梁云超 李凌烜

摘? 要：從目前來看，聲發(fā)射預(yù)測(cè)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(xiǎn)性的關(guān)系，淺議試驗(yàn)地點(diǎn)及安裝工藝，同時(shí)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(cè);沖擊地壓技術(shù)

中圖分類號(hào)： TD713? ? ? ? ? 文獻(xiàn)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(shì)，這嚴(yán)重威脅到了我國煤炭工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。如何對(duì)其進(jìn)行有效的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，已成為人們迫切解決的重要問題?；诖耍敿?xì)研究聲發(fā)射預(yù)測(cè)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(shí)，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(qiáng)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(huì)瞬間釋放大量的彈性能，發(fā)生劇烈破壞，震動(dòng)和暴風(fēng)也隨之開始。沖擊地壓一旦發(fā)生，就會(huì)造成運(yùn)、采、掘、支設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞，巷道斷面極具收縮，支護(hù)結(jié)構(gòu)嚴(yán)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(huì)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(gè)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(xì)尋找，但并無空響聲。沖擊是驟然的，沖擊的持續(xù)時(shí)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(qiáng)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(qiáng)度、震級(jí)強(qiáng)度和拋出的煤量、發(fā)生的不同地點(diǎn)和位置、應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)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(gè)材料介質(zhì)內(nèi)的微缺陷或微裂紋。從細(xì)觀的物理學(xué)的觀點(diǎn)來看，損傷是材料組分晶粒的微裂痕、微孔洞、位錯(cuò)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(duì)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(shí)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(huì)引起應(yīng)力集中，產(chǎn)生擴(kuò)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(shí)，形狀很容易發(fā)生改變，在形狀改變時(shí)，會(huì)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(jī)理，僅利用聲發(fā)射技術(shù)分析沖擊地壓的孕育過程是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需要借助損傷力學(xué)的觀點(diǎn)。煤巖體聲發(fā)射是一種彈性波，它是在煤巖體變形破裂時(shí)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(kuò)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(jī)性，因此可以用統(tǒng)計(jì)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(duì)巖石破壞演化的類型進(jìn)行推斷。對(duì)于一個(gè)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(duì)應(yīng)。不難看出，煤巖體在采掘活動(dòng)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(yùn)動(dòng)形式有著必然聯(lián)系。

3 聲發(fā)射與沖擊地壓危險(xiǎn)性的關(guān)系

煤巖體在遭到破壞時(shí)會(huì)導(dǎo)致地殼不穩(wěn)定，這種不穩(wěn)定會(huì)產(chǎn)生一種動(dòng)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(shí)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(gè)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(yùn)動(dòng)變化而產(chǎn)生的彈性變形帶來的強(qiáng)大儲(chǔ)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(huì)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(gè)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(shí)上就是煤巖體出現(xiàn)裂隙。這些裂隙會(huì)隨著破壞程度逐漸擴(kuò)展。在擴(kuò)展過程中就會(huì)產(chǎn)生聲發(fā)射的聲學(xué)效應(yīng)。煤巖體發(fā)生破壞時(shí)能量的釋放就是通過聲發(fā)射的強(qiáng)弱信號(hào)來體現(xiàn)的[6]。與此同時(shí)，聲發(fā)射的強(qiáng)弱信號(hào)也是煤巖體沖擊程度強(qiáng)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(duì)煤巖體是否遭到破壞作出科學(xué)合理的判斷。

4 試驗(yàn)地點(diǎn)及安裝工藝

試驗(yàn)地點(diǎn)選定在某實(shí)驗(yàn)室，監(jiān)測(cè)地點(diǎn)定在該實(shí)驗(yàn)室的回風(fēng)巷，距回采實(shí)驗(yàn)室66 m處（孔底傳感器）、30 m處（波導(dǎo)桿傳感器）。孔底傳感器采用水泥加黃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(shí)間壓實(shí)煤體，使實(shí)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(jìn)行試驗(yàn)的過程中，該實(shí)驗(yàn)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(jì)時(shí)間單位，繪制了沖擊地壓前后 AE指標(biāo)變化曲線，在此隨機(jī)選擇1次沖擊地壓前后的AE指標(biāo)變化曲線進(jìn)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(diǎn)。1）災(zāi)變前，AE指標(biāo)趨勢(shì)明顯。2）災(zāi)變前，AE指標(biāo)出現(xiàn)了2到3次的離散波動(dòng)。3）災(zāi)變前，AE指標(biāo)大趨勢(shì)上升，且上升后仍處于高位波動(dòng)。4）災(zāi)變點(diǎn)位于指標(biāo)曲線的峰值點(diǎn)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(cè)預(yù)報(bào)沖擊地壓動(dòng)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(dòng)力災(zāi)害，對(duì)沖擊地壓的研究，尤其是對(duì)聲發(fā)射預(yù)測(cè)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?yàn)槁暟l(fā)射技術(shù)能夠有效準(zhǔn)確預(yù)測(cè)沖擊地壓災(zāi)害，這對(duì)減少?zèng)_擊地壓造成的危害，起到了十分顯著的作用。

參考文獻(xiàn)

[1]劉衛(wèi)東.沖擊地壓預(yù)測(cè)的聲發(fā)射信號(hào)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(jī)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(cè)度理論的沖擊地壓危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)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(dòng)力模型研究[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018（24）：14-17.

[5]王蓓，吳繼忠，Bernard DRZEZLA.采礦地質(zhì)因素評(píng)定沖擊地壓危險(xiǎn)[J].礦山壓力與頂板管理，2018（4）：33-35.

[6]蘭天偉.大臺(tái)井沖擊地壓動(dòng)力條件分析與防治技術(shù)研究[D].阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2016：112-113.