煤巷圍巖沖擊礦壓震動效應的爆破類比試驗研究

高明仕,趙國棟,劉波濤,趙一超,張明華

(1.中國礦業大學礦業工程學院,江蘇徐州 221116;2.中國礦業大學深部煤炭資源開采教育部重點實驗室,江蘇徐州 221116;3.中國煤炭科工集團有限公司,北京 100013;4.永城煤電控股集團有限公司,河南永城 476600)

煤巷圍巖沖擊礦壓震動效應的爆破類比試驗研究

高明仕1,2,趙國棟3,劉波濤4,趙一超1,2,張明華4

(1.中國礦業大學礦業工程學院,江蘇徐州 221116;2.中國礦業大學深部煤炭資源開采教育部重點實驗室,江蘇徐州 221116;3.中國煤炭科工集團有限公司,北京 100013;4.永城煤電控股集團有限公司,河南永城 476600)

通過煤礦地下原位巷道爆破類比試驗,應用TDS－6微震信號數據采集試驗系統,研究了沖擊震動波對煤層巷道圍巖的作用效應和不同區位響應特征的差異。試驗結果表明:①隨著與震源距離的增大,震動波能量呈指數關系E=E0e－ηl衰減,初始震動相對劇烈但衰減很快,大約20 m后幅度明顯降低,到30 m后變得非常微弱;②煤巷圍巖介質同一截面不同區位對沖擊震動波響應特征差異較大,底板受到震動影響最強烈,兩幫受到的震動影響次之,頂板和肩窩受到的震動影響最小。可見,沖擊震動只對震源相對較近的煤巖產生損傷破壞效應,對遠場介質破壞作用不大;巷道同一斷面不同區位圍巖對沖擊震動波的響應有較大區別,應分別對待。

煤層巷道;沖擊震動波;微震試驗;傳播效應;圍巖響應特征

沖擊礦壓是煤礦開采中煤巖介質發生的一種物理爆炸,是煤巖介質在高應力集中狀態下積聚的高能量在瞬間突然釋放發生的一種物理爆炸過程。由于沖擊礦壓發生的突然性、劇烈性和瞬時性,以及這個過程造成的危害性,目前還無法真實再現這一過程,也無法像研究靜載條件下的開采問題那樣來研究它[1－4]。張曉春等[5]采用相似模擬實驗研究了沖擊礦壓的發生機理,陽生權等[6]研究了地下結構及其圍巖爆破震動效應,姜耀東等[7]分析了放炮震動誘發煤礦巷道動力失穩的機理,李庶林等[8]采用多通道微震監測系統研究了凡口鉛鋅礦礦震特征及其實際應用情況。在爆炸震動波傳播特性方面,李夕兵等[9]研究了不同應力波型及其加載過程中巖石動力強度的變化特征,寇紹金等[10]進行了石灰巖中應力波衰減機制的試驗研究,Goldsmith W等[11]研究了混凝土的動力行為,高明仕等[12]進行了巖土介質中沖擊震動波傳播規律微震試驗的相關研究。這些都是對巷道或其他地下結構對爆炸震動響應特征的相近性研究,與巷道沖擊礦壓震動效應的真實情況還有一定差距,對沖擊礦壓發生時沖擊震動波對煤巖介質的損傷破壞效應、巷道圍巖對沖擊震動波的響應特征等都不得而知。

通過原位巷道爆破類比試驗,采用中國礦業大學和國家地震局共同研制的TDS－6微震信號數據采集試驗系統,通過地下煤層巷道中爆炸沖擊震動波傳播效應及同一斷面不同區位圍巖響應特征差異的現場試驗,研究煤礦開采沖擊震動對煤層巷道圍巖的作用效應和損傷破壞特點,為煤礦地下巷道防沖抗震支護設計提供一定的實驗依據和參考價值。

1 試驗儀器及方案

1.1 試驗儀器

試驗采用TDS－6微震實驗系統[13],該系統包括6個井下數據采集分站和1個數據收集主站,主站配備數據接收單元和數據記錄器,形成記錄文件、波形回放顯示,完成事件記錄和定位;子站設有單分向微振儀、頻率選擇、無線傳送等單元,子站留有有線傳輸接口,可以將微弱的震動信號通過電纜傳送到中心主站;一點與多點網絡通訊方式,頻分實時傳送,中心站在屏幕上實時顯示接受信號波形,并記錄數據到計算機硬盤。

儀器主要性能參數:振動頻帶1.0～80.0 Hz;振動靈敏度20 V·s/m;數據采集,16位A/D變換;采樣率1 000次/s;最長記錄時間＞120 min;振動中心頻率有3種,10,35和70 Hz;載波頻率為450 MHz;接受靈敏度0.3 mV;發射功率為1.5 W;工作溫度為－10～+50℃。本次試驗儀器主要監測記錄爆炸應力波傳播途徑中各個位置的震動信號電平幅值。

TDS－6微震試驗系統基本組成如圖1所示。

圖1 TDS－6微震信號數據采集試驗系統Fig.1 TDS－6 microseism signals data collection test system

1.2 試驗方案

進行兩類實地試驗:試驗1為煤礦地下煤層巷道中沖擊震動波傳播規律;試驗2為該煤層巷道中同一截面不同區位(頂板、幫部、底板)圍巖介質對沖擊震動波的響應特征。

試驗1,煤層巷道中沖擊震動波傳播效應試驗(圖2):

(1)選擇一個具體的煤層巷道。

(2)在巷道掘進工作面正前方,用定量炸藥充當沖擊震源,距離震源10 m處開始,間隔10 m在巷道中沿巷道走向方向設置拾震子站,一共設置6臺觀測子站;主站放在輻射子站的中間位置處,以接受分站采集到的震動信號。

(3)在同一煤層巷道中重復試驗不少于3次。

圖2 沖擊震動波在煤礦地下巷道傳播效應試驗模型Fig.2 Test model of explosion shock wave propagation effects in coal roadway

試驗2,煤巷同一截面不同區位圍巖介質對沖擊震動波的響應特征(圖3):

(1)在試驗1的試驗巷道中選擇一個截面,分別在截面四周即頂板正中、底板正中、兩幫正中、巷道肩角和底角這6個典型位置分別放置固定拾震子站。

(2)用定量炸藥充當震源,主站放在適宜位置以接受分站采集到的震動信號(本次試驗主站距離巷道掘進工作面爆沖震源20 m)。

(3)重復試驗不少于3次。

圖3 巷道同一截面不同區位對爆沖震動波響應特征試驗模型Fig.3 Test model of the same section of roadway and different response characteristics to shock wave

2 能量與震動信號電平幅值轉換關系

根據TDS－6微震試驗系統內部設計自定的震動信號電平幅值與震動烈度的對應關系,回歸得到震動信號電平幅值與震動烈度的關系表達式,再根據震動烈度與震級的關系、震級與能量的關系,進而推導出震動能量與震動信號電平幅值的關系表達式。

烈度I與震動信號電平幅值A的轉換關系[13](圖4(a))為

震級M與烈度I的轉換關系[14](圖4(b))為

能量E與震級M的轉換關系[15](圖4(c))為

將式(1)～(3)依次迭代,得出能量E與震動信號電平幅值A的轉換關系:

式中,E為各質點處沖擊震動波能量,J;A為震動信號電平幅值,mV。

3 沿巷道走向沖擊震動波傳播效應

3.1 試驗過程

圖4 回歸曲線Fig.4 Regression curves

試驗選在某礦2604工作面煤層巷道中進行,在距離巷道掘進工作面30 m位置一安全硐室安放主站,各拾震子站沿巷道走向布置,第1個子站距離震源10 m,間距10 m依次沿直線布設,子站接收信號窗口均朝向震源方向擺放。監測參數,選擇全通1～80 Hz主頻采集微震信號,觸發閾值設定STA/LTA= 1.2,掃描時間設定為1 s;數據記錄方式為連續記錄。

每次在巷道掘進工作面布置一個震動炮炮眼,炮眼直徑43 mm,眼深1 m,采用正向裝藥結構,每次炸藥量控制在70～80 mg,約150 mm藥卷長度,炮眼其余長度用炮泥封堵嚴實。由一人統一負責協調爆破工作與信號監測。試驗點儀器布設及調試實照如圖5所示。

3.2 信號采集

煤巷掘進工作面正前方位置爆炸沖擊震動波能量傳播時程中3次試驗的原始信號采集如圖6所示。

3.3 數據處理結果

將TDS－6微震系統采集并記錄的反映震動大小的信號電平幅值的原始數據轉換為Access數據庫文件,再利用系統自定的換算關系換算為對應子站位置處介質質點垂直方向的震動加速度數據庫文件,經過Excel和Matlab 7.0等軟件處理,得到每次試驗各子站位置圍巖介質質點的震動能量時程曲線。限于篇幅僅給出其中一次試驗各拾震器位置震動信號電平幅值時程曲線及對應的震動能量時程曲線(圖7)。

每次試驗各子站監測到的最大振動幅值及其對應的沖擊震動能量計算結果見表1,其能量衰減曲線如圖8所示。

圖5 試驗點儀器布設及調試Fig.5 Apparatus arrangement and regulation

圖6 2604煤巷沖擊震動波傳播效應試驗原始信號采集Fig.6 Shock wave propagation effect original signal collecting in 2604 coal roadway

圖7 沿巷道走向各子站震動信號電平幅值時程曲線Fig.7 Sub-station shock signal level amplitude time-history curves on the strike of roadway

表1 各子站位置最大振動幅值及對應震動能量計算Table 1 Sub-station shock original data collecting and energy calculating

圖8 煤巷中沿巷道走向沖擊震動波能量衰減曲線Fig.8 Energy attenuating curve of explosion shock wave in coal roadway

將每個子站震動能量值通過曲線回歸,得到煤層巷道中爆炸沖擊震動波的能量衰減方程為

式中,l為距震源的距離,m。

從煤巷圍巖介質的振動最大幅值變化曲線以及能量衰減曲線圖8中都可以看出:煤層巷道中沖擊震動能量隨距離增大呈指數關系E=E0e－ηl衰減,初始震動比較劇烈但衰減很快,大約20 m后幅度明顯降低,到30 m后就非常微弱了。這一結果表明,爆炸發生時沖擊震動波對煤巖介質的損傷破壞一般也局限于一定的距離,只是對震源相對較近的煤巖產生很大的損傷破壞效應,對遠場煤巖不再具有明顯的破壞作用。這與沖擊礦壓發生后大多破壞地方發生在距離工作面30～100 m的巷道,特別是與上、下平巷距離工作面20～30 m位置巷道破壞最為嚴重的實際現象極為吻合。

4 煤巷圍巖同一截面不同區位響應特征差異

4.1 試驗過程

在同一煤層巷道距離巷道掘進工作面震源20 m截面位置布設子站。將拾震子站分別固定于巷道同一截面的頂板、底板、兩幫和兩肩窩位置,各子站接收信號窗口均朝向震源方向擺放。掃描時間設定為1 s;數據記錄方式為連續記錄。炮眼布置、裝藥結構以及裝藥量與前面試驗相同,試驗點儀器布設及調試如圖9所示。

圖9 試驗點儀器布設及調試Fig.9 Apparatus arrangement and regulation

4.2 信號采集

同一截面不同區位煤巷圍巖介質對爆炸沖擊震動波響應特征3次試驗信號采集如圖10所示。

4.3 數據處理結果

各子站震動信號電平幅值時程曲線,如圖11所示。通過數據處理,可以得到每次試驗各子站監測到的最大振動幅值及其對應的震動能量值,見表2。

圖12為反映該截面不同區位圍巖響應特征的震動能量柱狀圖。從圖12可以看出,底板受到震動影響最強烈,兩幫受到的震動影響次之,頂板和肩窩受到的震動影響最小。這一結果表明,爆炸發生時巷道圍巖對沖擊震動波的響應特征不完全一致,各個位置對沖擊震動波的損傷破壞效應有較大區別。這與煤礦實際開采過程中發生沖擊礦壓后大多都表現為底板鼓起破壞較為劇烈的實際情況是一致的。

圖10 不同區位圍巖介質對爆炸沖擊震動波的響應信號采集Fig.10 Response characteristics of surrounding rock to explosion wave signals collecting

圖11 同一截面不同區位各子站震動信號電平幅值時程曲線Fig.11 Sub-station vibration signal time-history curves of the same section and different location

表2 各子站位置沖擊震動波能量計算Table 2 Sub-station shock energy original data calculating

圖12 不同區位圍巖介質對沖擊震動波能量響應特征Fig.12 Response characteristics of same section different location surrounding rock to shock energy

5 結 論

(1)煤層巷道圍巖介質中沖擊震動波傳播能量隨著距離震源的增加呈指數關系E=E0e－ηl衰減,初始震動比較劇烈但衰減很快,大約20 m后幅度明顯降低,30 m后變得非常微弱。可見,爆炸發生時沖擊震動波對煤巖介質的損傷破壞一般也局限于一定的距離,只是對震源相對較近的煤巖產生很大的損傷破壞效應,對遠場煤巖不再具有明顯的破壞作用。

(2)煤層巷道同一截面不同區位圍巖介質對沖擊震動波響應差異很大,底板受到震動影響最強烈,兩幫受到的震動影響次之,頂板和肩窩受到的震動影響較小。可見,爆炸發生時巷道圍巖對沖擊震動波的響應特征不完全一致,各個位置對沖擊震動波的損傷破壞效應有較大區別。這與現場發生沖擊礦壓后大多都表現為底臌劇烈、兩幫內移的實際情況是一致的。

(3)試驗是在煤礦地下巷道中現場進行的,區別于以往的物理相似試驗和計算機模擬試驗研究,試驗具有實地性和直接性。

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Blasting analogical experiment study on the vibration effects of rock burst in coal roadway

GAO Ming-shi1,2,ZHAO Guo-dong3,LIU Bo-tao4,ZHAO Yi-chao1,2,ZHANG Ming-hua4
(1.School of Mines,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China;2.Key Laboratory of Deep Coal Resource Mining,Ministry of Education of China,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China;3.China Coal Technology&Engineering Group,Beijing 100013,China; 4.Yongcheng Coal&Electricity Holding Group Co.,Ltd.,Yongcheng 476600,China)

Using TDS-6 microseismic monitoring system,through the in-situ blasting analogical test in roadway,the action effects of shock wave on roadway surrounding rock and the response characteristics in different sections were studied.The results show that:①The shock wave attenuates exponentially as E=E0e－ηlwith the distance increase to seismic source,that is,the explosion shocks violently at the beginning and attenuates quickly,the amplitude decreases significantly after 20 meters and becomes very weak after 30 meters;②The response characteristics of roadway surrounding rock differ significantly in different locations of the same section,that is,the floor is suffered most seriously,the two sides take the second place,and the roof and the humeral angles are the worst.It shows that rock burst just have destructive effect on the coal rock near to the seismic source,and on the same section but different locations the characteristics of the response to the shock wave in roadway surrounding rock is different.

coal roadway;shock wave;microseismic experiment;propagation effect;rock response characteristics

TD324

A

0253－9993(2014)04－0637－07

高明仕,趙國棟,劉波濤,等.煤巷圍巖沖擊礦壓震動效應的爆破類比試驗研究[J].煤炭學報,2014,39(4):637－643.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0724

Gao Mingshi,Zhao Guodong,Liu Botao,et al.Blasting analogical experiment study on the vibration effects of rock burst in coal roadway [J].Journal of China Coal Society,2014,39(4):637－643.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0724

2013－05－28 責任編輯:常 琛

教育部科學技術研究重點資助項目(109075);江蘇高校優勢學科建設工程資助項目(SZBF2011－6－B35)

高明仕(1970—),男,甘肅靖遠人,教授,博士生導師,博士。E－mail:cumt_gms@163.com