應用于采空區失穩預報的聲發射差量比指標

李 苗 張紅軍 歐陽治華 王紀鵬

(武漢科技大學資源與環境工程學院，湖北 武漢 430081)

應用于采空區失穩預報的聲發射差量比指標

李 苗 張紅軍 歐陽治華 王紀鵬

(武漢科技大學資源與環境工程學院，湖北 武漢 430081)

鄂東地區中小型礦山數量眾多，采空區失穩事故頻發，實現采空區準確有效的預警預報已成為鄂東地區重點研究內容之一。結合鄂東地區聲發射監測應用現狀，提出差量比指標，該指標綜合考慮了一段期間聲發射大事件、總事件及能率3項參數，有效減少外界干擾、地質條件不同及采空區結構差異造成的聲發射監測參數波動影響。通過對比采空區巖體失穩聲發射參數累計值的變化，得出了對應的聲發射差量比指標的一般變化規律及失穩前兆特征，利用聲發射差量比指標，不僅能合理有效分析采空區穩定性狀態，還能簡單準確地根據差值比前兆特征對采空區失穩時間進行預測。將聲發射差值比指標應用于鄂東地區普民鐵礦采空區穩定性分析，預測評判結果與現場實際情況一致，說明該指標評判方法具有一定的適用性和合理性。

差量比指標 聲發射 采空區 失穩預測

聲發射又稱應力波發射，是材料受力產生變形、斷裂或承受載荷超過材料極限強度進入塑形變形階段，以聲波形式釋放應變能的現象[1]。隨著聲發射監測設備的不斷革新和發展及巖體聲發射理論的不斷擴展和完善，聲發射技術在巖土工程和礦山巖體穩定性預報預測方面得到了廣泛推廣和應用[2-3]。目前，巖體聲發射技術已成為評價及預測地下采空區及地下工程穩定性的重要手段之一[4]。

鄂東地區目前地下形成了大量高危采空區群，分布范圍大，距離地表也較近，受到地表水和地下水的侵蝕十分嚴重，加上長期以來采礦爆破作業的震動影響，其穩定性逐步降低，冒頂片幫事故頻發，當前已成為鄂東地區采空區重點防治對象[5]。為防止和減少采空區失穩事故的發生，鄂東地區大部分礦山已成功引入YSSC型巖體聲發射監測儀，并建立了相應的監測網絡系統，初步實現了對已有采空區穩定性的全面監測[6]。

針對鄂東地區聲發射現狀，提出聲發射差量比指標，并將其應用到聲發射監測參數的分析中，實現對采空區失穩的有效評判及預測。

1 鄂東地區聲發射監測現狀

鄂東地區大部分中小型礦山使用的設備為YSSC型巖體聲發射監測儀，監測參數為大事件數(G)、總事件數(N)和能率(E)。一般情況下，根據每次監測時段內的聲發射參數對采空區當前穩定性狀況進行評判預測，當某個或多個監測參數超過既定的預警閾值時，就對當前監測區域發出失穩預報，提前撤離采礦人員和設備，避免或盡可能地減少損失[7]。

由于鄂東地區采空區數量眾多，根據每個監測點實際情況設定不同的預警閾值，雖然能有效提高評判預測的準確度，但需要對不同采場各種巖體做大量的聲發射室內實驗，同時還需一定時間的工程應用實踐驗證和積累，大大加重了中小型礦山的工作量和經濟負擔，可行性較低。小波分析理論可以根據巖體聲發射特性實現波形的去噪分析，減少外界環境的干擾，而灰色理論、突變模型等現代理論分析方法也能準確有效地根據一段時間內的聲發射參數對采空區穩定性進行分析預測，但均需要投入一定的時間和工作量，不能及時根據監測參數對采空區穩定性狀態做出預判。

2 聲發射差量比指標及評判方法

2.1 聲發射差量比指標

綜合考慮以上現狀，提出聲發射差量比指標。將采空區巖體聲發射大事件數、總事件數和能率分別記為G、N和E。以大事件為例，設某一時段內，時刻t0，t1，t2，…，tn對應的巖體聲發射大事件累計數分別為G0，G1，G2，…，Gn，則大事件的差量比指標計算公式定義為

(1)

同樣，可類比式(1)求出總事件差量比CN和能率差量比CE。為避免個別參數波動影響分析預測準確度，取各參數差量比的平均值。采空區巖體聲發射差量比指標C為

(2)

2.2 差量比指標變化規律及評判標準

巖體承受載荷不同，聲發射強度也會明顯不同。以巖體聲發射室內實驗及鄂東地區大量工程實踐為基礎，得出了聲發射差量比指標的一般變化趨勢[8-9]，如圖1和圖2所示。

圖1 采空區巖體失穩聲發射一般規律Fig.1 Regulation of AE parameters in instability of mined-out area

圖2 采空區巖體失穩聲發射差量比一般規律Fig.2 Regulation of AE differential ratio indicator in instability of mined-out area

巖體破壞過程中聲發射情況一般分為穩定期、活動期及前兆期，分別對應巖體受壓破壞過程中的不同階段。

根據圖1和圖2，當巖體承受載荷基本穩定時，聲發射強度較弱，且波動平穩，處于聲發射的穩定期，差量比指標在此階段基本為1或在1附近波動；當采空區由于外界擾動出現應力集中，地壓活動逐步趨于明顯，此時巖體聲發射強度逐步上升，進入到巖體聲發射的活動期，此階段差量比指標大于1。當聲發射強度處于前兆期時，預示著采空區巖體將發生失穩事故，對應的差量比指標會迅速減小到小于1的情況。

結合采空區失穩聲發射前兆特征和大量聲發射預測預報經驗，鄂東地區聲發射差量比指標評判標準為：當聲發射差量比指標連續3次出現大于1的情況時，說明采空區監測區域有明顯的應力集中現象，在此期間，需要根據采空區的實際情況和聲發射強度加強和調整監測區域的監測工作，并密切關注采空區巖體的穩定性狀態；當聲發射差量比指標突然減小并連續多次小于1時，則可以視為采空區失穩的前兆信息，預示著失穩事故的發生，對采空區發出失穩預警，提前做好采空區失穩的應對措施。

3 應用實例

普民鐵礦是鄂東地區典型小型礦企，開采范圍為劉家畈鐵礦床Ⅷ號礦體的-610～-640 m部分[10]。各中段經過多年開采，現已形成多處采空區，部分采空區上下貫穿，嚴重影響礦山安全生產以及礦區居民的生命財產安全。2011年6月普民鐵礦開始對井下采空區實行聲發射監測，排查危險采空區，同時對大規模的地壓活動及采空區失穩進行預測預報。自聲發射監測工程啟動以來，成功預報了多次大小規模冒頂、片幫事故，預報失誤和預報偏差的情況也經常發生。為了說明聲發射差量比指標的評判預測準確度，以2012年6月-610 m 水平采空區大規模片幫事故為例進行分析預測。失穩事故發生前的聲發射監測參數及差量比分析結果見表1。

表1 普民鐵礦聲發射參數及差量比指標Table 1 AE parameters and differential ratio indicators of Pumin iron mine

根據聲發射差量比計算結果，從2012年6月6日開始，差量比連續出現大于1的情況，說明采空區巖體聲發射進入到活動期，采空區監測區域內應力集中現象逐步趨于明顯，并根據巖體聲發射強度，建議10號開始加強聲發射監測強度。在6月15日及16日，聲發射差量比連續小于1。根據巖體聲發射差量比指標前兆特征，即可以預測普民鐵礦采空區將在6月16號以后3 d內發生失穩事故。根據傳統的分析方法，普民鐵礦當時僅根據6月15日及16日聲發射參數超過預警閾值發出失穩預警，但在隨后的3 d聲發射參數明顯趨于緩和，小于預警閾值，隨后便解除了預警，出現明顯的預測失誤。在2012年6月19日凌晨，監測區域發生大規模片幫，聲發射差量比預測結果與采空區實際情況基本一致，說明該指標具有一定的合理性和適用性。

4 結 論

(1)根據采空區巖體失穩聲發射一般變化規律及鄂東地區聲發射監測現狀，提出了聲發射差量比指標，得出了采空區巖體失穩時的聲發射差量比指標變化規律及前兆特征。

(2)聲發射差量比指標能綜合考慮了大事件數、總事件數和能率3項參數，能有效弱化個別參數波動對評判預測結果的影響，實現對采空區穩定性合理有效的評判和對失穩時間準確簡單的預報。

(3)利用聲發射差量比指標對普民鐵礦采空區失穩事故分析評判預測，分析結果與采空區實際情況基本一致。

[1] 王春來，吳愛祥，劉曉輝.深井開采巖爆災害微震監測預警及控制技術[M].北京:冶金工業出版社，2013. Wang Chunlai，Wu Aixiang，Liu Xiaohui.Rockbursts Disaster in Deep Mining of Microseismicity Monitoring，Forecasting and Controlling Technology[M].Beijing:Metallurgical Industrial Press,2013.

[2] Blake W.Microseismic Application for Mining：A Practical Guide[R].Indiana:United States Bureau of Mines Publications，1982.

[3] 藤山邦久.聲發射(AE)技術的應用[M].北京:冶金工業出版社，1997. Tengshan Bangjiu.Application of AE Technology[M].Beijing:Metallurgical Industrial Press,1997.

[4] 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. Ma Xiongzhong，Wang Wenjie，Mo Huandong，et al.Application of acoustic emission cumulative difference indicator in instability prediction of goal[J].Metal Mine，2013(7):162-165.

[5] 歐陽治華，張青青，陳 平.靈寶鐵礦地壓監測點的優化布設[J].金屬礦山，2011(7):58-60. Ouyang Zhihua，Zhang Qingqing，Chen Ping.Optimization arrangement of ground pressure monitoring spots in Lingbao Iron Mine[J].Metal Mine，2011(7):58-60.

[6] 歐陽治華，肖 術，周鳳星，等.采空區聲發射實時監測系統研究[J].金屬礦山，2012(8):126-129. Ouyang Zhihua，Xiao Shu，Zhou Fengxing，et al.Real-time AE monitoring system in goaf[J].Metal Mine，2012(8):126-129.

[7] 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. Xiao Shu，Ouyang Zhihua，Wang Qingsong，et al.Application research of acoustic emission technology in golf monitoring of Zhengxing Iron Mine[J].Nonferrous Metals，2012，64(2):84-88.

[8] 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. Wang Ning，Han Zhixing，Wang Yueming，et al.Evaluating criterion of relative strength-weakness characteristic based on acoustic emission parameters of rockmass stability[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2005，27(2):190-192.

[9] 王 寧，雷勁松，韓志型.巖體聲發射量化指標在采場穩定性監測中的應用[J].有色金屬，2008，60(1):96-100. Wang Ning，Lei Jingsong，Han Zhixing.Acoustic emission quantitative criterion on rockmass and application on stope stability monitoring[J].Nonferrous Metals，2008，60(1):96-100.

[10] 江 露，歐陽治華.普民鐵礦回采順序優化及采空區穩定性分析[J].礦業工程，2012，10(5):58-61. Jiang Lu，Ouyang Zhihua.Mining sequence optimization and goaf stability analysis of Pumin Iron Mine[J].Mining Engineering，2012，10(5):58-61.

(責任編輯 徐志宏)

Application of Acoustic Emission Differential Ratio Indicator in Instability Prediction of Mining-out Area

Li Miao Zhang Hongjun Ouyang Zhihua Wang Jipeng

(SchoolofResourcesandEnvironmentEngineering，WuhanUniversityofScienceandTechnology，Wuhan430081，China)

There are numerous small or medium-sized mines in the eastern Hubei where instable accidents of mining excavations frequently happened.How to accurately and effectively analyze and predict the stability of mining-out area has been one of the important issues.Based on the application status of acoustic emission in the eastern Hubei，the AE differential ratio indicator was put forward，which took into consideration of such three AE parameters as the large acoustic emission events，and the total event period and the energy rate within a period of time.It can effectively reduce the interference on sound monitoring parameter fluctuations from the external environment，different geological conditions and different structures of the mined zone.Through comparing with the variation of the cumulative value of rock acoustic emission parameters in mined-out area，the general changing rule of the corresponding AE differential ratio indicator and its precursor characteristics of instability were obtained.The AE differential ratio indicator can not only reasonably and effectively analyze the stability of the mined-out area，but also simply and accurately predict the instable time.Then，AE differential ratio indicator was applied in Pumin iron mine in the eastern Hubei to predict the stability of mined-out area，and the prediction result was basically in accord with the actual situation，indicating that the indicator has certain applicability and rationality.

Differential ratio indicator，AE(acoustic emission)，Mining-out area，Instability prediction

2014-01-05

李 苗(1990—)，男，碩士研究生。

TD76

A

1001-1250(2014)-05-155-03