電荷監(jiān)測(cè)在綜采面危險(xiǎn)性局部監(jiān)測(cè)的探討研究

暢磊朋,張陳冰

(潞安化工集團(tuán)余吾煤業(yè)公司 生產(chǎn)科,山西 長治 046100)

高應(yīng)力危險(xiǎn)性局部監(jiān)測(cè)方法可采用鉆屑法、應(yīng)力監(jiān)測(cè)法、電磁輻射法等,但由于高應(yīng)力災(zāi)變的機(jī)理、前兆信息都不一致,高應(yīng)力危險(xiǎn)性預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率在各種因素影響下也存在一定差異性,國內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)此作出了研究。王恩元等[1]對(duì)煤體破裂聲發(fā)射的頻譜、煤巖破壞聲發(fā)射強(qiáng)度、電磁輻射法預(yù)測(cè)煤與瓦斯突出原理進(jìn)行了研究;竇林名等[2]對(duì)沖擊礦壓危險(xiǎn)預(yù)測(cè)的電磁輻射原理、礦井煤巖動(dòng)力災(zāi)害電磁輻射預(yù)警技術(shù)進(jìn)行了研究;潘一山等[3-5]對(duì)煤巖破裂過程中電荷感應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了研究。經(jīng)驗(yàn)表明,煤巖體受載荷疊加變形破裂過程中會(huì)產(chǎn)生電荷[4],且煤巖在彈性變形和受擠破裂過程產(chǎn)生的電荷信號(hào)與災(zāi)害動(dòng)力過程密切相關(guān),其輸出的信號(hào)中包含了煤巖變形破壞信息,能綜合反映高應(yīng)力顯現(xiàn)過程中各階段的破壞特征,可用于高應(yīng)力危險(xiǎn)的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)。

1 監(jiān)測(cè)儀器和原理簡介

煤巖電荷監(jiān)測(cè)儀由非接觸式電荷傳感器、信號(hào)調(diào)理電路和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。當(dāng)煤巖受外部動(dòng)力載荷作用時(shí),其內(nèi)部裂紋發(fā)生擴(kuò)展,產(chǎn)生自由電荷;當(dāng)裂紋面帶電顆粒遠(yuǎn)離傳感器時(shí),內(nèi)部電荷重新恢復(fù)至平衡狀態(tài)。信號(hào)調(diào)理電路將感應(yīng)電荷信號(hào)按一定比例關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào),通過數(shù)據(jù)采集器采集電荷數(shù)據(jù),電荷傳感器將煤巖表面微弱的電荷信號(hào)進(jìn)行放大和轉(zhuǎn)換,以便收集電荷。

2 電荷測(cè)量方案

本文選用YCD-5本安型煤巖電荷監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行電荷監(jiān)測(cè),儀器主要由電荷傳感器和可視化數(shù)據(jù)采集儀組成,具有采集、顯示、儲(chǔ)存等功能。傳感器布置在在煤體鉆孔內(nèi)部,通過電荷信號(hào)趨勢(shì)法和感應(yīng)電荷量幅值法分析煤巖變形受力狀態(tài),能滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求。

電荷基本值采集鉆孔位置布置在工作面原巖應(yīng)力區(qū)(停采線附近)膠帶巷和回風(fēng)巷工作面幫,避開斷層、褶曲、陷落柱等構(gòu)造,分別布置10個(gè)測(cè)點(diǎn)(鉆孔),孔間距為20 m,鉆孔深度為4～5 m,鉆孔直徑為120 mm,每次監(jiān)測(cè)時(shí)間為1～2 min.

基本值采集鉆孔位置必須避開采掘擾動(dòng)的影響,參照采掘擾動(dòng)影響距離的規(guī)定,確定基本值鉆孔施工區(qū)域?yàn)榫C采工作面往外不少于400 m,綜采工作面電荷基本值采集鉆孔布置參數(shù)表和示意圖分別如表1和圖1所示。

工作面動(dòng)態(tài)采集鉆孔位置必須考慮采掘擾動(dòng)、超前支承壓力等影響,參照采掘擾動(dòng)影響距離的規(guī)定,確定動(dòng)態(tài)采集鉆孔施工區(qū)域?yàn)榫C采工作面往外不大于50 m,綜采工作面電荷動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)值采集鉆孔布置參數(shù)表和示意圖如表2和圖2所示。

圖2 采煤工作面電荷值動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)孔布置示意

表2 電荷動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)值采集鉆孔參數(shù)

圖1和圖2中所示的監(jiān)測(cè)孔為10個(gè),但是考慮到工作面作業(yè)實(shí)際情況(邁步鉆場(chǎng)、硐室等應(yīng)力集中區(qū)),實(shí)際施工鉆孔數(shù)量為8個(gè)。

兩種鉆孔的區(qū)別主要在于基本值采集鉆孔是用來采集并確定工作面的電荷基本值,而動(dòng)態(tài)采集鉆孔是超前工作面前方50 m按照?qǐng)D2進(jìn)行布置,其作用是動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作面回采過程中的電荷量變化,將動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)值和本文第4節(jié)確定的預(yù)警值進(jìn)行比較,從而對(duì)工作面前方的危險(xiǎn)性超前做出評(píng)估,其中動(dòng)態(tài)采集鉆孔需要隨著工作面的推采,持續(xù)對(duì)超前工作面50 m的范圍進(jìn)行電荷量采集。

3 電荷量數(shù)據(jù)分析

表3和表4為電荷監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),其單位為pC(皮庫,1 C=1012pC),表3和圖3為201號(hào)工作面電荷量基本值監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),從表3和圖3可以看出,5號(hào)和6號(hào)測(cè)點(diǎn)(超前工作面100～120 m)處,電荷量最大,說明此處高應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)性較高,同時(shí)也是超前支承范圍,從側(cè)面印證了工作面超前支護(hù)范圍的合理性。

注:圖中柱狀圖從左至右依次為1號(hào)測(cè)點(diǎn)～8號(hào)測(cè)點(diǎn)圖3 201號(hào)工作面電荷量基本值柱狀圖

表3 201號(hào)工作面電荷量基本值監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

表4 電荷預(yù)警指標(biāo)及預(yù)警值

根據(jù)表3和圖3數(shù)據(jù)可知,電荷預(yù)警指標(biāo)選取平均電荷量和最大電荷量為宜,平均電荷量Qav為在△t時(shí)間內(nèi)感應(yīng)到的所有電荷信號(hào)所帶電荷量的平均值,其反應(yīng)了煤體在外部載荷作用下應(yīng)力的整體水平,最大電荷量Qmax為在△t時(shí)間內(nèi)感應(yīng)到的所有電荷信號(hào)所帶電荷量的最大值,其反應(yīng)了煤體在外部載荷作用下應(yīng)力的最大水平,因此,將最大電荷量Qmax和平均電荷量Qav作為煤體失穩(wěn)破壞的電荷預(yù)警指標(biāo)。

4 煤樣單軸壓縮破壞過程電荷感應(yīng)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)

電荷預(yù)警指標(biāo)預(yù)警值確定方法采用臨界值法,平均電荷量Qav和最大電荷量Qmax臨界值計(jì)算公式如公式(1)和公式(2)所示。

Qav(pC)=KQavqav(pC)

(1)

Qmax(pC)=KQmaxqmax(pC)

(2)

式中,Qav、Qmax分別為臨界平均電荷量和臨界最大電荷量,KQav、KQmax分別為臨界平均電荷量系數(shù)和臨界最大電荷量系數(shù),qav、qmax為現(xiàn)場(chǎng)原巖應(yīng)力區(qū)監(jiān)測(cè)的平均電荷量和最大電荷量,通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),得出qav=2.36pC ,qmax=2.97pC.qav和qmax由現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到,但系數(shù)K需要通過試驗(yàn)確定,試驗(yàn)系統(tǒng)是由加載系統(tǒng)、屏蔽系統(tǒng)、電荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成的綜合監(jiān)測(cè)采集系統(tǒng)。在單軸壓縮條件下,對(duì)煤樣進(jìn)行加載破壞,采用位移方式施加荷載,加載速率0.02 mm/s,加載方向與試樣層理方向垂直。電荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采樣頻率設(shè)為2 500 Hz,試驗(yàn)中將探頭布置于試樣的兩側(cè),距離試樣表面5～10 mm左右。

煤樣受載典型破壞特征如圖4和圖5所示。可以看出,煤樣破壞特征為拉剪破壞。煤樣受載破裂過程典型電荷信號(hào)-應(yīng)力-時(shí)間變化曲線如圖4所示,根據(jù)煤樣破壞應(yīng)力-應(yīng)變曲線,可將煤樣變形破壞分成三個(gè)階段,分別為壓密彈性(0%～70%σc)、強(qiáng)化損傷(70%～100%σc)及峰后破壞階段(100%～0%σc)。由圖4可以看出,在壓密彈性和強(qiáng)化損傷階段,由于煤樣無應(yīng)力突變發(fā)生,內(nèi)部裂隙發(fā)育程度較低,累積損傷較小,形成的裂隙面面積較小,破裂面間摩擦錯(cuò)動(dòng)程度較弱,定向移動(dòng)自由電荷數(shù)量較少,還未形成電勢(shì)就已經(jīng)衰減,因此在此階段幾乎沒有電荷信號(hào)產(chǎn)生。在強(qiáng)化損傷階段,煤巖試樣內(nèi)部微破裂迅速擴(kuò)展并互相連通,形成較大的破裂面,煤巖顆粒間相互摩擦的程度明顯增強(qiáng),使煤巖晶粒局部被束縛的電荷逃逸成自由電荷的數(shù)量增多,導(dǎo)致此階段開始有高值電荷信號(hào)產(chǎn)生。因此,高值電荷信號(hào)可看作是煤巖處于強(qiáng)化損傷階段,預(yù)示煤巖將要在失穩(wěn)破裂階段發(fā)生失穩(wěn)破裂,應(yīng)力增加到煤樣強(qiáng)度極限,裂紋迅速擴(kuò)展導(dǎo)通,形成切穿整個(gè)煤巖的主破裂面。

圖4 煤樣受載破裂過程典型電荷信號(hào)-應(yīng)力-時(shí)間變化曲線

圖5 煤樣破壞特征

通過統(tǒng)計(jì)得到煤體失穩(wěn)破裂與強(qiáng)化損傷階段平均電荷量比值為1.3,即平均電荷量臨界系數(shù)k1為1.3.煤體失穩(wěn)破裂與強(qiáng)化損傷階段最大電荷量比值為1.5,即最大電荷量臨界系數(shù)k2為1.5.

由公式(1)和(2)可以得到,電荷預(yù)警指標(biāo)預(yù)警值,通過電荷現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)得到了201號(hào)工作面qav=2.36 pC,qmax=2.97 pC.通過實(shí)驗(yàn)室得到KQav=1.3,KQmax=1.5,201號(hào)工作面電荷預(yù)警值見表4.

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

201號(hào)工作面北側(cè)為實(shí)體煤,南側(cè)為采區(qū)五條大巷(自北向南分別是:201號(hào)回風(fēng)大巷、采區(qū)輔助運(yùn)輸大巷、采區(qū)膠帶大巷、采區(qū)進(jìn)風(fēng)大巷、2號(hào)回風(fēng)大巷),西側(cè)為2號(hào)工作面(已采),東側(cè)為實(shí)體煤。201號(hào)工作面回順和2號(hào)工作面膠順留設(shè)有40 m煤柱,201號(hào)工作面每天4刀煤組織生產(chǎn),201號(hào)工作面回順受采空區(qū)側(cè)向支承力傳遞影響,礦壓顯現(xiàn)劇烈。

201號(hào)工作面見方期間,受相鄰采空區(qū)應(yīng)力傳遞、后方上覆巖層未充分垮落等影響,巷道礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈,局部應(yīng)力集中,高應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)較大,回采期間回風(fēng)巷出現(xiàn)頻繁響煤炮、錨桿索崩斷等現(xiàn)象,嚴(yán)重制約著工作面安全回采,采用電荷監(jiān)測(cè)對(duì)工作面高應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)性進(jìn)行局部監(jiān)測(cè),得到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表5.

表5 201號(hào)工作面電荷量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

通過201號(hào)工作面預(yù)警初值相比較,由表5和圖6可以看出,工作面前方5號(hào)～8號(hào)測(cè)點(diǎn)(超前工作面100～160 m)電荷量預(yù)警,此區(qū)域內(nèi)高應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)較大,經(jīng)過與現(xiàn)場(chǎng)響煤炮次數(shù)、斷錨桿索數(shù)量、地質(zhì)因素等綜合分析,采取區(qū)域限員、工作面限產(chǎn)1刀的“兩限”措施,同時(shí)通知隊(duì)組在5號(hào)～8號(hào)測(cè)點(diǎn)前后25 m采取加密施工大直徑卸壓鉆孔、深淺孔聚能爆破、底煤爆破卸壓等手段來防治高應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn),通過以上解危措施的實(shí)施,并通過電荷和鉆屑雙重檢驗(yàn),確保了見方期間工作面的安全回采。

圖6 201號(hào)工作面電荷量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)柱狀圖

6 結(jié) 語

1) 結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與理論公式計(jì)算,得出綜采工作面的高應(yīng)力危險(xiǎn)電荷預(yù)警指標(biāo)。在工作面回采過程中,利用煤巖電荷監(jiān)測(cè)儀每日對(duì)工作面兩巷道前方50 m的電荷量進(jìn)行動(dòng)態(tài)采集,并通過對(duì)比分析對(duì)工作面前方的高應(yīng)力危險(xiǎn)性進(jìn)行判定,并及時(shí)采取合理的解危措施,從而確保工作面的安全回采。

2) 綜采工作面受回采擾動(dòng),超前支承和側(cè)向支承應(yīng)力重新分布后,主要集中在兩巷道的超前棚內(nèi),在對(duì)超前棚兩側(cè)煤體采取卸壓手段的同時(shí),也要對(duì)超前棚的維護(hù)引起重視,在過大型地質(zhì)構(gòu)造或孤島工作面時(shí),建議采用巷道液壓支架或單元支架進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。