李 苗 張紅軍 歐陽治華 王紀(jì)鵬

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

應(yīng)用于采空區(qū)失穩(wěn)預(yù)報(bào)的聲發(fā)射差量比指標(biāo)

李 苗 張紅軍 歐陽治華 王紀(jì)鵬

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

鄂東地區(qū)中小型礦山數(shù)量眾多，采空區(qū)失穩(wěn)事故頻發(fā)，實(shí)現(xiàn)采空區(qū)準(zhǔn)確有效的預(yù)警預(yù)報(bào)已成為鄂東地區(qū)重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容之一。結(jié)合鄂東地區(qū)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)應(yīng)用現(xiàn)狀，提出差量比指標(biāo)，該指標(biāo)綜合考慮了一段期間聲發(fā)射大事件、總事件及能率3項(xiàng)參數(shù)，有效減少外界干擾、地質(zhì)條件不同及采空區(qū)結(jié)構(gòu)差異造成的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)參數(shù)波動(dòng)影響。通過對(duì)比采空區(qū)巖體失穩(wěn)聲發(fā)射參數(shù)累計(jì)值的變化，得出了對(duì)應(yīng)的聲發(fā)射差量比指標(biāo)的一般變化規(guī)律及失穩(wěn)前兆特征，利用聲發(fā)射差量比指標(biāo)，不僅能合理有效分析采空區(qū)穩(wěn)定性狀態(tài)，還能簡(jiǎn)單準(zhǔn)確地根據(jù)差值比前兆特征對(duì)采空區(qū)失穩(wěn)時(shí)間進(jìn)行預(yù)測(cè)。將聲發(fā)射差值比指標(biāo)應(yīng)用于鄂東地區(qū)普民鐵礦采空區(qū)穩(wěn)定性分析，預(yù)測(cè)評(píng)判結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況一致，說明該指標(biāo)評(píng)判方法具有一定的適用性和合理性。

差量比指標(biāo) 聲發(fā)射 采空區(qū) 失穩(wěn)預(yù)測(cè)

聲發(fā)射又稱應(yīng)力波發(fā)射，是材料受力產(chǎn)生變形、斷裂或承受載荷超過材料極限強(qiáng)度進(jìn)入塑形變形階段，以聲波形式釋放應(yīng)變能的現(xiàn)象[1]。隨著聲發(fā)射監(jiān)測(cè)設(shè)備的不斷革新和發(fā)展及巖體聲發(fā)射理論的不斷擴(kuò)展和完善，聲發(fā)射技術(shù)在巖土工程和礦山巖體穩(wěn)定性預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)方面得到了廣泛推廣和應(yīng)用[2-3]。目前，巖體聲發(fā)射技術(shù)已成為評(píng)價(jià)及預(yù)測(cè)地下采空區(qū)及地下工程穩(wěn)定性的重要手段之一[4]。

鄂東地區(qū)目前地下形成了大量高危采空區(qū)群，分布范圍大，距離地表也較近，受到地表水和地下水的侵蝕十分嚴(yán)重，加上長(zhǎng)期以來采礦爆破作業(yè)的震動(dòng)影響，其穩(wěn)定性逐步降低，冒頂片幫事故頻發(fā)，當(dāng)前已成為鄂東地區(qū)采空區(qū)重點(diǎn)防治對(duì)象[5]。為防止和減少采空區(qū)失穩(wěn)事故的發(fā)生，鄂東地區(qū)大部分礦山已成功引入YSSC型巖體聲發(fā)射監(jiān)測(cè)儀，并建立了相應(yīng)的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，初步實(shí)現(xiàn)了對(duì)已有采空區(qū)穩(wěn)定性的全面監(jiān)測(cè)[6]。

針對(duì)鄂東地區(qū)聲發(fā)射現(xiàn)狀，提出聲發(fā)射差量比指標(biāo)，并將其應(yīng)用到聲發(fā)射監(jiān)測(cè)參數(shù)的分析中，實(shí)現(xiàn)對(duì)采空區(qū)失穩(wěn)的有效評(píng)判及預(yù)測(cè)。

1 鄂東地區(qū)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀

鄂東地區(qū)大部分中小型礦山使用的設(shè)備為YSSC型巖體聲發(fā)射監(jiān)測(cè)儀，監(jiān)測(cè)參數(shù)為大事件數(shù)(G)、總事件數(shù)(N)和能率(E)。一般情況下，根據(jù)每次監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)的聲發(fā)射參數(shù)對(duì)采空區(qū)當(dāng)前穩(wěn)定性狀況進(jìn)行評(píng)判預(yù)測(cè)，當(dāng)某個(gè)或多個(gè)監(jiān)測(cè)參數(shù)超過既定的預(yù)警閾值時(shí)，就對(duì)當(dāng)前監(jiān)測(cè)區(qū)域發(fā)出失穩(wěn)預(yù)報(bào)，提前撤離采礦人員和設(shè)備，避免或盡可能地減少損失[7]。

由于鄂東地區(qū)采空區(qū)數(shù)量眾多，根據(jù)每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)際情況設(shè)定不同的預(yù)警閾值，雖然能有效提高評(píng)判預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度，但需要對(duì)不同采場(chǎng)各種巖體做大量的聲發(fā)射室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，同時(shí)還需一定時(shí)間的工程應(yīng)用實(shí)踐驗(yàn)證和積累，大大加重了中小型礦山的工作量和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，可行性較低。小波分析理論可以根據(jù)巖體聲發(fā)射特性實(shí)現(xiàn)波形的去噪分析，減少外界環(huán)境的干擾，而灰色理論、突變模型等現(xiàn)代理論分析方法也能準(zhǔn)確有效地根據(jù)一段時(shí)間內(nèi)的聲發(fā)射參數(shù)對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，但均需要投入一定的時(shí)間和工作量，不能及時(shí)根據(jù)監(jiān)測(cè)參數(shù)對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性狀態(tài)做出預(yù)判。

2 聲發(fā)射差量比指標(biāo)及評(píng)判方法

2.1 聲發(fā)射差量比指標(biāo)

綜合考慮以上現(xiàn)狀，提出聲發(fā)射差量比指標(biāo)。將采空區(qū)巖體聲發(fā)射大事件數(shù)、總事件數(shù)和能率分別記為G、N和E。以大事件為例，設(shè)某一時(shí)段內(nèi)，時(shí)刻t0，t1，t2，…，tn對(duì)應(yīng)的巖體聲發(fā)射大事件累計(jì)數(shù)分別為G0，G1，G2，…，Gn，則大事件的差量比指標(biāo)計(jì)算公式定義為

(1)

同樣，可類比式(1)求出總事件差量比CN和能率差量比CE。為避免個(gè)別參數(shù)波動(dòng)影響分析預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度，取各參數(shù)差量比的平均值。采空區(qū)巖體聲發(fā)射差量比指標(biāo)C為

(2)

2.2 差量比指標(biāo)變化規(guī)律及評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

巖體承受載荷不同，聲發(fā)射強(qiáng)度也會(huì)明顯不同。以巖體聲發(fā)射室內(nèi)實(shí)驗(yàn)及鄂東地區(qū)大量工程實(shí)踐為基礎(chǔ)，得出了聲發(fā)射差量比指標(biāo)的一般變化趨勢(shì)[8-9]，如圖1和圖2所示。

圖1 采空區(qū)巖體失穩(wěn)聲發(fā)射一般規(guī)律Fig.1 Regulation of AE parameters in instability of mined-out area

圖2 采空區(qū)巖體失穩(wěn)聲發(fā)射差量比一般規(guī)律Fig.2 Regulation of AE differential ratio indicator in instability of mined-out area

巖體破壞過程中聲發(fā)射情況一般分為穩(wěn)定期、活動(dòng)期及前兆期，分別對(duì)應(yīng)巖體受壓破壞過程中的不同階段。

根據(jù)圖1和圖2，當(dāng)巖體承受載荷基本穩(wěn)定時(shí)，聲發(fā)射強(qiáng)度較弱，且波動(dòng)平穩(wěn)，處于聲發(fā)射的穩(wěn)定期，差量比指標(biāo)在此階段基本為1或在1附近波動(dòng)；當(dāng)采空區(qū)由于外界擾動(dòng)出現(xiàn)應(yīng)力集中，地壓活動(dòng)逐步趨于明顯，此時(shí)巖體聲發(fā)射強(qiáng)度逐步上升，進(jìn)入到巖體聲發(fā)射的活動(dòng)期，此階段差量比指標(biāo)大于1。當(dāng)聲發(fā)射強(qiáng)度處于前兆期時(shí)，預(yù)示著采空區(qū)巖體將發(fā)生失穩(wěn)事故，對(duì)應(yīng)的差量比指標(biāo)會(huì)迅速減小到小于1的情況。

結(jié)合采空區(qū)失穩(wěn)聲發(fā)射前兆特征和大量聲發(fā)射預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)，鄂東地區(qū)聲發(fā)射差量比指標(biāo)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)為：當(dāng)聲發(fā)射差量比指標(biāo)連續(xù)3次出現(xiàn)大于1的情況時(shí)，說明采空區(qū)監(jiān)測(cè)區(qū)域有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，在此期間，需要根據(jù)采空區(qū)的實(shí)際情況和聲發(fā)射強(qiáng)度加強(qiáng)和調(diào)整監(jiān)測(cè)區(qū)域的監(jiān)測(cè)工作，并密切關(guān)注采空區(qū)巖體的穩(wěn)定性狀態(tài)；當(dāng)聲發(fā)射差量比指標(biāo)突然減小并連續(xù)多次小于1時(shí)，則可以視為采空區(qū)失穩(wěn)的前兆信息，預(yù)示著失穩(wěn)事故的發(fā)生，對(duì)采空區(qū)發(fā)出失穩(wěn)預(yù)警，提前做好采空區(qū)失穩(wěn)的應(yīng)對(duì)措施。

3 應(yīng)用實(shí)例

普民鐵礦是鄂東地區(qū)典型小型礦企，開采范圍為劉家畈鐵礦床Ⅷ號(hào)礦體的-610～-640 m部分[10]。各中段經(jīng)過多年開采，現(xiàn)已形成多處采空區(qū)，部分采空區(qū)上下貫穿，嚴(yán)重影響礦山安全生產(chǎn)以及礦區(qū)居民的生命財(cái)產(chǎn)安全。2011年6月普民鐵礦開始對(duì)井下采空區(qū)實(shí)行聲發(fā)射監(jiān)測(cè)，排查危險(xiǎn)采空區(qū)，同時(shí)對(duì)大規(guī)模的地壓活動(dòng)及采空區(qū)失穩(wěn)進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。自聲發(fā)射監(jiān)測(cè)工程啟動(dòng)以來，成功預(yù)報(bào)了多次大小規(guī)模冒頂、片幫事故，預(yù)報(bào)失誤和預(yù)報(bào)偏差的情況也經(jīng)常發(fā)生。為了說明聲發(fā)射差量比指標(biāo)的評(píng)判預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度，以2012年6月-610 m 水平采空區(qū)大規(guī)模片幫事故為例進(jìn)行分析預(yù)測(cè)。失穩(wěn)事故發(fā)生前的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)參數(shù)及差量比分析結(jié)果見表1。

表1 普民鐵礦聲發(fā)射參數(shù)及差量比指標(biāo)Table 1 AE parameters and differential ratio indicators of Pumin iron mine

根據(jù)聲發(fā)射差量比計(jì)算結(jié)果，從2012年6月6日開始，差量比連續(xù)出現(xiàn)大于1的情況，說明采空區(qū)巖體聲發(fā)射進(jìn)入到活動(dòng)期，采空區(qū)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)應(yīng)力集中現(xiàn)象逐步趨于明顯，并根據(jù)巖體聲發(fā)射強(qiáng)度，建議10號(hào)開始加強(qiáng)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)強(qiáng)度。在6月15日及16日，聲發(fā)射差量比連續(xù)小于1。根據(jù)巖體聲發(fā)射差量比指標(biāo)前兆特征，即可以預(yù)測(cè)普民鐵礦采空區(qū)將在6月16號(hào)以后3 d內(nèi)發(fā)生失穩(wěn)事故。根據(jù)傳統(tǒng)的分析方法，普民鐵礦當(dāng)時(shí)僅根據(jù)6月15日及16日聲發(fā)射參數(shù)超過預(yù)警閾值發(fā)出失穩(wěn)預(yù)警，但在隨后的3 d聲發(fā)射參數(shù)明顯趨于緩和，小于預(yù)警閾值，隨后便解除了預(yù)警，出現(xiàn)明顯的預(yù)測(cè)失誤。在2012年6月19日凌晨，監(jiān)測(cè)區(qū)域發(fā)生大規(guī)模片幫，聲發(fā)射差量比預(yù)測(cè)結(jié)果與采空區(qū)實(shí)際情況基本一致，說明該指標(biāo)具有一定的合理性和適用性。

4 結(jié) 論

(1)根據(jù)采空區(qū)巖體失穩(wěn)聲發(fā)射一般變化規(guī)律及鄂東地區(qū)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀，提出了聲發(fā)射差量比指標(biāo)，得出了采空區(qū)巖體失穩(wěn)時(shí)的聲發(fā)射差量比指標(biāo)變化規(guī)律及前兆特征。

(2)聲發(fā)射差量比指標(biāo)能綜合考慮了大事件數(shù)、總事件數(shù)和能率3項(xiàng)參數(shù)，能有效弱化個(gè)別參數(shù)波動(dòng)對(duì)評(píng)判預(yù)測(cè)結(jié)果的影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性合理有效的評(píng)判和對(duì)失穩(wěn)時(shí)間準(zhǔn)確簡(jiǎn)單的預(yù)報(bào)。

(3)利用聲發(fā)射差量比指標(biāo)對(duì)普民鐵礦采空區(qū)失穩(wěn)事故分析評(píng)判預(yù)測(cè)，分析結(jié)果與采空區(qū)實(shí)際情況基本一致。

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

Application of Acoustic Emission Differential Ratio Indicator in Instability Prediction of Mining-out Area

Li Miao Zhang Hongjun Ouyang Zhihua Wang Jipeng

(SchoolofResourcesandEnvironmentEngineering，WuhanUniversityofScienceandTechnology，Wuhan430081，China)

There are numerous small or medium-sized mines in the eastern Hubei where instable accidents of mining excavations frequently happened.How to accurately and effectively analyze and predict the stability of mining-out area has been one of the important issues.Based on the application status of acoustic emission in the eastern Hubei，the AE differential ratio indicator was put forward，which took into consideration of such three AE parameters as the large acoustic emission events，and the total event period and the energy rate within a period of time.It can effectively reduce the interference on sound monitoring parameter fluctuations from the external environment，different geological conditions and different structures of the mined zone.Through comparing with the variation of the cumulative value of rock acoustic emission parameters in mined-out area，the general changing rule of the corresponding AE differential ratio indicator and its precursor characteristics of instability were obtained.The AE differential ratio indicator can not only reasonably and effectively analyze the stability of the mined-out area，but also simply and accurately predict the instable time.Then，AE differential ratio indicator was applied in Pumin iron mine in the eastern Hubei to predict the stability of mined-out area，and the prediction result was basically in accord with the actual situation，indicating that the indicator has certain applicability and rationality.

Differential ratio indicator，AE(acoustic emission)，Mining-out area，Instability prediction

2014-01-05

李 苗(1990—)，男，碩士研究生。

TD76

A

1001-1250(2014)-05-155-03