不同沖擊啟動類型的地音前兆信息識別?

夏永學

(1.天地科技股份有限公司開采設計事業部,北京市朝陽區,100013; 2.煤炭科學研究總院開采設計研究分院,北京市朝陽區,100013; 3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室,北京市朝陽區,100013)

不同沖擊啟動類型的地音前兆信息識別?

夏永學1,2,3

(1.天地科技股份有限公司開采設計事業部,北京市朝陽區,100013; 2.煤炭科學研究總院開采設計研究分院,北京市朝陽區,100013; 3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室,北京市朝陽區,100013)

將沖擊地壓地音前兆信息識別方法建立在沖擊地壓機理分析的基礎上,提高了沖擊地壓預測預報的理論依據和可靠性。通過對大量現場實測地音數據分析,獲得了頂板斷裂型、采動高應力型和斷層活化型沖擊地壓的典型地音前兆模式。突變型地音模式適合于用來預測頂板斷裂型沖擊地壓,靈敏性較高;持續穩定型則一般不會出現非穩定的突變狀態,適合采動高應力引發的沖擊地壓預測;波動型地音模式包含類似主震－余震型和前震－主震型兩種,適合于斷層活化型沖擊地壓預測。

沖擊地壓 發生機理 地音監測 前兆信息 模式識別

沖擊地壓是煤礦深部開采所面臨的主要災害之一,對其進行預測預報和控制是實現煤礦安全生產的重要措施。沖擊地壓預測預報的關鍵在于獲得有效的前兆信息并識別其物理機制和規律,而對前兆異常認識的不斷深入是提高沖擊地壓預測預報水平的關鍵所在。沖擊地壓預測理論和方法應建立在相應的監測手段的基礎上,根據監測到的信息與沖擊地壓發生過程的關系,以及這些監測信息的變化規律,建立相應的預測模型與判據。雖然近些年來大量學者對沖擊地壓各種前兆信息進行了廣泛探索,但沖擊前兆信息的識別很少與沖擊地壓發生機理聯系起來,因此對各種監測手段獲得的觀測信息與沖擊地壓之間的相關性仍然存在爭議,這直接影響到預測預報理論和方法的選擇,并導致了完全不同的預測結果。筆者認為,判別某一觀測異常是否屬于的前兆異常,可以從兩個方面考慮:其一,該異常信息是否與沖擊地壓機理直接或間接相關,是否能為沖擊地壓預測預報提供依據;其二,該異常信息能否反映煤巖體的狀態及其發展趨勢,其變化規律能否說明煤巖活動規律以及能否利用相應的理論進行解釋。要實現上述目的,就需要將沖擊地壓預測理論和方法建立在沖擊地壓機理分析的基礎上,根據沖擊地壓發生機理建立和進一步完善沖擊前兆模式及判據,不斷提高預測的客觀性和準確性。基于此,本文以地音監測為例,進行了3種常見的沖擊啟動類型的地音前兆信息識別。

1 地音預測沖擊地壓原理

地音是煤巖受力變形至最終破壞所釋放的物理效應之一,相比于微震,地音屬于一種能量更低、但頻率更高的震動。實驗室和現場監測均表明,煤巖體在外力加載作用下,將伴隨著舊裂隙的閉合、新裂隙的產生和裂紋擴展,這一過程將釋放大量的地音信號。沖擊地壓的孕育、發展和啟動的過程正是煤巖體微裂隙產生、擴張到最終斷裂的過程,可見沖擊地壓地音前兆是煤巖沖擊孕育過程中的產物,地音信號的大小、多少反映了煤巖損傷狀態,與沖擊危險性直接相關。又由于監測到的地音分布是一種統計分布規律,因此,可以建立起統計損傷與地音的關系:

式中:σ——應力值,Pa;

E——彈性模量,Pa;

ε——應變量;

Ω——地音累積數,個;

Ω0——巖石(體)加載至最終破壞的地音總數,個。

式(1)說明地音累積是巖石損傷程度的直接反映。換言之,可以通過監測得到的地音活動特征來推斷巖石變形破壞情況。而對一個既定的煤巖系統來說,地音能量水平的高低及其變化規律往往對應著煤巖的不同破壞階段。由此可見,煤巖體在采掘活動的影響下產生不同的地音強度,與煤巖體的破壞狀態有著密切的關系。通過監測井巷采場附近煤巖體的地音情況,就可能了解沖擊地壓的孕育和發展過程,換言之,在有沖擊地壓危險的礦井,地音活動包含了沖擊地壓的前兆信息。

2 頂板斷裂誘發沖擊地壓前兆信息識別

2.1 頂板斷裂誘發沖擊地壓的機理

統計表明,大多數沖擊地壓礦井均存在厚層堅硬頂板。厚層堅硬頂板對沖擊地壓的影響,其一是使局部煤體垂直應力集中程度更高,能量密度更大,其二是頂板的大面積突然斷裂形成的強烈動載瞬間導致煤巖體的動力失穩。頂板斷裂型沖擊地壓能量來源分為兩類,即斷裂前巷道圍巖近場系統內靜載荷和斷裂后遠場系統外動載荷。系統內靜載荷為采動應力場形成后,以采動圍巖中的集中壓縮彈性能、頂底板(巖層)彎曲斷裂前產生的彎曲彈性能為主,通常與煤層埋藏深度、構造應力、懸頂面積、煤柱留設等有關。系統外動載以大面積堅硬頂板突然斷裂產生的瞬間壓縮彈性能為主。頂板斷裂型沖擊地壓是處于準靜態平衡的煤巖體,在頂板斷裂形成強烈動載的瞬間作用下達到沖擊啟動條件而產生的動力破壞現象。

沖擊地壓形成條件可表示為:

式中:ER——沖擊剩余能量,J;

EE——靜載作用下煤巖中儲存的彈性能,J;

EU——頂板斷裂時動載疊加的能量,J;

EB——沖擊時消耗的能量,J。

根據廣義虎克定理三向受力狀態下的任意一點系統內靜載荷－煤體彈性應變能計算為:

式中:E——彈性模量,Pa;

μ——泊松比;

σ1、σ2、σ3——3個方向的主應力值,Pa。

假設震源處的初始能量為E0(該值可由微震監測系統獲得),應力波在周圍巖體中傳播衰減后動載疊加的能量EU為:

式中:E0——震源處的初始能量,J;

d——沖擊震源距離巷道的距離,m;

r——巷道半徑,m;

η——應力波衰減系數,該值取決于圍巖巖性。

在不考慮巷道支護的條件下,根據巖體動力破壞的最小能量原理:無論在一維、二維或三維應力狀態下巖體動力破壞所需要的能量總是一維應力狀態下破壞所消耗的能量。因此,該巷道發生失穩破壞,其單軸壓縮破壞準則為煤巖體應力大于其單軸抗壓強度,即σ＞σc,對應的能量消耗準則為:

式中:σc——巖石單軸抗壓強度,Pa。

將式(3)～(5)代入式(2)中,可獲得沖擊地壓啟動的能量判據為:

2.2 頂板斷裂誘發沖擊地壓地音前兆信息識別

大面積頂板斷裂易引發高能量微震事件甚至沖擊地壓,其發生過程具有突發性,而且斷裂導致煤巖應力重新分布的持續時間也較為短暫。圖1為頂板斷裂誘發高能沖擊事件的典型地音活動模式,在這種模式下,煤巖系統沖擊失穩前,地音的頻次和能量一般沒有明顯變化,而一旦發生破壞,地音的頻次和能量就會出現急劇的增長,造成沖擊災害的可能性也較大。

圖1 頂板斷裂誘發高能沖擊事件的典型地音信號特征

大量現場實測表明,周期來壓前,地音頻次和能量一般有明顯增加,這種變化與頂底板條件和煤層條件都密切相關。一般來說,頂板厚度越大、巖性越強則地音能量釋放速率變化越明顯,頂板斷裂前地音突跳幅度也越大。頂板斷裂誘發沖擊地壓的地音前兆時間一般較短,從數分鐘到數小時不等。某工作面地音頻次與支架壓力的關系曲線見圖2,通過與周期來壓前后支架壓力監測對比分析表明,地音頻次的增加具有超前支架壓力變化的特性,借助地音活動這一特性實現對工作面周期來壓的預測預報是地音監測的工程應用方向之一。

圖2 某工作面地音頻次與支架壓力的關系曲線

3 采動高應力引發沖擊地壓前兆信息識別

3.1 采動高應力引發沖擊地壓的機理

根據巖體破壞和沖擊地壓孕育規律,應力非均勻性和應變局部化是沖擊地壓形成的重要原因,該過程除了受到巖體變形和應力重新分布過程的作用之外,還主要受開采活動的控制,當采掘活動形成的移動支承壓力與區域背景應力(殘余構造應力、固定支承壓力、煤柱應力等)相疊加后造成的采動高應力區的存在是沖擊地壓發生的主要原因之一。

通過分析表明,采動高應力引發的沖擊地壓與頂板斷裂型沖擊地壓的作用機理是不一樣的,頂板斷裂型沖擊地壓是在堅硬頂板突然斷裂形成的強烈動載的作用下,處于準靜態平衡的煤巖體發生動力失穩的結果,該類型的煤巖沖擊啟動所需的能量是在動載的幫助下瞬間達到的。而采動高應力引發的沖擊地壓是在靜載作用下緩慢達到,此時煤巖系統已處于極限平衡狀態,任何一個輕微擾動都有可能導致突然失穩而誘發沖擊。若不考慮巷道支護,采動高應力引發巷道煤巖沖擊破壞的判據表示如下:

式中:P?——沖擊臨界載荷,Pa;

σc——巖石單軸抗壓強度,Pa;

q——支護應力,Pa;

λ——降模量,Pa;

E——彈性模量,Pa。

沖擊臨界載荷只與煤巖本身物理力學性質有關,當應力的緩慢增長達到至該值時,積聚在煤巖體深部處于彈性狀態的高應力核區將會突然啟動,此時若巷道淺部煤巖及支護體構成的阻力區不能全部消耗動力區釋放的能量,剩余的部分將會以沖擊波等形式顯現出來,對巷道圍巖和支護結構造成沖擊破壞。

3.2 采動高應力引發沖擊地壓的地音前兆信息識別

采掘活動常常產生臨時性的地音現象,在采掘活動停止時,這種地音活動迅速減弱甚至消失。當監測區域在采動超前支承壓力影響范圍之外時,地音事件很少,能量很低。隨著工作面的推進,監測區域開始受到采動應力的影響,煤巖裂紋擴展和新裂隙的產生逐漸增加,此時地音事件和能量也都呈現不斷增長的趨勢。在超前支承壓力顯著影響區域(即壓力峰值區附近),地音活動出現高峰,在該區域將可能伴隨著一定范圍內局部煤巖體的斷裂破壞,并可能誘發強烈沖擊顯現。在此之后,由于前期煤巖裂隙發展和斷裂消耗了大量能量,導致地音的頻度和強度迅速降低,地音活動逐步趨于平靜。

采動高應力引發沖擊地壓的地音活動一般具有較好的連續性,其典型地音活動模式如圖3所示,該模式與采動應力的變化特征具有一致性,即隨著應力的持續緩慢增長,煤巖系統逐漸由平衡態向非平衡態轉變,此時,地音能量和頻次也呈現持續緩慢的增長,達到一定程度后將引發煤巖失穩,甚至沖擊地壓。

圖3 采動高應力引發沖擊地壓的典型地音信號特征

4 斷層活化誘發沖擊地壓前兆信息識別

4.1 斷層活化誘發沖擊地壓的機理

沖擊地壓發生的統計規律表明,在斷層等地質構造附近往往更容易發生沖擊地壓。斷層對沖擊地壓的影響可表現在兩個方面:其一,斷層附近本身存在較高的殘余構造應力,在工作面向斷層推進過程時,超前支承壓力峰值不斷地向斷層接近,當工作面推進至距斷層一定距離時,斷層本身構造應力與工作面超前支承壓力疊加,使斷層附近的支承壓力增高,當滿足沖擊條件時,可以誘發煤層或頂底板型的沖擊地壓;其二,在采掘工作面推進至斷層附近時,引起斷層本身的突然錯動,也容易導致沖擊地壓的發生。第二種類型的沖擊地壓也稱為斷層活化型沖擊地壓,具有沖擊范圍廣、釋放能量高、發生突然而猛烈的特點,容易造成巨大的破壞和嚴重的后果。

斷層活化誘發沖擊地壓的機理如圖4所示,工作面推進引起煤巖垂直應力的增加,在采動影響較小時,附加應力也較小,斷層上下盤處于穩定狀態。隨著工作面的不斷推進,斷層積聚的應力和應變能不斷增加,斷層活化前,支承壓力與斷層兩盤之間的摩擦力恰好處于臨界平衡狀態,此時輕微的擾動將破壞這種平衡,造成煤體局部承載力的降低,進而使斷層帶的剪應力升高,當剪應力超過兩盤的摩擦力時,斷層出現不穩定滑移,斷層的快速滑動對圍巖產生沖擊效應。此外,斷層兩盤的相對滑動是一個振蕩過程,由此誘發的沖擊地壓往往具有間歇性,因此,在斷層附近,沖擊地壓的發生往往具有重復性。

圖4 斷層活化誘發高能震動示意圖

4.2 斷層誘發沖擊地壓的地音前兆信息識別

斷層活化誘發沖擊地壓的地音活動特征最為復雜,主要有如圖5所示的兩種模式:第一種是地音活動在持續增加到一定程度后突然出現沉寂現象,之后很短的時間內又重新出現急劇增加,這個過程可能會反復出現多次。這與地震的發生具有相似性,地震研究表明,在一些大地震發生之前,觀測到地震活動的沉寂現象。在這里,地音活動沉寂期間巖體發生沖擊破壞,而過后在較低的應力作用下巖石又重新產生地音現象,但此時釋放的能量較小,這種地音時間序列與主震－余震型地震序列相似。第二種是地音活動在很短期內突然增加到很高的值,之后發生沖擊破壞,隨后地音活動會出現較短的沉寂期,然后再次出現增長,隨后發生更大的沖擊,這種地音時間序列與前震－主震型地震序列相似。

圖5 斷層活化誘發沖擊地壓的典型地音信號特征

5 結論

(1)地音活動反映了煤巖裂隙的產生和發展過程,是沖擊地壓孕育初始階段的產物,通過地音監測進行沖擊地壓預測預報具有較好的應用價值。

(2)不同沖擊啟動類型的前兆地音活動特征是不同的,研究表明突變型地音模式適合于用來預測頂板斷裂型沖擊地壓,且具有較好的靈敏性;持續穩定型則一般不會出現非穩定的突變狀態,適合采動高應力引發的沖擊地壓預測;波動型地音模式包含類似主震－余震型和前震－主震型兩種,適合于斷層活化型沖擊地壓預測。根據監測區域的沖擊地壓啟動類型進行危險前兆信息的識別有助于降低誤報,對提高沖擊地壓預測預報水平是有利的。

(3)由于沖擊地壓發生的極為復雜性,單一手段的預測預報水平還是有限的,實際上往往需要運用多學科、多種觀測方法對異常信息進行綜合分析和處理,方能作出準確預報。

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(責任編輯 張毅玲)

重慶市研發低透煤層揭煤工法

日前,從重慶能源集團獲悉,該集團旗下的巨能集團和科技公司聯合研發的“低透突出煤層石門揭煤技術控制水力壓裂關鍵技術研究及應用”工法通過中國煤炭建設協會組織的工法評審。該工法瓦斯抽采效率比常規方法高4倍以上,整個揭煤過程所耗費的時間將縮短約1/3。

Precursor information identification of rock noise in different startup types of rock burst

Xia Yongxue1,2,3
(1.Coal Mining and Designing Department,Tiandi Science and Technology Co.,Ltd.,Chaoyang,Beijing 100013,China; 2.Mining Design and Research Branch Institute,China Coal Research Institute,Chaoyang,Beijing 100013,China; 3.State Key Laboratory of Coal Resources Efficient Mining and Clean Utilization,Chaoyang,Beijing 100013,China)

The method of precursor information identification of rock noise was developed on the basis of mechanism analysis of rock burst,and it improved the theoretical basis and reliability of forecast and prediction of rock burst.According to a large number of rock noise data from field measurement,three typical rock noise precursor patterns were confirmed,respectively were roof fracture type,high stressing mining type and fault activation type.Mutant type rock noise pattern was suitable for forecasting the rock burst of roof fracture type and it had high sensibility; the sustained and stable type was generally not a non-steady state of mutation and suitable for forecasting the rock burst caused by high stressing mining;the fluctuating type pattern contained similar mainshock-aftershock type and foreshock-mainshock,which was suitable for fault activation type.

rock burst,occurrence mechanism,rock noise monitoring,precursor information,pattern recognition

TD 324

A

夏永學(1980－),男,湖南臨武人,博士,副研究員,2005年畢業于湖南科技大學資源學院,現在天地科技股份有限公司開采設計事業部從事礦山壓力與頂板管理、沖擊地壓方面的研究工作。

國家自然科學基金項目(51304116),國家科技支撐計劃(十二五)項目(2012BAK09B01－06)