王術(shù)睿,李海龍,姜海鵬,周 薇

(中國礦業(yè)大學(xué))

采礦地球物理方法對頂板大面積來壓的預(yù)測

王術(shù)睿①,李海龍,姜海鵬,周 薇

(中國礦業(yè)大學(xué))

頂板大面積來壓是嚴(yán)重威脅礦井安全生產(chǎn)的動(dòng)力災(zāi)害。隨著礦井開采情況越來越復(fù)雜,頂板大面積來壓所帶來的危險(xiǎn)和危害也越來越嚴(yán)重。介紹了電磁輻射、微震法、聲波法預(yù)測頂板大面積來壓,為有頂板大面積來壓危險(xiǎn)的礦井的決策者和工程技術(shù)人員提供一些參考。

頂板大面積來壓;電磁輻射;微震法;聲波法;預(yù)測

頂板大面積來壓是礦山堅(jiān)硬頂板下刀柱房柱式開采后,由于大面積的頂板懸空而突然冒落的一種劇烈的動(dòng)力現(xiàn)象。一次冒落的面積少則幾千平方米,多則幾萬、十幾萬平方米,這樣大面積的懸空頂板在極短時(shí)間內(nèi)冒落下來,不僅由于重力作用產(chǎn)生嚴(yán)重的沖擊破壞,而且更嚴(yán)重的是把已采空間的空氣瞬時(shí)排出,形成巨大的暴風(fēng),其破壞力極強(qiáng)。頂板大面積來壓以及沖擊地壓、煤與瓦斯突出統(tǒng)屬煤巖動(dòng)力失穩(wěn)災(zāi)害現(xiàn)象,具有強(qiáng)勁的動(dòng)力失穩(wěn)特征,嚴(yán)重時(shí)能引發(fā)采場乃至礦區(qū)發(fā)生礦震,對煤礦的正常安全生產(chǎn)帶來巨大威脅,特別是開采情況更加復(fù)雜的礦井,因此,有必要采取措施進(jìn)行預(yù)測。

采礦地球物理學(xué)是采礦科學(xué)中的一個(gè)新分支,是利用巖體中自然的或人工激發(fā)的物理場來監(jiān)測巖體的動(dòng)態(tài)變化和揭露已有的地質(zhì)構(gòu)造的一門學(xué)科。其中,采礦地球物理方法是采礦安全技術(shù)以及有益于礦物經(jīng)濟(jì)、高效開采方面應(yīng)用的最基本的測量工具。它是利用巖體中自然或人工激發(fā)的物理場來監(jiān)測巖體的動(dòng)態(tài)變化和揭露已有的地質(zhì)構(gòu)造,其基本任務(wù)是解決采礦作業(yè)的安全性和保證礦井生產(chǎn)的連續(xù)性。采礦地球物理方法可連續(xù)或即刻記錄采礦作業(yè)引發(fā)的振動(dòng)現(xiàn)象,以此可連續(xù)評(píng)價(jià),并在一定程度上預(yù)測研究區(qū)域的震動(dòng)性及危險(xiǎn)性。

目前,主要采用的采礦地球物理方法包括電磁輻射法、微震法、聲波法等,可以較準(zhǔn)確地預(yù)測頂板大面積來壓的發(fā)生區(qū)域以及釋放的能量大小。

1 電磁輻射法預(yù)測

煤巖變形破裂時(shí),將會(huì)產(chǎn)生電磁輻射現(xiàn)象。電磁輻射是煤體等非均質(zhì)材料在受載情況下發(fā)生變形及破裂的結(jié)果,它在外力作用下,其內(nèi)部的顆粒間的強(qiáng)度與變形有著顯著的差異,內(nèi)部的應(yīng)力與應(yīng)變的分布是不均勻的。當(dāng)煤體發(fā)生不均勻應(yīng)變時(shí),會(huì)在內(nèi)部發(fā)生極化現(xiàn)象,壓縮區(qū)域的電荷密度升高,而低應(yīng)力區(qū)的電荷密度降低,導(dǎo)致電荷由高密度向低密度運(yùn)動(dòng)。根據(jù)煤體破壞過程的擴(kuò)容變化規(guī)律可知,破裂過程中最強(qiáng)烈的階段是電磁輻射強(qiáng)度和頻度最高的時(shí)期。一般來說,電磁輻射強(qiáng)度主要反映了煤巖體的受載程度以及變形破裂強(qiáng)度;而脈沖數(shù)則主要反映了煤巖體變形程度及微破裂的頻次。如果監(jiān)測到工作面前方煤巖體的電磁輻射強(qiáng)度和脈沖數(shù)較大,則說明煤巖體的破壞和所受應(yīng)力也較大。因此,可以通過對煤壁前方電磁輻射特性的分析,推斷頂板的運(yùn)動(dòng)規(guī)律從而達(dá)到預(yù)測的目的。

電磁輻射法對頂板來壓的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)及預(yù)測預(yù)報(bào)是可行有效的,從觀測到得結(jié)果就可以確定頂板來壓的區(qū)域,這對采取相應(yīng)的有針對性的防治措施提供了科學(xué)依據(jù)。

2 微震法預(yù)測

采礦微震法與記錄和分析大地地震的方法相類似。它主要是記錄礦山震動(dòng),對其進(jìn)行有目的的解釋。分析和利用這些所記錄的信息,對礦山動(dòng)力危險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測和預(yù)報(bào)。煤巖體在開采影響下發(fā)生破裂、滑動(dòng)過程中,會(huì)產(chǎn)生一定頻率地震波向周圍傳播,而波的振幅和頻率又取決于煤巖體的強(qiáng)度、應(yīng)力狀態(tài)、破裂尺寸和變形速度等。頂板大面積來壓過程,重力勢能連續(xù)增大并釋放超乎尋常值的地震能,地震能發(fā)射傳播速率隨應(yīng)力值的增大而提高。發(fā)射速率的增長超前于頂板巖層的失穩(wěn)破壞。應(yīng)用微震監(jiān)測系統(tǒng),其功能是對全礦范圍進(jìn)行微震監(jiān)測,該系統(tǒng)能自動(dòng)記錄微震活動(dòng),實(shí)時(shí)進(jìn)行震源定位和微震能量計(jì)算,為評(píng)價(jià)全礦范圍的頂板來壓危險(xiǎn)提供依據(jù),并根據(jù)這些微震信息,包括微震的類型、次數(shù)、震級(jí)等級(jí),來揭示頂板的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,對頂板大面積來壓進(jìn)行有效的預(yù)測。

微震監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)θV范圍進(jìn)行微震監(jiān)測,是一種區(qū)域性、及時(shí)監(jiān)測手段,相比于其他傳統(tǒng)監(jiān)測手段,該系統(tǒng)具有遠(yuǎn)距離、動(dòng)態(tài)、三維、實(shí)時(shí)監(jiān)測的特點(diǎn),還可以根據(jù)震源情況確定破裂尺度和性質(zhì),為評(píng)價(jià)全礦范圍內(nèi)的沖擊礦壓危險(xiǎn)提供依據(jù)。

3 聲波法預(yù)測

采礦聲波法主要集中在研究與采礦作業(yè)引起的礦山動(dòng)力現(xiàn)象、確定巖體的物理力學(xué)參數(shù)、提前認(rèn)識(shí)礦床構(gòu)造特點(diǎn)上并用來解決開采方面的技術(shù)問題和地質(zhì)問題等。在采用聲波技術(shù)來評(píng)價(jià)因開采引發(fā)的采礦動(dòng)力危險(xiǎn),其基本原理采礦動(dòng)力危險(xiǎn)是巖體中的應(yīng)力狀態(tài)形成的,與巖體的物理力學(xué)特性有關(guān);而巖體中的應(yīng)力分布狀態(tài)與巖體的物理力學(xué)參數(shù)的大小與聲波參數(shù)的分布有關(guān)。聲波測量的基本參數(shù)是不同類型的地震波的傳播速度;阻尼系數(shù)的影響,振幅和能量的變化。而這些聲波參數(shù),特別是地震波的傳播速度與巖體中的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)有很大的關(guān)系。另外,巖體中重要的礦山壓力參數(shù)為裂隙率。如果說,巖體的破壞過程伴隨著裂隙區(qū)域的變化,對應(yīng)著振動(dòng)波長參數(shù)的變化及范圍的變化,那么該區(qū)域就可以通過測量波速來辨別。當(dāng)堅(jiān)硬厚層頂板斷裂后產(chǎn)生滑移,或由于弱面的原因而產(chǎn)生滑移,將很容易引起頂板來壓,在這種非均質(zhì)巖體周圍,以及周圍煤層中,地震波波速將顯著降低,波速的異常與頂板巖層結(jié)構(gòu)弱化程度成正比,而與其距離成反比,通過這些監(jiān)測就能進(jìn)行有效的定位危險(xiǎn)區(qū)域。聲波法是振動(dòng)研究的非破壞性、從較大范圍的巖體內(nèi)直接獲得信息。與其他方法相比,獲取信息成本低、聲波方法技術(shù)含量高、在巖體原有或開采引發(fā)的應(yīng)力變化時(shí),觀測的聲波參數(shù)信息量準(zhǔn)確。

4 結(jié) 語

采礦地球物理方法預(yù)測頂板大面積來壓具有觀測測量成本低,信息量大,可靠性高,研究測量具有非破壞性等優(yōu)點(diǎn),并能在更深層次上認(rèn)識(shí)地下巖層的特點(diǎn)及運(yùn)動(dòng)規(guī)律。目前,隨著我國煤炭資源開采規(guī)模的擴(kuò)大,一些特殊的采礦問題用傳統(tǒng)的方法已不能得到很好的解決,采礦地球物理方法的優(yōu)越性顯得尤為突出,其應(yīng)用前景也更加廣闊,但就像其他測量方法一樣,采礦地球物理方法也有自身的優(yōu)點(diǎn)和局限性,只有正確的應(yīng)用才能取得良好的效果。

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Large Area of Roof Pressure Prediction by Mining Geophysical Methods

Wang Shu-rui,Li H ai-long,Jiang H ai-peng,Zhou Wei

The large area of roof pressure is a dynamic disaster which threats mine security seriously.As the mine exploration has become increasingly complex,the dangers and hazards brought by the large area of roof pressure are getting worse.This article mainly describes the electromagnetic radiation,micro-seism method,acoustic method to predict a large area of roof pressure,in order to provide some reference to the decision-makers and engineers who may suffer the large area of roof pressure.

Large area of roof pressure;Electromagnetic radiation method;Micro-seism method;A-coustic method;Prediction

book=6,ebook=31

TD326

A

1672-0652(2010)06-0007-02

2010-03-05

王術(shù)睿 男 1988年出生 2007年中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院在讀本科生 徐州 221116