礦井煤巖爆破損傷范圍探測方法分析

唐忠義，張選山，閆立恒，謝方鵬，王海亮

(1.陜西長武亭南煤業(yè)有限責任公司 淄博礦業(yè)集團，陜西 長武 713600；2.山東科技大學，山東 青島 266590)

爆破作為煤礦開采過程中的一項技術手段，大量運用于沖擊地壓礦井頂?shù)装逍秹杭案咄咚沟V井瓦斯抽采增透方面[1-3].通過爆破使具有沖擊傾向性的煤層與巖體產生大量裂隙，改變其力學性質，降低煤巖體強度，將儲存的彈性能釋放或減少彈性能的儲存上限，使煤巖體達不到發(fā)生沖擊地壓的條件。與直接使用鉆孔抽采瓦斯相比，爆破后產生爆腔和裂隙使瓦斯抽采半徑更大，抽采速度更快。明確爆破的損傷范圍可以優(yōu)化爆破作業(yè)方案設計，因此，一種適用于各自礦井的煤巖爆破損傷范圍探測方法尤為重要。鑒于此，對現(xiàn)有的煤巖爆破損傷探測技術和方法進行闡述，分析各自特點，以方便各礦井選擇合適的方法。

1 間接探測方法與技術

1.1 鉆屑法

鉆屑法主要用于判斷沖擊傾向性，其基本原理是在可能具有沖擊傾向性的煤層中壓力正常段按間距3～5 m、孔深6～8 m布設20個小直徑鉆孔，孔徑通常為42～50 mm.在鉆孔的過程記錄每孔每米的煤粉量，然后用加權平均法計算標準煤粉量并畫出標準煤粉量曲線，標定其煤粉量出現(xiàn)的峰值。在工作面前方巷道壁上鉆鑿小直徑鉆孔，記錄每孔每米煤粉量，然后和標準煤粉量曲線對比，算出其差值，差值超過正常值1倍以上，則表明該區(qū)域已具有沖擊危險性。

檢測爆破有效范圍作為鉆屑法的另一運用[4-5]，其本質是裝藥爆破前后分別在爆破孔周圍等距、等高度布設相同參數(shù)的鉆孔，通過測量總鉆屑量、每米鉆屑量、每米鉆屑的平均粒度等參數(shù)判斷壓力的轉移及爆破作用有效范圍，鉆孔布置見圖1.鉆鑿完爆破孔后，在距爆破孔2～5 m范圍內鉆鑿爆前鉆孔；爆破后，在對應爆破孔的另一側鉆鑿爆后鉆孔，爆破孔間距及鉆孔參數(shù)與爆前鉆孔完全相同。

圖1 鉆孔布置圖

1.2 電磁輻射法

當煤巖體受載荷作用發(fā)生形變和碎裂時，煤巖相鄰塊體發(fā)生相對移動，裂紋表面摩擦產生自由電荷并使其由壓縮區(qū)域向拉伸區(qū)域擴散、運移，從而產生電場與磁場，電場磁場交互產生電磁波，形成電磁輻射。電磁輻射的重要表征指標是其強度和脈沖數(shù)，指標的變化對應著煤巖體發(fā)生形變或碎裂的整個過程，煤巖受到的載荷越大，電磁輻射信號就越強[6-7].電磁輻射強度、脈沖數(shù)與煤巖輻射時的應力關系[8]如下：

(1)

E′=kσ

(2)

式中：

E′—電磁輻射強度，mW·cm-2；

σ—應力，Pa；

k—常數(shù)，與煤巖的彈性模量E、介電常數(shù)ε和所測體積V相關。

(3)

式中：

ΔN—Δσ對應的電磁輻射脈沖數(shù)，mm；

Nm—煤樣全破壞的電磁輻射累計脈沖數(shù)，mm；

m、σ0—Weilbull分布函數(shù)的參數(shù)；

σ1、σ3—軸向應力和圍壓，Pa.

電磁輻射法的強度和脈沖隨輻射能量的大小而變化，近區(qū)的輻射通過檢測器可以探知，對于更遠的輻射和較小的輻射能量探測效果不佳。同時檢測器需安設在特殊位置才能反映井下三維立體的真實狀況，操作要求較高。

1.3 瞬變電磁法

瞬變電磁法基于電磁感應原理，在地面利用發(fā)送線圈向地下發(fā)射一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場穿過地質構造或地質體時產生渦流，渦流大小取決于地質體的導電程度，一次脈沖磁場消失后，該渦流不會立即消失，它在衰減過程中又產生一個二次磁場，由地面接收線圈接收二次磁場的變化情況，該變化可反映地下地質體的電性分布情況。烏東煤礦在+500 m水平B2煤層、B3煤層巷道使用了瞬變電磁法探測圍巖深孔爆破前后視電阻率的分布，生成了視電阻率等值線圖，借此預測了爆破破壞范圍分布[9].瞬變電磁探測作為重要的檢測方法，不僅成圖直觀而且易于操作，但受限于脈沖電磁的強度以及與煤巖性質、地質構造有密切關系，不同條件應用時存在一個有效探測深度，而且探測精度有待提高。

1.4 微震檢測法

在受外加荷載作用下，煤巖體中某一斷層、裂紋等部位會以彈性波的形式釋放能量，微震系統(tǒng)檢波器將此過程的震動波信號轉化為電信號并上傳分區(qū)信息采集站，各個分區(qū)信息采集站將信息匯總傳到井下監(jiān)測主機，監(jiān)測主機上傳至地面中心處理器進行分析處理，生成波形和頻譜特征，主要結構見圖2.據(jù)此推斷煤巖體破碎區(qū)域位置、發(fā)生時間和破裂過程能量的大小變化,推斷高應力區(qū)和應力分布變化情況[10].遠程、動態(tài)、三維和實時監(jiān)測是微震監(jiān)測系統(tǒng)的主要特征，區(qū)別于其他方法，微震系統(tǒng)可以完整地記錄整個微震事件的起止過程。但現(xiàn)在的微震系統(tǒng)應用面較窄，主要是礦山沖擊地壓、頂?shù)装迤茐暮偷V震方面的監(jiān)測，對于水害、火災、充填和預報方面尚處于初始研究階段。我國使用的微震系統(tǒng)主要分為國產和進口兩大類，國內有北京科技大學和中國礦業(yè)大學研發(fā)的微震系統(tǒng)，進口的有加拿大ESG研發(fā)的MMS微震監(jiān)測系統(tǒng)。

圖2 微震系統(tǒng)主要結構圖

1.5 采集對比瓦斯或CO濃度

瓦斯?jié)舛葘Ρ仍谠缙谟糜诒O(jiān)測礦井瓦斯是否超標，后拓展應用于估測煤巖體損傷范圍。爆破前后在瓦斯易積聚點如工作面與回風巷交界處、瓦斯排放口處分別安裝瓦斯傳感器和CO濃度檢測儀，用來實時監(jiān)測瓦斯?jié)舛群虲O濃度變化，分別對比爆破前后瓦斯、CO濃度及單位時間涌出量[11].可以間接估算煤巖體的損傷范圍，但無法直觀地以圖像形式展現(xiàn)具體損傷的位置。此方法僅限于瓦斯礦井，對于非煤礦井或無瓦斯煤礦不適用。其次，在瓦斯礦井中需要在一個瓦斯含量較高的區(qū)域安裝傳感器，低瓦斯區(qū)域監(jiān)測氣體發(fā)生細微的濃度變化,傳感器不容易探測。同時受瓦斯?jié)舛确植疾痪兔簬r孔隙的影響，實時涌出的瓦斯含量變化不能確定的是煤巖破碎所造成的。但這種方法簡單可行，成本低，僅需幾臺瓦斯或CO檢測儀即可，對于高瓦斯礦井的煤巖損傷探測有一定的應用空間。

1.6 地震CT技術

地震波在穿過地質構造和特殊地質時，波的能量和經過時程會出現(xiàn)明顯變化，將這種變化觀測記錄后輸入計算機，根據(jù)模型重新反推地質構造內部的結構形成圖像，原理見圖3.根據(jù)不同物理量可以分為波速成像、吸收系數(shù)成像和泊松比成像；根據(jù)地震波的種類可以分為直達波、反射波、折射波和面波等多種類型進行探測[12].巖體的密度越大，波速越大，因此研究巖體性質最好以波速作為物理量，研究巖體結構和構造時選擇吸收系數(shù)為物理量。這種方法勘測范圍可以很大，操作簡單，但對薄煤層和特殊侵入體的辨別能力不高。

圖3 地震CT檢測原理圖

2 直接探測方法與技術

鉆孔窺視儀[13]，一種伸入炮孔內的攝像裝置，裝置結構見圖4.此裝置支撐桿探頭上安裝有照明裝置和攝像頭。將鉆孔窺視儀的攝像探頭送入鉆孔底部，從孔底向孔外緩慢移動探頭，對鉆孔壁裂隙狀況進行錄像，傳輸?shù)教幚砥鹘浱幚砗铣珊笮纬扇S完整的圖片。待爆破完成后，再次利用窺視儀重復攝像記錄孔內空腔和孔壁情況，對比爆破前鉆孔，估算出裂隙的擴張情況。作為目前唯一一種可以直接觀測到炮孔內部損傷情況的方法，具有操作性強、直觀反映具體情況的優(yōu)勢，攝像范圍也僅限于炮孔近區(qū)，對于光線照射不到的裂紋孔隙就不能攝像，造成實際爆破損傷范圍遠比攝像范圍更大。

圖4 鉆孔窺視儀主要結構圖

3 結 語

計算機技術的快速發(fā)展促進了技術上的革新，開發(fā)了很多新的方法和設備，使探測手段從無到有，從粗糙到精細化，為礦井開采和探測技術提供了積極的作用。隨著礦井開采深度增加和開采條件的惡化，現(xiàn)有的檢測方法和技術同樣面臨挑戰(zhàn)。地底情況復雜程度遠超地面，地應力作用下不同巖性的巖石表現(xiàn)為不同性質和狀態(tài)，也會對探測的結果造成偏差。

對有必要的研究和作業(yè)，可以聯(lián)合多種技術探測，綜合對比分析，同時設計可行可測的現(xiàn)場試驗驗證現(xiàn)有技術的準確性，分析造成其偏差的原因并進行改進。此外，還應結合最新提出的理論，考慮開發(fā)新的技術。