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        聲發(fā)射預(yù)測沖擊地壓技術(shù)研究

        2020-11-30 08:38:02梁云超李凌烜
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2020年17期

        梁云超 李凌烜

        摘? 要:從目前來看,聲發(fā)射預(yù)測沖擊地壓的普及仍然存在著各種各樣的問題。該文通過概述沖擊地壓,并在分析聲發(fā)射與煤巖體損傷破壞關(guān)系的基礎(chǔ)上,闡述聲發(fā)射與沖擊地壓危險性的關(guān)系,淺議試驗地點及安裝工藝,同時具體探究災(zāi)變前后的AE指標(biāo),以供同行參考。

        關(guān)鍵詞:聲發(fā)射;預(yù)測;沖擊地壓技術(shù)

        中圖分類號: TD713? ? ? ? ? 文獻標(biāo)志碼:A

        0 引言

        隨著煤礦開采深度的不斷增加,沖擊地壓也有逐漸增長的趨勢,這嚴重威脅到了我國煤炭工業(yè)的進一步發(fā)展。如何對其進行有效的預(yù)測預(yù)報,已成為人們迫切解決的重要問題?;诖耍敿氀芯柯暟l(fā)射預(yù)測沖擊地壓技術(shù)尤為重要。

        1 沖擊地壓

        沖擊地壓通常發(fā)生于煤礦井下,是一種煤巖突發(fā)性破壞事件。在開采煤炭時,受地質(zhì)構(gòu)造影響極大,巖體所處的應(yīng)力狀態(tài)由三向壓縮轉(zhuǎn)變?yōu)殡p向壓縮,這在一定程度上減弱了巖石強度,使巖煤體應(yīng)力高度集中,將煤層周圍的彈性變形巖石的潛能積聚起來[1]。

        當(dāng)應(yīng)力超過了正常使用的極限狀態(tài),就會瞬間釋放大量的彈性能,發(fā)生劇烈破壞,震動和暴風(fēng)也隨之開始。沖擊地壓一旦發(fā)生,就會造成運、采、掘、支設(shè)備嚴重損壞,巷道斷面極具收縮,支護結(jié)構(gòu)嚴重破壞,甚至給作業(yè)人員造成重大傷亡。

        除此之外,沖擊地壓還會引起特別重大的其他礦井災(zāi)害,其中包括水災(zāi)、火災(zāi)、瓦斯爆炸、煤塵等。從目前來看,我國煤礦沖擊地壓的特征,主要體現(xiàn)在4個方面。1)具有突發(fā)性。沖擊地壓在未發(fā)生前,一般沒有明顯的征兆,雖經(jīng)過仔細尋找,但并無空響聲。沖擊是驟然的,沖擊的持續(xù)時間是短暫的,通常為幾秒到幾十秒。2)具有多樣性,一般表現(xiàn)為煤爆,煤層沖擊是最常見的,少數(shù)礦井還發(fā)生過巖爆。在煤層沖擊中,常常有大量煤塊甚至上百立方米的煤體突然破碎并從煤壁拋出,堵塞巷道,并伴有很強的高溫氣浪。3)具有破壞性。往往造成頂板下沉、人員傷亡。4)具有復(fù)雜性。在一定的地形地質(zhì)條件下,受各種自然或人為因素的影響,煤種采深不低于2 00 m,不超過1 000 m,地質(zhì)結(jié)構(gòu)形式由單一到復(fù)雜,煤層厚度由薄層到厚層,以及地質(zhì)傾斜由水平角度到垂直角度,都因砂巖石和灰?guī)r的存在而發(fā)生沖擊地壓[2]。除此之外,沖擊地壓可以根據(jù)顯現(xiàn)強度、震級強度和拋出的煤量、發(fā)生的不同地點和位置、應(yīng)力狀態(tài)進行分類。具體見表1。

        2 聲發(fā)射與煤巖損傷破環(huán)的關(guān)系

        由于受制造原因和外部因素的直接作用,而導(dǎo)致的損傷。損傷分布于整個材料介質(zhì)內(nèi)的微缺陷或微裂紋。從細觀的物理學(xué)的觀點來看,損傷是材料組分晶粒的微裂痕、微孔洞、位錯等微缺陷形成和發(fā)展的結(jié)果。而從宏觀來說,損傷是一種不可逆的、耗能的演變過程[3]。損傷力學(xué),是材料與結(jié)構(gòu)的變形和破壞理論的很重要的組成部分,是利用宏觀變量來研究微觀變化對材料性質(zhì)的影響。巖石是一種或多種礦物組成的,具有一定結(jié)構(gòu)構(gòu)造的集合體。受地質(zhì)體、不均質(zhì)性、時間因素影響,巖石內(nèi)部存在著各種缺陷。在受到各種力的作用下,這些缺陷將會引起應(yīng)力集中,產(chǎn)生擴展、貫通、閉合甚至成核[4]。

        值得注意的是,聲發(fā)射又被稱為應(yīng)力波發(fā)射,它是一種常見的物理現(xiàn)象,是指物體在受力時,形狀很容易發(fā)生改變,在形狀改變時,會釋放一定的彈性能量,從而產(chǎn)生瞬間態(tài)應(yīng)力波。從目前來看,聲發(fā)射不僅與這些缺陷的繁衍過程相關(guān),還與材料內(nèi)部的缺陷有著很大的關(guān)系。要想幫助人們有效了解沖擊地壓的發(fā)生機理,僅利用聲發(fā)射技術(shù)分析沖擊地壓的孕育過程是遠遠不夠的,還需要借助損傷力學(xué)的觀點。煤巖體聲發(fā)射是一種彈性波,它是在煤巖體變形破裂時產(chǎn)生的。

        而損傷是煤巖體內(nèi)部微缺陷或微裂隙生長與擴展的結(jié)果, 所以,它直接影響著煤巖體內(nèi)部微缺陷的演化關(guān)系。由此可見,損傷與聲發(fā)射之間存在著一定的因果關(guān)系。又由于聲發(fā)射過程具有隨機性,因此可以用統(tǒng)計的方法來獲取聲發(fā)射過程中的性能參數(shù),以此來建立損傷與聲發(fā)射的關(guān)系。煤巖體損傷程度越高,聲發(fā)射事件數(shù)就越多。換句話說,可以根據(jù)聲發(fā)射特征,對巖石破壞演化的類型進行推斷。對于一個既定的煤巖系統(tǒng)來說,聲發(fā)射能量水平的高低及其變化規(guī)律往往與煤巖的不同破壞類型相對應(yīng)。不難看出,煤巖體在采掘活動的影響下產(chǎn)生不同的聲發(fā)射類型, 與煤巖體的破壞和運動形式有著必然聯(lián)系。

        3 聲發(fā)射與沖擊地壓危險性的關(guān)系

        煤巖體在遭到破壞時會導(dǎo)致地殼不穩(wěn)定,這種不穩(wěn)定會產(chǎn)生一種動力現(xiàn)象,稱為沖擊地壓。從破壞程度上來講,這種沖擊地壓的破壞程度是巨大的。而從破壞現(xiàn)象來看,煤巖體微觀破裂時產(chǎn)生聲發(fā)射,而沖擊地壓則是煤巖體宏觀破裂肉眼可見的一個現(xiàn)象。

        造成沖擊地壓的原因有很多,從根本上講是地殼構(gòu)造運動變化而產(chǎn)生的彈性變形帶來的強大儲存能量的爆發(fā)[5]。因此,在沒有做好充足準(zhǔn)備的情況下,無法確定釋放能量的多少,很大程度上會出現(xiàn)沖擊地壓的現(xiàn)象。從目前來看,造成煤巖體脆弱破壞的3個基本準(zhǔn)則是煤巖體破壞準(zhǔn)則、能量準(zhǔn)則和沖擊傾向準(zhǔn)則。

        換言之,煤巖體的破壞事實上就是煤巖體出現(xiàn)裂隙。這些裂隙會隨著破壞程度逐漸擴展。在擴展過程中就會產(chǎn)生聲發(fā)射的聲學(xué)效應(yīng)。煤巖體發(fā)生破壞時能量的釋放就是通過聲發(fā)射的強弱信號來體現(xiàn)的[6]。與此同時,聲發(fā)射的強弱信號也是煤巖體沖擊程度強弱的判斷標(biāo)準(zhǔn)之一。綜上所述,聲發(fā)射與沖擊地壓關(guān)系密切,煤巖體的聲發(fā)射傳播速度較快。因此,可以充分利用聲發(fā)射對煤巖體是否遭到破壞作出科學(xué)合理的判斷。

        4 試驗地點及安裝工藝

        試驗地點選定在某實驗室,監(jiān)測地點定在該實驗室的回風(fēng)巷,距回采實驗室66 m處(孔底傳感器)、30 m處(波導(dǎo)桿傳感器)??椎讉鞲衅鞑捎盟嗉狱S泥孔底封孔的安裝方式,孔徑為42 mm,孔深為12 m。經(jīng)過一段時間壓實煤體,使實體煤牢固接觸在傳感器上。

        5 災(zāi)變前后AE指標(biāo)分析

        在進行試驗的過程中,該實驗室共發(fā)生過5次有記錄的沖擊地壓,并且日常生產(chǎn)過程中頻繁出現(xiàn)響煤炮現(xiàn)象。筆者通過選擇合理的AE指標(biāo)及統(tǒng)計時間單位,繪制了沖擊地壓前后 AE指標(biāo)變化曲線,在此隨機選擇1次沖擊地壓前后的AE指標(biāo)變化曲線進行說明。具體如圖1所示。

        從圖1分析可以看出,災(zāi)變的前兆特征有4點。1)災(zāi)變前,AE指標(biāo)趨勢明顯。2)災(zāi)變前,AE指標(biāo)出現(xiàn)了2到3次的離散波動。3)災(zāi)變前,AE指標(biāo)大趨勢上升,且上升后仍處于高位波動。4)災(zāi)變點位于指標(biāo)曲線的峰值點或峰值后臨近峰值的下降段。綜合以上分析可知,聲發(fā)射技術(shù)預(yù)測預(yù)報沖擊地壓動力災(zāi)害效果是十分明顯的。

        6 結(jié)語

        總的來說,沖擊地壓往往是影響煤炭生產(chǎn)的一種破壞性較大的動力災(zāi)害,對沖擊地壓的研究,尤其是對聲發(fā)射預(yù)測沖擊地壓技術(shù)的研究越來越受到人們的重視,這主要是因為聲發(fā)射技術(shù)能夠有效準(zhǔn)確預(yù)測沖擊地壓災(zāi)害,這對減少沖擊地壓造成的危害,起到了十分顯著的作用。

        參考文獻

        [1]劉衛(wèi)東.沖擊地壓預(yù)測的聲發(fā)射信號處理關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京:中國礦業(yè)大學(xué),2019.

        [2]郭建卿.液固全耦合爆破致裂防治沖擊地壓機理與應(yīng)用研究[D].北京:中國礦業(yè)大學(xué),2017.

        [3]王超.基于未確知測度理論的沖擊地壓危險性綜合評價模型及應(yīng)用研究[D].北京:中國礦業(yè)大學(xué),2011.

        [4]朱清安,史蒙.沖擊地壓的混沌特性及動力模型研究[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2018(24):14-17.

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