采礦地球物理方法對頂板大面積來壓的預測

王術睿,李海龍,姜海鵬,周 薇

(中國礦業大學)

采礦地球物理方法對頂板大面積來壓的預測

王術睿①,李海龍,姜海鵬,周 薇

(中國礦業大學)

頂板大面積來壓是嚴重威脅礦井安全生產的動力災害。隨著礦井開采情況越來越復雜,頂板大面積來壓所帶來的危險和危害也越來越嚴重。介紹了電磁輻射、微震法、聲波法預測頂板大面積來壓,為有頂板大面積來壓危險的礦井的決策者和工程技術人員提供一些參考。

頂板大面積來壓;電磁輻射;微震法;聲波法;預測

頂板大面積來壓是礦山堅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力現象。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間內冒落下來,不僅由于重力作用產生嚴重的沖擊破壞,而且更嚴重的是把已采空間的空氣瞬時排出,形成巨大的暴風,其破壞力極強。頂板大面積來壓以及沖擊地壓、煤與瓦斯突出統屬煤巖動力失穩災害現象,具有強勁的動力失穩特征,嚴重時能引發采場乃至礦區發生礦震,對煤礦的正常安全生產帶來巨大威脅,特別是開采情況更加復雜的礦井,因此,有必要采取措施進行預測。

采礦地球物理學是采礦科學中的一個新分支,是利用巖體中自然的或人工激發的物理場來監測巖體的動態變化和揭露已有的地質構造的一門學科。其中,采礦地球物理方法是采礦安全技術以及有益于礦物經濟、高效開采方面應用的最基本的測量工具。它是利用巖體中自然或人工激發的物理場來監測巖體的動態變化和揭露已有的地質構造,其基本任務是解決采礦作業的安全性和保證礦井生產的連續性。采礦地球物理方法可連續或即刻記錄采礦作業引發的振動現象,以此可連續評價,并在一定程度上預測研究區域的震動性及危險性。

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,可以較準確地預測頂板大面積來壓的發生區域以及釋放的能量大小。

1 電磁輻射法預測

煤巖變形破裂時,將會產生電磁輻射現象。電磁輻射是煤體等非均質材料在受載情況下發生變形及破裂的結果,它在外力作用下,其內部的顆粒間的強度與變形有著顯著的差異,內部的應力與應變的分布是不均勻的。當煤體發生不均勻應變時,會在內部發生極化現象,壓縮區域的電荷密度升高,而低應力區的電荷密度降低,導致電荷由高密度向低密度運動。根據煤體破壞過程的擴容變化規律可知,破裂過程中最強烈的階段是電磁輻射強度和頻度最高的時期。一般來說,電磁輻射強度主要反映了煤巖體的受載程度以及變形破裂強度;而脈沖數則主要反映了煤巖體變形程度及微破裂的頻次。如果監測到工作面前方煤巖體的電磁輻射強度和脈沖數較大,則說明煤巖體的破壞和所受應力也較大。因此,可以通過對煤壁前方電磁輻射特性的分析,推斷頂板的運動規律從而達到預測的目的。

電磁輻射法對頂板來壓的危險性評價及預測預報是可行有效的,從觀測到得結果就可以確定頂板來壓的區域,這對采取相應的有針對性的防治措施提供了科學依據。

2 微震法預測

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,對其進行有目的的解釋。分析和利用這些所記錄的信息,對礦山動力危險進行預測和預報。煤巖體在開采影響下發生破裂、滑動過程中,會產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度、應力狀態、破裂尺寸和變形速度等。頂板大面積來壓過程,重力勢能連續增大并釋放超乎尋常值的地震能,地震能發射傳播速率隨應力值的增大而提高。發射速率的增長超前于頂板巖層的失穩破壞。應用微震監測系統,其功能是對全礦范圍進行微震監測,該系統能自動記錄微震活動,實時進行震源定位和微震能量計算,為評價全礦范圍的頂板來壓危險提供依據,并根據這些微震信息,包括微震的類型、次數、震級等級,來揭示頂板的運動規律,對頂板大面積來壓進行有效的預測。

微震監測系統能夠對全礦范圍進行微震監測,是一種區域性、及時監測手段,相比于其他傳統監測手段,該系統具有遠距離、動態、三維、實時監測的特點,還可以根據震源情況確定破裂尺度和性質,為評價全礦范圍內的沖擊礦壓危險提供依據。

3 聲波法預測

采礦聲波法主要集中在研究與采礦作業引起的礦山動力現象、確定巖體的物理力學參數、提前認識礦床構造特點上并用來解決開采方面的技術問題和地質問題等。在采用聲波技術來評價因開采引發的采礦動力危險,其基本原理采礦動力危險是巖體中的應力狀態形成的,與巖體的物理力學特性有關;而巖體中的應力分布狀態與巖體的物理力學參數的大小與聲波參數的分布有關。聲波測量的基本參數是不同類型的地震波的傳播速度;阻尼系數的影響,振幅和能量的變化。而這些聲波參數,特別是地震波的傳播速度與巖體中的應力應變狀態有很大的關系。另外,巖體中重要的礦山壓力參數為裂隙率。如果說,巖體的破壞過程伴隨著裂隙區域的變化,對應著振動波長參數的變化及范圍的變化,那么該區域就可以通過測量波速來辨別。當堅硬厚層頂板斷裂后產生滑移,或由于弱面的原因而產生滑移,將很容易引起頂板來壓,在這種非均質巖體周圍,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構弱化程度成正比,而與其距離成反比,通過這些監測就能進行有效的定位危險區域。聲波法是振動研究的非破壞性、從較大范圍的巖體內直接獲得信息。與其他方法相比,獲取信息成本低、聲波方法技術含量高、在巖體原有或開采引發的應力變化時,觀測的聲波參數信息量準確。

4 結 語

采礦地球物理方法預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點,并能在更深層次上認識地下巖層的特點及運動規律。目前,隨著我國煤炭資源開采規模的擴大,一些特殊的采礦問題用傳統的方法已不能得到很好的解決,采礦地球物理方法的優越性顯得尤為突出,其應用前景也更加廣闊,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點和局限性,只有正確的應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

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TD326

A

1672-0652(2010)06-0007-02

2010-03-05

王術睿 男 1988年出生 2007年中國礦業大學礦業工程學院在讀本科生 徐州 221116