唐忠義，張選山，閆立恒，謝方鵬，王海亮

(1.陜西長(zhǎng)武亭南煤業(yè)有限責(zé)任公司 淄博礦業(yè)集團(tuán)，陜西 長(zhǎng)武 713600；2.山東科技大學(xué)，山東 青島 266590)

爆破作為煤礦開(kāi)采過(guò)程中的一項(xiàng)技術(shù)手段，大量運(yùn)用于沖擊地壓礦井頂?shù)装逍秹杭案咄咚沟V井瓦斯抽采增透方面[1-3].通過(guò)爆破使具有沖擊傾向性的煤層與巖體產(chǎn)生大量裂隙，改變其力學(xué)性質(zhì)，降低煤巖體強(qiáng)度，將儲(chǔ)存的彈性能釋放或減少?gòu)椥阅艿膬?chǔ)存上限，使煤巖體達(dá)不到發(fā)生沖擊地壓的條件。與直接使用鉆孔抽采瓦斯相比，爆破后產(chǎn)生爆腔和裂隙使瓦斯抽采半徑更大，抽采速度更快。明確爆破的損傷范圍可以優(yōu)化爆破作業(yè)方案設(shè)計(jì)，因此，一種適用于各自礦井的煤巖爆破損傷范圍探測(cè)方法尤為重要。鑒于此，對(duì)現(xiàn)有的煤巖爆破損傷探測(cè)技術(shù)和方法進(jìn)行闡述，分析各自特點(diǎn)，以方便各礦井選擇合適的方法。

1 間接探測(cè)方法與技術(shù)

1.1 鉆屑法

鉆屑法主要用于判斷沖擊傾向性，其基本原理是在可能具有沖擊傾向性的煤層中壓力正常段按間距3～5 m、孔深6～8 m布設(shè)20個(gè)小直徑鉆孔，孔徑通常為42～50 mm.在鉆孔的過(guò)程記錄每孔每米的煤粉量，然后用加權(quán)平均法計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)煤粉量并畫(huà)出標(biāo)準(zhǔn)煤粉量曲線，標(biāo)定其煤粉量出現(xiàn)的峰值。在工作面前方巷道壁上鉆鑿小直徑鉆孔，記錄每孔每米煤粉量，然后和標(biāo)準(zhǔn)煤粉量曲線對(duì)比，算出其差值，差值超過(guò)正常值1倍以上，則表明該區(qū)域已具有沖擊危險(xiǎn)性。

檢測(cè)爆破有效范圍作為鉆屑法的另一運(yùn)用[4-5]，其本質(zhì)是裝藥爆破前后分別在爆破孔周圍等距、等高度布設(shè)相同參數(shù)的鉆孔，通過(guò)測(cè)量總鉆屑量、每米鉆屑量、每米鉆屑的平均粒度等參數(shù)判斷壓力的轉(zhuǎn)移及爆破作用有效范圍，鉆孔布置見(jiàn)圖1.鉆鑿?fù)瓯瓶缀螅诰啾瓶?～5 m范圍內(nèi)鉆鑿爆前鉆孔；爆破后，在對(duì)應(yīng)爆破孔的另一側(cè)鉆鑿爆后鉆孔，爆破孔間距及鉆孔參數(shù)與爆前鉆孔完全相同。

圖1 鉆孔布置圖

1.2 電磁輻射法

當(dāng)煤巖體受載荷作用發(fā)生形變和碎裂時(shí)，煤巖相鄰塊體發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，裂紋表面摩擦產(chǎn)生自由電荷并使其由壓縮區(qū)域向拉伸區(qū)域擴(kuò)散、運(yùn)移，從而產(chǎn)生電場(chǎng)與磁場(chǎng)，電場(chǎng)磁場(chǎng)交互產(chǎn)生電磁波，形成電磁輻射。電磁輻射的重要表征指標(biāo)是其強(qiáng)度和脈沖數(shù)，指標(biāo)的變化對(duì)應(yīng)著煤巖體發(fā)生形變或碎裂的整個(gè)過(guò)程，煤巖受到的載荷越大，電磁輻射信號(hào)就越強(qiáng)[6-7].電磁輻射強(qiáng)度、脈沖數(shù)與煤巖輻射時(shí)的應(yīng)力關(guān)系[8]如下：

(1)

E′=kσ

(2)

式中：

E′—電磁輻射強(qiáng)度，mW·cm-2；

σ—應(yīng)力，Pa；

k—常數(shù)，與煤巖的彈性模量E、介電常數(shù)ε和所測(cè)體積V相關(guān)。

(3)

式中：

ΔN—Δσ對(duì)應(yīng)的電磁輻射脈沖數(shù)，mm；

Nm—煤樣全破壞的電磁輻射累計(jì)脈沖數(shù)，mm；

m、σ0—Weilbull分布函數(shù)的參數(shù)；

σ1、σ3—軸向應(yīng)力和圍壓，Pa.

電磁輻射法的強(qiáng)度和脈沖隨輻射能量的大小而變化，近區(qū)的輻射通過(guò)檢測(cè)器可以探知，對(duì)于更遠(yuǎn)的輻射和較小的輻射能量探測(cè)效果不佳。同時(shí)檢測(cè)器需安設(shè)在特殊位置才能反映井下三維立體的真實(shí)狀況，操作要求較高。

1.3 瞬變電磁法

瞬變電磁法基于電磁感應(yīng)原理，在地面利用發(fā)送線圈向地下發(fā)射一次脈沖磁場(chǎng)，在一次脈沖磁場(chǎng)穿過(guò)地質(zhì)構(gòu)造或地質(zhì)體時(shí)產(chǎn)生渦流，渦流大小取決于地質(zhì)體的導(dǎo)電程度，一次脈沖磁場(chǎng)消失后，該渦流不會(huì)立即消失，它在衰減過(guò)程中又產(chǎn)生一個(gè)二次磁場(chǎng)，由地面接收線圈接收二次磁場(chǎng)的變化情況，該變化可反映地下地質(zhì)體的電性分布情況。烏東煤礦在+500 m水平B2煤層、B3煤層巷道使用了瞬變電磁法探測(cè)圍巖深孔爆破前后視電阻率的分布，生成了視電阻率等值線圖，借此預(yù)測(cè)了爆破破壞范圍分布[9].瞬變電磁探測(cè)作為重要的檢測(cè)方法，不僅成圖直觀而且易于操作，但受限于脈沖電磁的強(qiáng)度以及與煤巖性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造有密切關(guān)系，不同條件應(yīng)用時(shí)存在一個(gè)有效探測(cè)深度，而且探測(cè)精度有待提高。

1.4 微震檢測(cè)法

在受外加荷載作用下，煤巖體中某一斷層、裂紋等部位會(huì)以彈性波的形式釋放能量，微震系統(tǒng)檢波器將此過(guò)程的震動(dòng)波信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并上傳分區(qū)信息采集站，各個(gè)分區(qū)信息采集站將信息匯總傳到井下監(jiān)測(cè)主機(jī)，監(jiān)測(cè)主機(jī)上傳至地面中心處理器進(jìn)行分析處理，生成波形和頻譜特征，主要結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2.據(jù)此推斷煤巖體破碎區(qū)域位置、發(fā)生時(shí)間和破裂過(guò)程能量的大小變化,推斷高應(yīng)力區(qū)和應(yīng)力分布變化情況[10].遠(yuǎn)程、動(dòng)態(tài)、三維和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要特征，區(qū)別于其他方法，微震系統(tǒng)可以完整地記錄整個(gè)微震事件的起止過(guò)程。但現(xiàn)在的微震系統(tǒng)應(yīng)用面較窄，主要是礦山?jīng)_擊地壓、頂?shù)装迤茐暮偷V震方面的監(jiān)測(cè)，對(duì)于水害、火災(zāi)、充填和預(yù)報(bào)方面尚處于初始研究階段。我國(guó)使用的微震系統(tǒng)主要分為國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口兩大類，國(guó)內(nèi)有北京科技大學(xué)和中國(guó)礦業(yè)大學(xué)研發(fā)的微震系統(tǒng)，進(jìn)口的有加拿大ESG研發(fā)的MMS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

圖2 微震系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)圖

1.5 采集對(duì)比瓦斯或CO濃度

瓦斯?jié)舛葘?duì)比在早期用于監(jiān)測(cè)礦井瓦斯是否超標(biāo)，后拓展應(yīng)用于估測(cè)煤巖體損傷范圍。爆破前后在瓦斯易積聚點(diǎn)如工作面與回風(fēng)巷交界處、瓦斯排放口處分別安裝瓦斯傳感器和CO濃度檢測(cè)儀，用來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)瓦斯?jié)舛群虲O濃度變化，分別對(duì)比爆破前后瓦斯、CO濃度及單位時(shí)間涌出量[11].可以間接估算煤巖體的損傷范圍，但無(wú)法直觀地以圖像形式展現(xiàn)具體損傷的位置。此方法僅限于瓦斯礦井，對(duì)于非煤礦井或無(wú)瓦斯煤礦不適用。其次，在瓦斯礦井中需要在一個(gè)瓦斯含量較高的區(qū)域安裝傳感器，低瓦斯區(qū)域監(jiān)測(cè)氣體發(fā)生細(xì)微的濃度變化,傳感器不容易探測(cè)。同時(shí)受瓦斯?jié)舛确植疾痪兔簬r孔隙的影響，實(shí)時(shí)涌出的瓦斯含量變化不能確定的是煤巖破碎所造成的。但這種方法簡(jiǎn)單可行，成本低，僅需幾臺(tái)瓦斯或CO檢測(cè)儀即可，對(duì)于高瓦斯礦井的煤巖損傷探測(cè)有一定的應(yīng)用空間。

1.6 地震CT技術(shù)

地震波在穿過(guò)地質(zhì)構(gòu)造和特殊地質(zhì)時(shí)，波的能量和經(jīng)過(guò)時(shí)程會(huì)出現(xiàn)明顯變化，將這種變化觀測(cè)記錄后輸入計(jì)算機(jī)，根據(jù)模型重新反推地質(zhì)構(gòu)造內(nèi)部的結(jié)構(gòu)形成圖像，原理見(jiàn)圖3.根據(jù)不同物理量可以分為波速成像、吸收系數(shù)成像和泊松比成像；根據(jù)地震波的種類可以分為直達(dá)波、反射波、折射波和面波等多種類型進(jìn)行探測(cè)[12].巖體的密度越大，波速越大，因此研究巖體性質(zhì)最好以波速作為物理量，研究巖體結(jié)構(gòu)和構(gòu)造時(shí)選擇吸收系數(shù)為物理量。這種方法勘測(cè)范圍可以很大，操作簡(jiǎn)單，但對(duì)薄煤層和特殊侵入體的辨別能力不高。

圖3 地震CT檢測(cè)原理圖

2 直接探測(cè)方法與技術(shù)

鉆孔窺視儀[13]，一種伸入炮孔內(nèi)的攝像裝置，裝置結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4.此裝置支撐桿探頭上安裝有照明裝置和攝像頭。將鉆孔窺視儀的攝像探頭送入鉆孔底部，從孔底向孔外緩慢移動(dòng)探頭，對(duì)鉆孔壁裂隙狀況進(jìn)行錄像，傳輸?shù)教幚砥鹘?jīng)處理合成后形成三維完整的圖片。待爆破完成后，再次利用窺視儀重復(fù)攝像記錄孔內(nèi)空腔和孔壁情況，對(duì)比爆破前鉆孔，估算出裂隙的擴(kuò)張情況。作為目前唯一一種可以直接觀測(cè)到炮孔內(nèi)部損傷情況的方法，具有操作性強(qiáng)、直觀反映具體情況的優(yōu)勢(shì)，攝像范圍也僅限于炮孔近區(qū)，對(duì)于光線照射不到的裂紋孔隙就不能攝像，造成實(shí)際爆破損傷范圍遠(yuǎn)比攝像范圍更大。

圖4 鉆孔窺視儀主要結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié) 語(yǔ)

計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展促進(jìn)了技術(shù)上的革新，開(kāi)發(fā)了很多新的方法和設(shè)備，使探測(cè)手段從無(wú)到有，從粗糙到精細(xì)化，為礦井開(kāi)采和探測(cè)技術(shù)提供了積極的作用。隨著礦井開(kāi)采深度增加和開(kāi)采條件的惡化，現(xiàn)有的檢測(cè)方法和技術(shù)同樣面臨挑戰(zhàn)。地底情況復(fù)雜程度遠(yuǎn)超地面，地應(yīng)力作用下不同巖性的巖石表現(xiàn)為不同性質(zhì)和狀態(tài)，也會(huì)對(duì)探測(cè)的結(jié)果造成偏差。

對(duì)有必要的研究和作業(yè)，可以聯(lián)合多種技術(shù)探測(cè)，綜合對(duì)比分析，同時(shí)設(shè)計(jì)可行可測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證現(xiàn)有技術(shù)的準(zhǔn)確性，分析造成其偏差的原因并進(jìn)行改進(jìn)。此外，還應(yīng)結(jié)合最新提出的理論，考慮開(kāi)發(fā)新的技術(shù)。