)重,尤其是存在著世界性采礦難題沖擊地壓,給礦井安全生產(chǎn)帶來很大壓力。
該礦沖擊地壓主要發(fā)生在四層煤中,自發(fā)生沖擊地壓現(xiàn)象以來,共監(jiān)測出沖擊地壓事件3.14萬余次,其中1.0級以上沖擊地壓2900余次,大于2.0級以上的沖擊事件7次。已統(tǒng)計(jì)發(fā)生破壞性沖擊事件108次,共破壞巷道長度2000m,累計(jì)破壞的工作面長度400m,共損壞鉸接頂梁600余根,單體液壓支柱500余根。
2地音監(jiān)測系統(tǒng)
1940年在美國阿米克銅礦觀測到巖爆時(shí)有地音現(xiàn)象,并通過地音技術(shù)預(yù)報(bào)了巖爆的發(fā)生,從此開始了地音監(jiān)測技術(shù)在巖土工程和巖石力學(xué)研究中應(yīng)用的時(shí)代[6]。波蘭的沖擊地壓災(zāi)害相當(dāng)嚴(yán)重,為此,波蘭研制了微震監(jiān)測系統(tǒng)和地音監(jiān)測系統(tǒng)。最初的系統(tǒng)分別為SAK地音監(jiān)測系統(tǒng)和SYLOK微震監(jiān)測系統(tǒng),主要用來監(jiān)測采掘工作面和礦井區(qū)域的地音與微震活動(dòng)。波蘭EMAG公司在原系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行升級改造,形成了ARES-5/E地音監(jiān)測系統(tǒng)和ARAMIS M/E微震監(jiān)測系統(tǒng),系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字信號傳輸,傳輸距離大且不易受干擾。
國內(nèi)地音技術(shù)的應(yīng)用研究起始于20世紀(jì)70年代初,新汶華豐煤礦于2006年率先從波蘭EMAG公司引進(jìn)國內(nèi)第1套全天候數(shù)字化微震監(jiān)測系統(tǒng),2008年又引進(jìn)1套地音監(jiān)測系統(tǒng),此后,微震和地音監(jiān)測技術(shù)在國內(nèi)沖擊地壓礦井迅速推廣,同時(shí)帶動(dòng)了國內(nèi)微震和地音系統(tǒng)的研發(fā)。截至目前,新汶、淄博、棗莊、鶴崗、雙鴨山、義馬、撫順、華亭、神新、平莊等近100個(gè)礦井安裝了微震和地音監(jiān)測系統(tǒng)。
與微震監(jiān)測系統(tǒng)一樣,地音監(jiān)測系統(tǒng)接受的也是震動(dòng)信號,不同之處是兩套系統(tǒng)接受震動(dòng)信號的能量級別和頻率范圍不同。微震系統(tǒng)監(jiān)測比較強(qiáng)烈的、頻率小于150Hz的震動(dòng)現(xiàn)象,地音系統(tǒng)監(jiān)測的是比較弱的、頻率范圍在150~3000 Hz的震動(dòng)現(xiàn)象[7]。此外,微震系統(tǒng)接受震動(dòng)信號后主要功能是對震動(dòng)事件進(jìn)行定位和能量計(jì)算,而地音系統(tǒng)在具有定位功能以外,其主要作用是對接受的震動(dòng)信號進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,通過按分鐘、小時(shí)、工作班等單位對地音能量和頻次進(jìn)行統(tǒng)計(jì),評價(jià)監(jiān)測區(qū)域的沖擊危險(xiǎn)性,起到預(yù)測預(yù)報(bào)沖擊地壓的效果。
ARES-5/E地音監(jiān)測系統(tǒng)是對礦井沖擊危險(xiǎn)性評價(jià)的專用設(shè)備,能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測工作面的地音事件,安裝在工作面巷道的地音傳感器將監(jiān)測到的地音信號處理成模擬信號,再由發(fā)射器處理轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,由信號電纜傳輸?shù)降孛鏀?shù)據(jù)處理器[8]。ARES-5/E地音監(jiān)測系統(tǒng)可以監(jiān)測能量小于103J,震動(dòng)頻率在28~1500Hz之間的地音事件,系統(tǒng)對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的地音事件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,監(jiān)測數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)分析軟件的處理,實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)監(jiān)測區(qū)域當(dāng)前工作時(shí)段的沖擊危險(xiǎn)等級進(jìn)行評價(jià),并對下一工作時(shí)段的沖擊危險(xiǎn)等級進(jìn)行預(yù)測。
3地音監(jiān)測頂板活動(dòng)規(guī)律分析
3.1地音探頭布置方案
為降低沖擊地壓對礦井安全生產(chǎn)的影響,2008年華豐煤礦經(jīng)天地科技股份有限公司從波蘭引進(jìn)并安裝了ARES-5/E地音監(jiān)測系統(tǒng),系統(tǒng)包括2個(gè)地面中心站,支持井下16個(gè)探頭同時(shí)監(jiān)測。監(jiān)測探頭布置在沖擊危險(xiǎn)性比較高的區(qū)域,一般為采掘工作面,如圖1所示。
圖1 1411工作面地音探頭布置示意
探頭與采掘工作面的距離應(yīng)當(dāng)在30~110m之間,條件允許時(shí),探頭應(yīng)當(dāng)盡可能遠(yuǎn)離噪音源。探頭安裝在垂直于煤壁的錨桿上,錨桿長度應(yīng)不小于1.5m。為了確保探頭與巖體接觸牢靠,錨桿應(yīng)全程錨固,保證其與巖體形成一個(gè)整體。
3.2地音監(jiān)測揭示上覆巖層運(yùn)動(dòng)
華豐煤礦煤層傾角為30°,礫巖厚度隨著工作面開采深度的增加而加大,下位煤巖層受其自重應(yīng)力的影響也愈加明顯,煤巖體內(nèi)的原巖應(yīng)力越來越高,因此在開采過程中容易形成由高應(yīng)力集中引起的沖擊危險(xiǎn)。統(tǒng)計(jì)該礦已發(fā)生過的沖擊地壓,工作面沖擊地壓發(fā)生頻次隨著采場礫巖厚度增加而增多,工作面沖擊危險(xiǎn)性也隨之增強(qiáng)。
圖2為華豐煤礦地音監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)時(shí)顯示窗口,圖中共顯示8個(gè)通道的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),左邊4個(gè)為2409工作面回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷4個(gè)傳感器接收的數(shù)據(jù),右邊4個(gè)為1411工作面回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷4個(gè)傳感器接受的數(shù)據(jù),圖中右坐標(biāo)和左坐標(biāo)分別代表能量和頻次,圖中顯示每一分鐘該地音傳感器接受到地音信號的頻次和能量。2409和1411工作面是分布于礦井的西部(翼)和東部(翼)的兩個(gè)不同采區(qū)的工作面,兩工作面為背向推采,兩工作面間距約1000多米。從圖中可以看出,兩個(gè)工作面的8個(gè)通道均在當(dāng)日18時(shí)10分監(jiān)測到一個(gè)強(qiáng)大的地音信號波動(dòng),說明該信號來源于兩個(gè)工作面的同一主關(guān)鍵層,預(yù)示著作為主關(guān)鍵層的上覆礫巖層發(fā)生了一次破裂。而后該礦于當(dāng)日18時(shí)52分發(fā)生一次1.9級礦震,并在1411工作面誘發(fā)一次沖擊地壓。說明地音監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測開采區(qū)域內(nèi)的地音信號,并且系統(tǒng)的數(shù)據(jù)能夠直觀地揭示上覆巨厚礫巖層的運(yùn)動(dòng)。
圖2 地音監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時(shí)觀測窗口
3.3地音數(shù)據(jù)與地表下沉的關(guān)系
通過對該次礦震發(fā)生前期的數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié),發(fā)現(xiàn)地音數(shù)據(jù)(能量和頻次)與地表下沉有明顯的規(guī)律性。工作面推進(jìn)過程初期,礫巖層下沉速度較慢,為堅(jiān)硬頂板積聚彈性能的時(shí)期,地音數(shù)據(jù)(能量和頻次)出現(xiàn)有規(guī)律性的變化;當(dāng)上覆礫巖層破斷后,發(fā)生堅(jiān)硬頂板的滑移失穩(wěn),地表迅速下沉,地音數(shù)據(jù)(能量和頻次)的規(guī)律性變化結(jié)束,聚集的彈性能突然釋放造成強(qiáng)烈地震動(dòng),造成沖擊地壓發(fā)生。
圖3、圖4為1411工作面2010年地音能量和頻次與地表下沉量的變化趨勢,從圖中可以看出,地音能量和頻次從3月份開始處于上升趨勢,于8月中旬上覆礫巖斷裂之前,能量和頻次都達(dá)到其最高峰,之后地音的頻次停止增長,地音能量開始驟降。因此通過對地音能量和頻次的峰值點(diǎn)的判斷,可以對頂板巨厚巖層的斷裂進(jìn)行預(yù)測。
圖3 地音能量與地表下沉變化曲線
圖4 地音頻次與地表下沉變化曲線
4結(jié)論
通過對華豐煤礦地音監(jiān)測系統(tǒng)沖擊地壓發(fā)生前后的數(shù)據(jù)分析,對頂板巨厚巖層的活動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了研究。地音監(jiān)測系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)地音事件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,系統(tǒng)的實(shí)時(shí)顯示界面揭示了上覆巨厚礫巖層的運(yùn)動(dòng)情況。通過對地音數(shù)據(jù)(能量和頻次)與地表下沉的數(shù)據(jù)分析,總結(jié)了兩者之間的變化規(guī)律,在頂板巨厚礫巖斷裂前期地音能量
和頻次處于上升趨勢,當(dāng)?shù)匾裟芰亢皖l次達(dá)到其高峰時(shí)頂板巨厚礫巖斷裂,之后地音的頻次停止增長,地音能量開始驟降。對頂板巨厚巖層運(yùn)動(dòng)的監(jiān)測手段有很多,為找到更加有效的監(jiān)測方法,還需要進(jìn)行大量的研究工作。
[參考文獻(xiàn)]
[1]盧新偉.巨厚火成巖下礦震分布特征分析[J].煤炭工程,2010,7(7):54-57.
[2]王元杰,霍永金,張宗文,等.基于最小平方法的微震震級與能量關(guān)系研究[J].煤礦開采,2015,20(4):104-106.
[3]M.Cai,P.K.Kaiser,H.Morioka,et al.FLAC/PFC coupled numerical simulation of AE in large-scale underground excavations [J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2007(44):550-564.
[4]張宗文,王元杰,趙成利,等.微震和地音綜合監(jiān)測在沖擊地壓防治中的應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2011,39(1):44-47.
[5]何全洪.礫巖運(yùn)動(dòng)與沖擊地壓的關(guān)系探討[J].礦山壓力與頂板管理,2003(4):95-96,64.
[6]郭惟嘉,孔令海,陳紹杰,等.巖層及地表移動(dòng)與沖擊地壓相關(guān)性研究[J].巖土力學(xué),2009,30(2):447-451.
[7]竇林名,曹勝根,劉貞堂.三河尖煤礦堅(jiān)硬頂板對沖擊地壓的影響分析[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2003,32(4):388-392.
[8]王元杰,齊慶新,毛德兵,等.基于地音監(jiān)測技術(shù)的沖擊危險(xiǎn)性預(yù)測[J].煤礦安全,2010,41(4):52-54.
[責(zé)任編輯:潘俊鋒]
Application of Earth-sound Monitoring System in Strata Movement of Giant Roof
WANG Yuan-jie1,2
(1.Coal Mining & Designing Department,Tiandi Science & Technology Co.,Ltd.,Beijing 100013,China;2.Mining Research Institute,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China)
Abstract:Rock burst was influenced by movement and broken of giant thick strata in roof obviously,in order to studying movement law of giant thick strata in roof,development process and principle of earth-sound monitoring technology was introduced first,with real-time data of earth sound monitoring,earth sound energy and frequency,changed law of surface subsidence,giant thick conglomerate roof movement in Huafeng coal mine was observed and studied.The studying showed that giant thick strata movement of roof could be monitored real-time by earth sound monitoring system,and then broken would be forecast,it’s beneficent for rock burst control effectively.
Key words:earth-sound monitoring,rock burst;giant thick roof,movement law
[收稿日期]2015-11-02[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.03.029
[基金項(xiàng)目]國家自然科學(xué)青年基金資助項(xiàng)目(51304116);國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)項(xiàng)目(2010CB226806)
[作者簡介]王元杰(1983-),男,山東泰安人,助理研究員,主要從事煤礦安全、沖擊地壓等方面的研究工作。
[中圖分類號]TD324
[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A
[文章編號]1006-6225(2016)03-0109-03
[引用格式]王元杰.地音監(jiān)測系統(tǒng)在頂板巨厚巖層活動(dòng)規(guī)律研究中的應(yīng)用[J].煤礦開采,2016,21(3):109-111,84.