SFKG－2型便攜式巖石聲發射儀在大紅山鐵礦的成功應用

■彭朝偉 ■玉溪大紅山礦業有限公司，云南 玉溪 653405

1 前言

大紅山鐵礦是我國井下特大型地下開采礦山，位于玉溪市新平縣戛灑鎮，是昆鋼的主要鐵礦石原料基地，集采、選、管道三大部分，礦山于2006年底投產，2007年即已達產。隨著礦山的逐漸回采，形成了主采空區、中部采空區和上部采空區三個較大的采空區，其暴露面積與空間立體交錯在目前國內礦山是最大也是最復雜的。在2009年初，主采區各分段空區暴露面積如下:480m分段為4.5萬m2，460m分段為6.8萬 m2，440m分段為8.5萬 m2，420m分段為6.6萬 m2，在這個空區面積暴露條件下，主采區各分段發生了劇烈的片幫、冒頂、斷裂及巖爆，處于主采區移動范圍內的850m運輸平巷受空區的影響，巷道先后出現開裂、下沉、錯動，最終整個巷道冒落，隨后上方的920m回風平巷也逐漸冒落和下沉(850m和920m巷道垮塌見圖1)。在整個地壓活動變化過程中，公司與科院單位合作，在850m和920m平巷使用SFKG－2型便攜式巖石聲發射儀進行地壓監測。通過監測，初步掌握了地壓活動規律，對主采區周圍受地壓活動影響較大的地方提出支護意見，對礦區淺部正在開采的V2礦體提出“強采”的指導性意見，并加強現場檢查，在安全的前提下避免了礦石損失，為礦山創造了效益。

圖1 850m和920m巷道垮塌

2 SFKG－2型便攜式巖石聲發射儀監測

2.1 監測原理

聲發射是指材料局部因能量的快速釋放發出瞬態彈性波的現象，其技術屬于檢測超聲技術領域，是一種動態無損傷監測技術。當固體材料在受到外力作用時，發生局部或整體破裂(或晶格滑移)，伴隨著破裂而發生的向外發射聲波的情況。巖石工程結構在破壞之前，必然持續一段時間以聲的形式釋放積蓄的能量，這種能量釋放的強度，隨著結構臨近失穩而變化，每一個聲發射都包含著巖體內部狀態變化的豐富信息，正是對“聲發射傳感器”接收到的信號進行處理、分析，從而預測巖體塌方、冒頂、片幫、滑坡和巖爆等地壓現象，室內研究資料表明，當對巖石試件增加負荷時，可觀測到試件在破壞前的聲發射次數急劇地增加，幾乎所有的巖石當負荷加到破壞強度的60%時，就會發生聲發射與微震現象，其中有的巖石即使加到破壞強度的20%，也可發生這種現象。

2.2 聲發射分析處理技術

SFKG－2型便攜式巖石聲發射儀監測主要對以下參數進行分析，從而得出巖層的穩定性情況。第一，事件率(頻度):單位時間內發生的聲發射次數，單位為次/min，是用聲發射評價巖體狀態時最常用的參數;第二，振幅:聲發射波形的峰值振幅，根據設定的閾值可將一個事件劃分為小事件和大事件;第三，能率:單位時間內聲發射能量之和;第四，事件變化率和能率變化:單位時間內聲發射事件率和能率的變化;第五，頻率分布。聲發射信號的特征決定于震源性質、所經巖體性質及監測點到震源的距離等。基本參數與巖體的穩定狀態密切相關，基本上反映了巖體的破壞現狀。事件率和頻率等的變化反映巖體變形和破壞過程;振幅分布與能率大小，則主要反映巖體變形和破壞范圍;事件變化率和能率變化，反映了巖體狀態的變化速度。巖體處于穩定狀態時，事件率等參數很低，且變化不大，一旦受外界干擾，巖體開始發生破壞，聲發射活動隨之增加，事件率等參數也相應升高，發生沖擊地壓之前，聲發射活動增加得更為明顯，而在臨近發生沖擊地壓時，聲發射活動頻數反而減小。巖體內部應力重新趨于平衡狀態時，其數值又隨之降低。若在監測體周圍以一定的網布置一定數量的傳感器組成傳感器陣列，當監測體內出現聲發射時，傳感器即可將其拾取并將這種震動的物理量轉換為電壓量或電荷量，通過多點同步采集測定各傳感器接收到該信號的時刻，連同各傳感器坐標及所測波速代入方程組求解即可確定聲發射與震源的時空參數，達到定位之目的。因巖體聲發射信號及其參數變化出現在巖體破壞之前，故實施巖體聲發射監測可對地壓災害進行預測、預報，從而根據分析結果，及時采取有效措施以盡可能避免重大事故的發生。

3 SFKG－2型便攜式巖石聲發射儀在大紅山鐵礦的應用

3.1 傳感器的現場安裝布置

根據大紅山鐵礦地壓活動實際情況，首先在850m運輸平巷安裝了8個傳感器，其次在920m回風平巷安裝了8個，共形成16通道的監測系統，共同對大紅山鐵礦主采區上覆巖層進行監測，安裝在現場的傳感器見圖2所示。

安裝傳感器之前，使用混凝土把傳感器螺栓和巷道壁固定在一起，待混凝土充分凝固，把傳感器和螺栓連接在一起，這樣便完成聲發射監測前的傳感器安裝工作。

3.2 聲發射儀現場監測及分析

監測工作開始于2009年3月13日?？紤]到現場的實際情況，采用了每周進行1到2次監測、每次在每個測點進行5－10次、每次1分鐘監測的制度?，F場監測照片見圖3。當天的監測記錄見表1。

圖3 巖石聲發射儀在850水平巷道進行監測中

表1 3月13日聲發射監測記錄

圖4是3月13日進行聲發射監測時在1分鐘內所記錄到的1個波形。為了看清楚圖中前一個幅度較高的點，對該點進行了局部放大(在水平軸，即時間軸上展開)，所得結果見圖5。

圖43 月13日在1號測點獲得的聲發射波形(記錄時間1分鐘)

由圖5可見，圖4中幅度較高的2個點，代表的是1個頻率約為20Hz的低頻聲發射信號和2個頻率在1KHz以上的高頻聲發射信號。

圖5 圖4的部分放大圖(在水平軸，即時間軸上展開)

聲波在巖石中傳播時，不同頻率的信號，衰減不同:高頻信號衰減較快，低頻信號則衰減較慢。因此，接收到的低頻聲發射信號，通常是聲發射活動發生在離測點較遠處，傳播較長距離后，聲波衰減成了低頻信號所致。高頻聲發射信號，則意味著測點與聲源的距離較近，聲波尚未產生大的衰減。

4 結束語

通過使用SFKG－2型便攜式巖石聲發射儀對大紅山鐵礦主采區上覆巖層進行監測，掌握了礦山地壓活動規律，指導礦山安全生產，并對研究礦區巖石移動規律、地表塌陷區的的管理以及后期相關的主動處理礦區地壓的措施提供了依據，但礦山開采是個動態的過程，隨井下的不斷開采，地壓活動越明顯，加之國內和國際地壓監測技術在逐步提高，監測方式也在增加，為了礦山的安全生產，必須在現有基礎上多加學習研究，充分應用先進技術，從而更好指導礦山安全生產。

［1］《金屬礦山地下開采》，冶金工業出版社.

［2］趙虧、袁海平，《礦山地壓監測》，化學工業出版社.

［3］昆明有色冶金設計研究院，《大紅山鐵礦地壓活動規律及頂板自然崩落規律》.