聲發射預測沖擊地壓技術研究

梁云超 李凌烜

摘? 要：從目前來看，聲發射預測沖擊地壓的普及仍然存在著各種各樣的問題。該文通過概述沖擊地壓，并在分析聲發射與煤巖體損傷破壞關系的基礎上，闡述聲發射與沖擊地壓危險性的關系，淺議試驗地點及安裝工藝，同時具體探究災變前后的AE指標，以供同行參考。

關鍵詞：聲發射;預測;沖擊地壓技術

中圖分類號： TD713? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

隨著煤礦開采深度的不斷增加，沖擊地壓也有逐漸增長的趨勢，這嚴重威脅到了我國煤炭工業的進一步發展。如何對其進行有效的預測預報，已成為人們迫切解決的重要問題。基于此，詳細研究聲發射預測沖擊地壓技術尤為重要。

1 沖擊地壓

沖擊地壓通常發生于煤礦井下，是一種煤巖突發性破壞事件。在開采煤炭時，受地質構造影響極大，巖體所處的應力狀態由三向壓縮轉變為雙向壓縮，這在一定程度上減弱了巖石強度，使巖煤體應力高度集中，將煤層周圍的彈性變形巖石的潛能積聚起來[1]。

當應力超過了正常使用的極限狀態，就會瞬間釋放大量的彈性能，發生劇烈破壞，震動和暴風也隨之開始。沖擊地壓一旦發生，就會造成運、采、掘、支設備嚴重損壞，巷道斷面極具收縮，支護結構嚴重破壞，甚至給作業人員造成重大傷亡。

除此之外，沖擊地壓還會引起特別重大的其他礦井災害，其中包括水災、火災、瓦斯爆炸、煤塵等。從目前來看，我國煤礦沖擊地壓的特征，主要體現在4個方面。1）具有突發性。沖擊地壓在未發生前，一般沒有明顯的征兆，雖經過仔細尋找，但并無空響聲。沖擊是驟然的，沖擊的持續時間是短暫的，通常為幾秒到幾十秒。2）具有多樣性，一般表現為煤爆，煤層沖擊是最常見的，少數礦井還發生過巖爆。在煤層沖擊中，常常有大量煤塊甚至上百立方米的煤體突然破碎并從煤壁拋出，堵塞巷道，并伴有很強的高溫氣浪。3）具有破壞性。往往造成頂板下沉、人員傷亡。4）具有復雜性。在一定的地形地質條件下，受各種自然或人為因素的影響，煤種采深不低于2 00 m，不超過1 000 m，地質結構形式由單一到復雜，煤層厚度由薄層到厚層，以及地質傾斜由水平角度到垂直角度，都因砂巖石和灰巖的存在而發生沖擊地壓[2]。除此之外，沖擊地壓可以根據顯現強度、震級強度和拋出的煤量、發生的不同地點和位置、應力狀態進行分類。具體見表1。

2 聲發射與煤巖損傷破環的關系

由于受制造原因和外部因素的直接作用，而導致的損傷。損傷分布于整個材料介質內的微缺陷或微裂紋。從細觀的物理學的觀點來看，損傷是材料組分晶粒的微裂痕、微孔洞、位錯等微缺陷形成和發展的結果。而從宏觀來說，損傷是一種不可逆的、耗能的演變過程[3]。損傷力學，是材料與結構的變形和破壞理論的很重要的組成部分，是利用宏觀變量來研究微觀變化對材料性質的影響。巖石是一種或多種礦物組成的，具有一定結構構造的集合體。受地質體、不均質性、時間因素影響，巖石內部存在著各種缺陷。在受到各種力的作用下，這些缺陷將會引起應力集中，產生擴展、貫通、閉合甚至成核[4]。

值得注意的是，聲發射又被稱為應力波發射，它是一種常見的物理現象，是指物體在受力時，形狀很容易發生改變，在形狀改變時，會釋放一定的彈性能量，從而產生瞬間態應力波。從目前來看，聲發射不僅與這些缺陷的繁衍過程相關，還與材料內部的缺陷有著很大的關系。要想幫助人們有效了解沖擊地壓的發生機理，僅利用聲發射技術分析沖擊地壓的孕育過程是遠遠不夠的，還需要借助損傷力學的觀點。煤巖體聲發射是一種彈性波，它是在煤巖體變形破裂時產生的。

而損傷是煤巖體內部微缺陷或微裂隙生長與擴展的結果， 所以，它直接影響著煤巖體內部微缺陷的演化關系。由此可見，損傷與聲發射之間存在著一定的因果關系。又由于聲發射過程具有隨機性，因此可以用統計的方法來獲取聲發射過程中的性能參數，以此來建立損傷與聲發射的關系。煤巖體損傷程度越高，聲發射事件數就越多。換句話說，可以根據聲發射特征，對巖石破壞演化的類型進行推斷。對于一個既定的煤巖系統來說，聲發射能量水平的高低及其變化規律往往與煤巖的不同破壞類型相對應。不難看出，煤巖體在采掘活動的影響下產生不同的聲發射類型， 與煤巖體的破壞和運動形式有著必然聯系。

3 聲發射與沖擊地壓危險性的關系

煤巖體在遭到破壞時會導致地殼不穩定，這種不穩定會產生一種動力現象，稱為沖擊地壓。從破壞程度上來講，這種沖擊地壓的破壞程度是巨大的。而從破壞現象來看，煤巖體微觀破裂時產生聲發射，而沖擊地壓則是煤巖體宏觀破裂肉眼可見的一個現象。

造成沖擊地壓的原因有很多，從根本上講是地殼構造運動變化而產生的彈性變形帶來的強大儲存能量的爆發[5]。因此，在沒有做好充足準備的情況下，無法確定釋放能量的多少，很大程度上會出現沖擊地壓的現象。從目前來看，造成煤巖體脆弱破壞的3個基本準則是煤巖體破壞準則、能量準則和沖擊傾向準則。

換言之，煤巖體的破壞事實上就是煤巖體出現裂隙。這些裂隙會隨著破壞程度逐漸擴展。在擴展過程中就會產生聲發射的聲學效應。煤巖體發生破壞時能量的釋放就是通過聲發射的強弱信號來體現的[6]。與此同時，聲發射的強弱信號也是煤巖體沖擊程度強弱的判斷標準之一。綜上所述，聲發射與沖擊地壓關系密切，煤巖體的聲發射傳播速度較快。因此，可以充分利用聲發射對煤巖體是否遭到破壞作出科學合理的判斷。

4 試驗地點及安裝工藝

試驗地點選定在某實驗室，監測地點定在該實驗室的回風巷，距回采實驗室66 m處（孔底傳感器）、30 m處（波導桿傳感器）?？椎讉鞲衅鞑捎盟嗉狱S泥孔底封孔的安裝方式，孔徑為42 mm，孔深為12 m。經過一段時間壓實煤體，使實體煤牢固接觸在傳感器上。

5 災變前后AE指標分析

在進行試驗的過程中，該實驗室共發生過5次有記錄的沖擊地壓，并且日常生產過程中頻繁出現響煤炮現象。筆者通過選擇合理的AE指標及統計時間單位，繪制了沖擊地壓前后 AE指標變化曲線，在此隨機選擇1次沖擊地壓前后的AE指標變化曲線進行說明。具體如圖1所示。

從圖1分析可以看出，災變的前兆特征有4點。1）災變前，AE指標趨勢明顯。2）災變前，AE指標出現了2到3次的離散波動。3）災變前，AE指標大趨勢上升，且上升后仍處于高位波動。4）災變點位于指標曲線的峰值點或峰值后臨近峰值的下降段。綜合以上分析可知，聲發射技術預測預報沖擊地壓動力災害效果是十分明顯的。

6 結語

總的來說，沖擊地壓往往是影響煤炭生產的一種破壞性較大的動力災害，對沖擊地壓的研究，尤其是對聲發射預測沖擊地壓技術的研究越來越受到人們的重視，這主要是因為聲發射技術能夠有效準確預測沖擊地壓災害，這對減少沖擊地壓造成的危害，起到了十分顯著的作用。

參考文獻

[1]劉衛東.沖擊地壓預測的聲發射信號處理關鍵技術研究[D].北京：中國礦業大學，2019.

[2]郭建卿.液固全耦合爆破致裂防治沖擊地壓機理與應用研究[D].北京：中國礦業大學，2017.

[3]王超.基于未確知測度理論的沖擊地壓危險性綜合評價模型及應用研究[D].北京：中國礦業大學，2011.

[4]朱清安，史蒙.沖擊地壓的混沌特性及動力模型研究[J].遼寧工程技術大學學報（自然科學版），2018（24）：14-17.

[5]王蓓，吳繼忠，Bernard DRZEZLA.采礦地質因素評定沖擊地壓危險[J].礦山壓力與頂板管理，2018（4）：33-35.

[6]蘭天偉.大臺井沖擊地壓動力條件分析與防治技術研究[D].阜新：遼寧工程技術大學，2016：112-113.