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        聲發(fā)射累計差量指標(biāo)在采空區(qū)失穩(wěn)預(yù)報中的應(yīng)用*

        2013-10-31 02:35:54馬雄忠王文杰莫煥東
        金屬礦山 2013年7期

        馬雄忠 王文杰 莫煥東 葉 鵬

        (1.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院;2.廣西佛子礦業(yè)有限公司)

        巖體聲發(fā)射技術(shù)是根據(jù)巖體在發(fā)生變形、破壞時發(fā)出的應(yīng)力波來判斷內(nèi)部損傷程度的一種動態(tài)無損檢測方法?,F(xiàn)在,該技術(shù)廣泛應(yīng)用于巖體穩(wěn)定性的監(jiān)測和地質(zhì)、石油鉆探的應(yīng)力測定[1]。

        廣西佛子沖鉛鋅礦長期采用淺孔留礦法回采,在礦體上部留下了大量采空區(qū)。目前,古益礦區(qū)104號礦體已經(jīng)回采到100 m中段,上部留下了延深150 m左右的超高采空區(qū)。為了確保生產(chǎn)作業(yè)期間的安全,防范大面積地壓活動造成人員財產(chǎn)損失,佛子沖礦對104號礦體建立了聲發(fā)射地壓監(jiān)測系統(tǒng)。

        聲發(fā)射通常用與聲發(fā)射事件率和幅度能量有關(guān)的參數(shù)來描述。傳統(tǒng)的分析方法是考察1個或幾個特征參數(shù)值的變化,當(dāng)被考察特征值接近或者超過經(jīng)驗值時就發(fā)出預(yù)報。這種方法經(jīng)常預(yù)報不準(zhǔn)確,導(dǎo)致較嚴(yán)重的財產(chǎn)損失和人員傷亡。針對這種情況,本研究在得到聲發(fā)射參數(shù)值的前提下,提出了聲發(fā)射事件率累計差量指標(biāo),該指標(biāo)綜合考慮了一段時期內(nèi)事件率的監(jiān)測數(shù)據(jù),可有效地用于空區(qū)圍巖的穩(wěn)定性評價。然后運用非線性理論中的灰色理論建立GM(1,1)預(yù)測模型對事件率累計差量指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測,以達(dá)到快速準(zhǔn)確預(yù)報的目的。

        1 巖體穩(wěn)定性累計差量指標(biāo)

        1.1 傳統(tǒng)聲發(fā)射預(yù)測法的缺陷

        巖體聲發(fā)射參量攜帶了大量有關(guān)巖體結(jié)構(gòu)特征及其破壞過程的信息,這是聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于巖土工程的主要理論依據(jù)[2]。實際應(yīng)用中,常根據(jù)聲發(fā)射事件率、大事件率和能率來評價巖體穩(wěn)定性。聲發(fā)射事件率(N)是單位時間觀測到的聲發(fā)射次數(shù),是反映巖體聲發(fā)射信號發(fā)生頻度的特征參量;大事件率是單位時間內(nèi)幅度大于設(shè)定值的事件累計數(shù),反映較大聲發(fā)射幅度;能率(E)是與單位時間聲發(fā)射能量成比例的量(無量綱),反映聲發(fā)射的能量。

        由于礦山井下工程地質(zhì)條件復(fù)雜,聲發(fā)射儀器抗干擾能力差,導(dǎo)致實際監(jiān)測到的信號與聲發(fā)射源發(fā)出的信號存在較大差異。因此,僅通過單日的特征參量變化往往不能很準(zhǔn)確地評價預(yù)測巖體的穩(wěn)定性。針對以上問題,通過綜合考慮聲發(fā)射事件率和聲發(fā)射事件率累計差量指標(biāo),能更準(zhǔn)確地評價巖體的穩(wěn)定性。

        1.2 聲發(fā)射累計差量指標(biāo)

        礦山地下采場和采空區(qū)在圍壓變大時,圍巖結(jié)構(gòu)開始發(fā)生破壞,聲發(fā)射事件率和能率等參數(shù)也相應(yīng)地升高。圍巖破壞范圍越大,所產(chǎn)生的聲發(fā)射效應(yīng)越劇烈,監(jiān)測到的聲發(fā)射參數(shù)值越大。當(dāng)圍巖壓力釋放完畢后,重新達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),此時,聲發(fā)射參數(shù)開始降低。由此可見,從穩(wěn)定到破壞的過程中,聲發(fā)射現(xiàn)象是連續(xù)的,并且會持續(xù)一段時間,僅根據(jù)某一時刻測得的聲發(fā)射參數(shù)來判斷空區(qū)或采場圍巖的穩(wěn)定性,跟真實情況會有一定的差異。巖體聲發(fā)射累計差量指標(biāo)正是針對以上問題設(shè)計的,它利用一段時間的聲發(fā)射事件率的累計差量變化來評價巖體的穩(wěn)定性,以此預(yù)報采空區(qū)冒頂?shù)仁Х€(wěn)事故??捎孟旅娴姆椒ㄓ嬎懵暟l(fā)射事件率累計差量指標(biāo)(Nt)。

        設(shè)某一時期巖體聲發(fā)射事件率數(shù)據(jù)序列為?

        其中,Ni為時序為i時的事件率。

        對序列項前后相減,得序列

        將正差量的和定為C1,負(fù)差量的絕對值的和定為C2,即

        則 Nt∈[0,1]。

        巖體聲發(fā)射事件率累計差量指標(biāo)在0~1變化。

        以對佛子沖礦巖體聲發(fā)射監(jiān)測得到的大量數(shù)據(jù)、巖體的多次失穩(wěn)事件為依據(jù),得出了巖體失穩(wěn)各階段的聲發(fā)射事件率累計差量指標(biāo)的一般變化趨勢,如圖1所示。

        圖1 巖石失穩(wěn)過程N-T、Nt-T關(guān)系曲線

        巖體聲發(fā)射的穩(wěn)定期、活動期和破壞期分別對應(yīng)巖體破壞過程中的穩(wěn)定狀態(tài)、局部破壞狀態(tài)和整體破壞狀態(tài)。隨著巖體破壞的發(fā)展,Nt值也發(fā)生相應(yīng)的變化。穩(wěn)定期的Nt值較低,一般在0~0.6,說明聲發(fā)射事件波動程度小,且都為短期波動。此時的信號可認(rèn)為是巖體出現(xiàn)新的細(xì)微裂隙或原有細(xì)微裂隙閉合造成的?;顒悠趲r體釋放的聲發(fā)射信號開始增強,巖體破壞不斷發(fā)展,相應(yīng)的Nt指標(biāo)值也開始上漲,這段時期的Nt值一般在0.6~1,此時的信號來源于細(xì)微裂隙擴(kuò)展以及巖體內(nèi)部新生的張拉裂縫。當(dāng)聲發(fā)射累計差量指標(biāo)大于0.75時,巖體已經(jīng)接近失穩(wěn)破壞,此時需要對預(yù)測出的破壞區(qū)段進(jìn)行密集監(jiān)測,隨時關(guān)注巖體的最新穩(wěn)定狀態(tài),以便及時作出處理。破壞期巖體迅速破裂,可能出現(xiàn)較大范圍的冒頂事故,但由于活動期巖體已經(jīng)釋放了大量的變形能,因此該區(qū)段聲發(fā)射累計差量指標(biāo)開始下降,重新回到0.5附近。

        由圖1可知,Nt指標(biāo)對巖體的中長期聲發(fā)射事件很敏感,比事件率趨勢線更早預(yù)測到了巖體失穩(wěn)事故,因此,用Nt指標(biāo)可以更好地反應(yīng)巖體穩(wěn)定狀態(tài),對確保礦山人員財產(chǎn)安全意義重大。

        2 灰色理論模型

        灰色系統(tǒng)理論是由鄧聚龍教授于1982年提出并加以發(fā)展的?;诨疑碚摰幕疑A(yù)測模型是通過少量、不完全的信息建立數(shù)學(xué)模型并做出預(yù)測的一種預(yù)測方法。在巖體聲發(fā)射監(jiān)測中,聲發(fā)射事件率是一個時間順序的數(shù)據(jù)列,通過建立聲發(fā)射灰色理論[3-4]的 GM(1,1)模型,可以預(yù)測未來可能發(fā)生的情況,以便為崩塌的防治提供動態(tài)信息。

        假定在時間序列 t1,…,tn-2,tn-1,tn(n≥5)內(nèi)得到的聲發(fā)射事件率累計差量為數(shù)列 x1,…,xn-2,xn-1,xn(n ≥ 2),即為原始數(shù)據(jù)序列 x(0),記為

        對原始數(shù)據(jù)作做1次累加,生成序列x(1),記為

        設(shè)x(1)滿足一階常微分方程

        其中,a,u為待定參數(shù)。用最小二乘法求出待定參數(shù)a、u的估計值,代入時間響應(yīng)函數(shù)得

        將時間響應(yīng)方程寫為

        其中

        再利用最小二乘法,得

        累加公式反推得:

        3 佛子沖礦104號礦體采空區(qū)穩(wěn)定性預(yù)報

        受礦體的賦存條件、礦山開拓和礦山機械的影響,佛子沖礦采礦方法為淺孔留礦法。由于長期的淺孔留礦法回采,又沒有及時進(jìn)行充填,導(dǎo)致在礦體上部留下了大量采空區(qū)。

        佛子沖礦104號礦體位于佛子沖鉛鋅礦田勘探線018線至0線,是隱伏礦體,從250 m標(biāo)高延伸至20 m標(biāo)高。礦體長470 m,傾斜延深199 m,走向北東 ~北北東向22°~37°,傾向南東,傾角 56°~88°,礦體圍巖為砂巖、粉砂巖、灰?guī)r、花崗閃長巖。礦體鉛鋅品位在15%以上,品位較高,是主要的富礦體之一。180 m中段以上全部采空,138 m中段有2個采場,約有10 000 t礦石量,100 m中段形成了4個采場,60 m標(biāo)高見礦,正在做采切準(zhǔn)備,20 m標(biāo)高鉆孔見礦,準(zhǔn)備開拓。目前,104號礦體上部留有延深150 m左右的超高采空區(qū)。

        104號礦體聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)于2012年7月正式投入運行,自運行以來,先后于2012年的8月5日、9月22日等成功地預(yù)報了不同程度的空區(qū)頂板冒落。為了說明事件率累計差量指標(biāo)的GM(1,1)模型的預(yù)測效果,以8月5日冒頂事件為例進(jìn)行分析。

        3.1 聲發(fā)射監(jiān)測結(jié)果

        佛子沖礦104號礦體100-3#監(jiān)測孔位于100 m水平08線附近,該測孔控制范圍內(nèi)存在有較大的采空區(qū)。自2012年7月30日開始,監(jiān)測到的聲發(fā)射參數(shù)逐漸增大,監(jiān)測數(shù)據(jù)見表1。

        表1 聲發(fā)射監(jiān)測數(shù)據(jù)與預(yù)測結(jié)果

        3.2 地壓活動預(yù)報

        建立GM(1,1)模型,通過對表1的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算得到 a=0.219 6,u=0.282 1。

        將a,u的值代入式(5)得到白化微分方程[5]

        該微分方程的時間響應(yīng)函數(shù)為

        二次參數(shù)擬合后求得A=1.623 0,B=1.290 0.

        二次擬合時間響應(yīng)函數(shù)為

        根據(jù)式(9)求得聲發(fā)射累加差量指標(biāo)數(shù)據(jù)預(yù)測方程為

        由于Nt的范圍為[0,1],故預(yù)測值中大于1的值均記為1。

        預(yù)測結(jié)果及誤差見表1。對比GM預(yù)測結(jié)果和二次擬合預(yù)測結(jié)果可知,二次擬合灰色預(yù)測的預(yù)測精度更高。

        由表1中的聲發(fā)射累計差量指標(biāo)值和預(yù)測值可知,8月1日的Nt值為0.76,大于預(yù)警值0.75,以后幾天的預(yù)測值持續(xù)升高,上升幅度較大。至8月3日,預(yù)測值已經(jīng)達(dá)到1,此時事件率累計差量指標(biāo)達(dá)到峰值,根據(jù)Nt-T關(guān)系曲線,巖體的聲發(fā)射已經(jīng)進(jìn)入活動期的最后階段。經(jīng)過前面的穩(wěn)定期、活動期初始階段的破壞累積過程,在這個時間段內(nèi)巖體內(nèi)部裂隙發(fā)展迅速,并產(chǎn)生大量新的裂隙。經(jīng)過對該礦監(jiān)測過程中多次失穩(wěn)事件分析,冒落一般發(fā)生在Nt值出現(xiàn)峰值后的3 d內(nèi)。實際情況是8月5日上午100-3#測點控制的采空區(qū)內(nèi)觀測到小規(guī)模的冒落體。現(xiàn)場預(yù)警區(qū)域如圖2所示。預(yù)測結(jié)果與實際情況相符,從而證明了累計差量指標(biāo)的GM(1,1)模型預(yù)測冒頂事故是可行的。

        4 結(jié)論

        根據(jù)巖體聲發(fā)射的特點,定義了聲發(fā)射事件率累計差量指標(biāo),該指標(biāo)綜合考慮了一段時期內(nèi)聲發(fā)射事件率的變化特征,克服了傳統(tǒng)聲發(fā)射預(yù)測法僅根據(jù)單天孤立的監(jiān)測數(shù)據(jù)來預(yù)測巖體穩(wěn)定性的弊端,能更準(zhǔn)確地預(yù)測采空區(qū)圍巖的穩(wěn)定狀態(tài),對確保礦山生命財產(chǎn)安全有重要意義。采空區(qū)冒頂活動是一個典型的灰色系統(tǒng),通過建立聲發(fā)射事件率累計差量指標(biāo)的GM(1,1)預(yù)測模型,對佛子沖礦104號礦體采空區(qū)失穩(wěn)事件進(jìn)行預(yù)測,預(yù)測結(jié)果與礦山實際情況具有良好的一致性。

        圖2 08線采空區(qū)預(yù)警區(qū)域

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