王术睿,李海龙,姜海鹏,周 薇

(中国矿业大学)

采矿地球物理方法对顶板大面积来压的预测

王术睿①,李海龙,姜海鹏,周 薇

(中国矿业大学)

顶板大面积来压是严重威胁矿井安全生产的动力灾害。随着矿井开采情况越来越复杂,顶板大面积来压所带来的危险和危害也越来越严重。介绍了电磁辐射、微震法、声波法预测顶板大面积来压,为有顶板大面积来压危险的矿井的决策者和工程技术人员提供一些参考。

顶板大面积来压;电磁辐射;微震法;声波法;预测

顶板大面积来压是矿山坚硬顶板下刀柱房柱式开采后,由于大面积的顶板悬空而突然冒落的一种剧烈的动力现象。一次冒落的面积少则几千平方米,多则几万、十几万平方米,这样大面积的悬空顶板在极短时间内冒落下来,不仅由于重力作用产生严重的冲击破坏,而且更严重的是把已采空间的空气瞬时排出,形成巨大的暴风,其破坏力极强。顶板大面积来压以及冲击地压、煤与瓦斯突出统属煤岩动力失稳灾害现象,具有强劲的动力失稳特征,严重时能引发采场乃至矿区发生矿震,对煤矿的正常安全生产带来巨大威胁,特别是开采情况更加复杂的矿井,因此,有必要采取措施进行预测。

采矿地球物理学是采矿科学中的一个新分支,是利用岩体中自然的或人工激发的物理场来监测岩体的动态变化和揭露已有的地质构造的一门学科。其中,采矿地球物理方法是采矿安全技术以及有益于矿物经济、高效开采方面应用的最基本的测量工具。它是利用岩体中自然或人工激发的物理场来监测岩体的动态变化和揭露已有的地质构造,其基本任务是解决采矿作业的安全性和保证矿井生产的连续性。采矿地球物理方法可连续或即刻记录采矿作业引发的振动现象,以此可连续评价,并在一定程度上预测研究区域的震动性及危险性。

目前,主要采用的采矿地球物理方法包括电磁辐射法、微震法、声波法等,可以较准确地预测顶板大面积来压的发生区域以及释放的能量大小。

1 电磁辐射法预测

煤岩变形破裂时,将会产生电磁辐射现象。电磁辐射是煤体等非均质材料在受载情况下发生变形及破裂的结果,它在外力作用下,其内部的颗粒间的强度与变形有着显著的差异,内部的应力与应变的分布是不均匀的。当煤体发生不均匀应变时,会在内部发生极化现象,压缩区域的电荷密度升高,而低应力区的电荷密度降低,导致电荷由高密度向低密度运动。根据煤体破坏过程的扩容变化规律可知,破裂过程中最强烈的阶段是电磁辐射强度和频度最高的时期。一般来说,电磁辐射强度主要反映了煤岩体的受载程度以及变形破裂强度;而脉冲数则主要反映了煤岩体变形程度及微破裂的频次。如果监测到工作面前方煤岩体的电磁辐射强度和脉冲数较大,则说明煤岩体的破坏和所受应力也较大。因此,可以通过对煤壁前方电磁辐射特性的分析,推断顶板的运动规律从而达到预测的目的。

电磁辐射法对顶板来压的危险性评价及预测预报是可行有效的,从观测到得结果就可以确定顶板来压的区域,这对采取相应的有针对性的防治措施提供了科学依据。

2 微震法预测

采矿微震法与记录和分析大地地震的方法相类似。它主要是记录矿山震动,对其进行有目的的解释。分析和利用这些所记录的信息,对矿山动力危险进行预测和预报。煤岩体在开采影响下发生破裂、滑动过程中,会产生一定频率地震波向周围传播,而波的振幅和频率又取决于煤岩体的强度、应力状态、破裂尺寸和变形速度等。顶板大面积来压过程,重力势能连续增大并释放超乎寻常值的地震能,地震能发射传播速率随应力值的增大而提高。发射速率的增长超前于顶板岩层的失稳破坏。应用微震监测系统,其功能是对全矿范围进行微震监测,该系统能自动记录微震活动,实时进行震源定位和微震能量计算,为评价全矿范围的顶板来压危险提供依据,并根据这些微震信息,包括微震的类型、次数、震级等级,来揭示顶板的运动规律,对顶板大面积来压进行有效的预测。

微震监测系统能够对全矿范围进行微震监测,是一种区域性、及时监测手段,相比于其他传统监测手段,该系统具有远距离、动态、三维、实时监测的特点,还可以根据震源情况确定破裂尺度和性质,为评价全矿范围内的冲击矿压危险提供依据。

3 声波法预测

采矿声波法主要集中在研究与采矿作业引起的矿山动力现象、确定岩体的物理力学参数、提前认识矿床构造特点上并用来解决开采方面的技术问题和地质问题等。在采用声波技术来评价因开采引发的采矿动力危险,其基本原理采矿动力危险是岩体中的应力状态形成的,与岩体的物理力学特性有关;而岩体中的应力分布状态与岩体的物理力学参数的大小与声波参数的分布有关。声波测量的基本参数是不同类型的地震波的传播速度;阻尼系数的影响,振幅和能量的变化。而这些声波参数,特别是地震波的传播速度与岩体中的应力应变状态有很大的关系。另外,岩体中重要的矿山压力参数为裂隙率。如果说,岩体的破坏过程伴随着裂隙区域的变化,对应着振动波长参数的变化及范围的变化,那么该区域就可以通过测量波速来辨别。当坚硬厚层顶板断裂后产生滑移,或由于弱面的原因而产生滑移,将很容易引起顶板来压,在这种非均质岩体周围,以及周围煤层中,地震波波速将显著降低,波速的异常与顶板岩层结构弱化程度成正比,而与其距离成反比,通过这些监测就能进行有效的定位危险区域。声波法是振动研究的非破坏性、从较大范围的岩体内直接获得信息。与其他方法相比,获取信息成本低、声波方法技术含量高、在岩体原有或开采引发的应力变化时,观测的声波参数信息量准确。

4 结 语

采矿地球物理方法预测顶板大面积来压具有观测测量成本低,信息量大,可靠性高,研究测量具有非破坏性等优点,并能在更深层次上认识地下岩层的特点及运动规律。目前,随着我国煤炭资源开采规模的扩大,一些特殊的采矿问题用传统的方法已不能得到很好的解决,采矿地球物理方法的优越性显得尤为突出,其应用前景也更加广阔,但就像其他测量方法一样,采矿地球物理方法也有自身的优点和局限性,只有正确的应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

王术睿 男 1988年出生 2007年中国矿业大学矿业工程学院在读本科生 徐州 221116