聲發射累計差量指標的應用研究

馬雄忠，王文杰

（武漢科技大學資源與環境工程學院，湖北 武漢430081）

隨著礦山向深部開采，采礦殘留的大量沒有進行及時處理的巷道、采空區等在強大的地壓力作用下，很容易發生失穩坍塌事故，這嚴重威脅著礦山生產安全［1］。

世界各國對采空區的穩定性監測進行了大量研究，提出了很多監測方法。傳統的監測方法有壓力監測法、位移監測法等，這些方法雖然操作簡單，但是監測人員必須要在測點附近監測，而這些區域往往屬于危險區域，危險性較大。隨著科學技術的發展，20世紀70年代，在國外出現了聲發射監測技術，該技術可以在距離測點較遠的地方進行動態實時監測，可靠度較高，因此，很快在巖土工程中得到了廣泛應用。我國自20世紀80年代引進該技術至今，在聲發射軟件開發、監測設備制造等方面已經有了很大的進步。現在，巖體聲發射技術已經成為預測地下工程巖爆及研究巖體穩定性的一種重要手段［2－3］。

巖體聲發射技術是根據巖體在變形破壞時發出的聲波信號來判斷巖體內部損傷的一種動態無損檢測方法。聲發射強弱通常用與聲發射頻率和幅值能量有關的參數來描述，如聲發射事件率、大事件率、能率等。傳統的聲發射分析法通常是按照已制定的一些標準對聲源信息進行分級評定，許多準則中規定劃分標準時，只要有一項不滿足，就依此確定聲發射源的穩定性等級，這樣就沒有合理的考慮其他聲發射因素的影響，加之短期的聲發射信號很容易受到外部因素的干擾。因此，常用的分析方法存在很大缺陷，這經常導致預報偏差，為礦山正常生產帶來很大影響。

基于上述認識，在測得聲發射參數值的前提下，提出了聲發射累計差量指標，該指標綜合考慮了一段時間內幾個參數的變化情況，可有效的用于采空區圍巖穩定性評價，更好的保障了礦山生產安全。

1 聲發射監測巖體穩定性存在的問題

巖體聲發射信號攜帶了大量與礦巖體的穩定狀態密切相關的信息，在一定程度上反映了礦巖體結構特征及其破壞過程，這是聲發射技術運用于巖土工程的主要理論依據。在實際應用中，常根據聲發射大事件率、事件率和能率來評判礦巖體的穩定性［4－5］。其中，大事件率（G）表示單位時間內聲發射信號幅值大于儀器設定值的次數，單位為次／分，反映大振幅聲發射事件的頻度；事件率（N）表示單位時間內接收到的聲發射信號總次數，單位為次／分，反映聲發射信號的頻度；能率（E）與聲發射信號能量成正比，反映聲發射信號能量強弱，無量綱。

傳統的聲發射信號分析方法是考查一個或幾個特征參數值的變化，當被考察特征值接近或者超過經驗值時就發出預報，但由于礦山井下環境復雜，聲發射儀器抗干擾能力不強，單天短期的信號很容易受到外部因素的干擾，如打鉆、放炮等施工作業都會引起聲發射數據異常。而且對于考察一個還是幾個特征參數往往沒有明顯的界定，有時一個參數達到了預警值，但其他的參數還處于安全區間，因此，分析方法的缺陷經常導致預報偏差，為礦山帶來了較嚴重的財產損失和人員傷亡。

2 聲發射累計差量指標

隨著采礦活動的進行，地應力發生重新分布，在地下采空區形成應力集中區。當集中的應力達到圍巖的破壞強度時，圍巖結構開始發生破壞，這時聲發射參數也開始相應的升高。圍巖破壞約劇烈，破壞范圍越大，產生的聲發射信號也越多，幅值越大。當壓力釋放完畢，空區圍巖達到新的應力平衡狀態，此時，聲發射信號開始減小減弱，重新回到正常水平。由此可知，采空區從穩定狀態到失穩狀態，再回到穩定狀態的過程中，聲發射現象是連續變化的，并且會持續一段時間。基于以上認知，本文設計了巖體聲發射累計差量指標，利用一段時間內的大事件率、事件率、能率累計差量變化的平均值來評價巖體穩定性，該指標綜合考慮了三種參數一段時間內的變化情況，可以弱化了短期干擾信號，監測數據利用率高，能夠更準確的用于評價采空區穩定性。

令聲發射累計差量指標為U，大事件累計差量指標為Ug，事件率累計差量指標為Un，能率累計差量指標為Ue。

設某一時間段巖體聲發射大事件率數據序列為

其中，Gi為時序為i時的事件率。

對序列項前后相減，得序列

將正差量的和定為C1，負差量的絕對值的和定為C2

用相同的方法可求出Ug和Ue。

巖體聲發射累計差量指標在0～1之間變化。

以多個礦山巖體聲發射監測數據和巖體的多次失穩事件為依據，得出了巖體失穩各階段聲發射參數的一般變化規律和累計差量指標一般變化規律，如圖1、圖2所示。

圖1 聲發射參數變化規律

圖2 累計差量指標變化規律

巖體聲發射聲發射狀態大致可以分為穩定狀態、活動狀態、破壞狀態，分別對應于巖體破壞過程中的穩定期、活動期、破壞期。穩定期的巖體處于穩定狀態，內部活動不劇烈，聲發射參數值較小，產生的信號波動都為短期波動，此時的聲發射信號認為是巖體內細微裂隙閉合或產生新的細微裂隙所致，這個階段的累計差量指標值也較小，一般在0～0.6之間波動。活動期巖體受到的地應力接近或超過巖體的強度值，內部活動開始加劇，存在的細微裂隙開始擴張成大裂隙，并產生新的張拉裂縫，這段時間巖體發出的聲發射信號開始增強，相應的聲發射累計差量指標值也開始上漲，這段時期的累計差量指標值在0.6～1之間波動，當指標值大于0.75時，認為巖體已經接近失穩破壞，此時需要對監測區域進行密集監測，如果指標值繼續增大，說明巖體有可能發出失穩破壞，須對監測區域發出失穩預報，礦方應迅速預警區段工作人員和設備，以保障礦山生產安全。破壞期巖體裂縫進一步擴大，在采空區內體現為頂板掉塊甚至垮塌，但由于活動期巖體已經釋放了大量的變形能，因此此階段聲發射信號開始降低，累計差量指標也開始回落到0.5附近的正常水平。

對比圖1和圖2可知，聲發射累計差量指標弱化了短期干擾信號帶來的影響，而且對巖體的中長期聲發射現象很敏感，比聲發射參數分析法更早的預測到了巖體的失穩破壞，為礦山避免事故發生創造了時間，而且該指標綜合考慮了三個聲發射指標，能使預測更合理可靠，對確保礦山生產全意義重大。

3 采場穩定性監測預測

廣西佛子礦是矽卡巖型礦床，礦物組分以方鉛礦和閃鋅礦為主，圍巖主要為砂巖、粉砂巖、灰巖等，礦巖致密堅硬，穩固性良好。礦區內構造裂隙發育，但多被后期石英、方解石脈所填充，膠結緊密，富水性、透水性很弱。104號礦體是礦區內最大的保有礦體，礦體位于最北部六塘礦段的06～015勘探線之間，礦體長470m，傾斜延伸199m，埋深246～430m，埋藏標高－66～－183m，平均厚度為4.36m。礦體走向北東－北北東22°～37°，傾向南東，平均傾角67°。

佛子礦所使用的采礦方法均為淺孔留礦法，礦塊沿走向布置，長40～60m，中段高40m，采場兩端各設人行天井，采場采高36m。一般留3.5～4m頂柱，如礦體較長，連續布置采場，則留間柱8m。目前，佛子礦104＃礦體100m中段以上全部采空，180m中段和138m中段各形成5個采場，100m中段形成9個采場，60m中段開始回采礦房，20m中段正在做采切準備，－20m標高鉆孔見礦，準備開拓。為了確保生產安全，防范采空區失穩造成的安全事故，佛子礦對104＃礦體建立了聲發射地壓監測系統，監測點編號從Ⅰ～Ⅶ，位置如圖3所示。

圖3 104＃礦體監測孔布置圖

104＃礦體聲發射監測系統于2012年7月正式投入運行，成功監測到了多次采空區圍巖失穩事故，但也出現過誤報情況。2012年9月16日，138m中段014線附近的Ⅲ號監測孔聲發射大事件率和事件率同時超過預警值，能率沒有達到預警值，監測數據如表1所示。按照傳統的聲發射參數分析法，該監測孔輻射范圍內有可能發生頂板冒落掉塊等失穩事故，監測人員立即向監測負責人匯報情況，礦山決定暫停該區段的生產作業，將人員和設備緊急撤離，但隨后的監測觀察發現，該處并沒有發生失穩事故，而且聲發射數據又恢復到了正常水平，故此次預報是一次誤報，這對礦山正常的生產作業產生了一定影響。如果采用聲發射累計差量指標來進行分析，結合之前幾天的聲發射監測情況，計算得該處當天的指標值為0.67，未達到預警值0.75，將不會發出失穩預報，可見累計差量法可以弱化干擾因素，作出更合理的預測。

表1 聲發射參數分析法誤報案例

2013年3月18日104號礦體138中段011線附近的Ⅴ號監測孔輻射范圍內出發生了采空區頂板小范圍冒落事故。若用累計差量指標法分析可知，早在3月16日，指標值就達到了0.78，超過了預警值，之后3月17日指標值進一步增大，達到0.94，到3月18日破壞當天指標值達到最大值1，相關數據見表2，冒落區域見圖4。可見聲發射累計差量指標分析法可以較準確的預報采空區頂板失穩冒落事故，對礦山安全生產意義重大。

表2 聲發射累計差量指標分析法預報案例

圖4 采空區冒落區域

4 結論

根據巖體穩定狀態與聲發射信號之間的對應關系，提出了評價巖體穩定性的聲發射累計差量指標。該指標綜合考慮了一段時間內大事件率、事件率和能率的變化情況，克服了傳統聲發射參數分析法易受干擾、數據利用不充分的弊端，可以更早更準確地預測巖體失穩事故。運用該指標對佛子礦104＃礦體進行采空區穩定性預測，預測結果與礦山實際情況相一致。

［1］王寧，韓志型，王月明.評價巖體穩定性的聲發射相對強弱指標［J］.巖土工程學報，2005，27（2）：190－192.

［2］馬雄忠，王文杰，莫煥東，等.聲發射累計差量指標在采空區失穩預報中的應用［J］.金屬礦山，2013（7）：162－165.

［3］文興，李宏建.采空區地壓災害監測技術研究［J］.現代礦業，2010（11）：107－109.

［4］趙興，陳學軍.聲發射監測技術在大寶山礦業公司的應用［J］.采礦技術，2010，10（5）：41－42.

［5］肖術，歐陽治華，汪青松，等.正興鐵礦采空區聲發射監測應用研究［J］.有色金屬，2012，64（2）：84－88.