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标题

声发射预测冲击地压技术研究

范文

梁云超李凌烜

摘? 要：从目前来看，声发射预测冲击地压的普及仍然存在着各种各样的问题。该文通过概述冲击地压，并在分析声发射与煤岩体损伤破坏关系的基础上，阐述声发射与冲击地压危险性的关系，浅议试验地点及安装工艺，同时具体探究灾变前后的AE指标，以供同行参考。

关键词：声发射;预测;冲击地压技术

中图分类号： TD713? ? ? ? ? 文献标志码：A

0 引言

随着煤矿开采深度的不断增加，冲击地压也有逐渐增长的趋势，这严重威胁到了我国煤炭工业的进一步发展。如何对其进行有效的预测预报，已成为人们迫切解决的重要问题。基于此，详细研究声发射预测冲击地压技术尤为重要。

1 冲击地压

冲击地压通常发生于煤矿井下，是一种煤岩突发性破坏事件。在开采煤炭时，受地质构造影响极大，岩体所处的应力状态由三向压缩转变为双向压缩，这在一定程度上减弱了岩石强度，使岩煤体应力高度集中，将煤层周围的弹性变形岩石的潜能积聚起来[1]。

当应力超过了正常使用的极限状态，就会瞬间释放大量的弹性能，发生剧烈破坏，震动和暴风也随之开始。冲击地压一旦发生，就会造成运、采、掘、支设备严重损坏，巷道断面极具收缩，支护结构严重破坏，甚至给作业人员造成重大伤亡。

除此之外，冲击地压还会引起特别重大的其他矿井灾害，其中包括水灾、火灾、瓦斯爆炸、煤尘等。从目前来看，我国煤矿冲击地压的特征，主要体现在4个方面。1）具有突发性。冲击地压在未发生前，一般没有明显的征兆，虽经过仔细寻找，但并无空响声。冲击是骤然的，冲击的持续时间是短暂的，通常为几秒到几十秒。2）具有多样性，一般表现为煤爆，煤层冲击是最常见的，少数矿井还发生过岩爆。在煤层冲击中，常常有大量煤块甚至上百立方米的煤体突然破碎并从煤壁抛出，堵塞巷道，并伴有很强的高温气浪。3）具有破坏性。往往造成顶板下沉、人员伤亡。4）具有复杂性。在一定的地形地质条件下，受各种自然或人为因素的影响，煤种采深不低于2 00 m，不超过1 000 m，地质结构形式由单一到复杂，煤层厚度由薄层到厚层，以及地质倾斜由水平角度到垂直角度，都因砂岩石和灰岩的存在而发生冲击地压[2]。除此之外，冲击地压可以根据显现强度、震级强度和抛出的煤量、发生的不同地点和位置、应力状态进行分类。具体见表1。

2 声发射与煤岩损伤破环的关系

由于受制造原因和外部因素的直接作用，而导致的损伤。损伤分布于整个材料介质内的微缺陷或微裂纹。从细观的物理学的观点来看，损伤是材料组分晶粒的微裂痕、微孔洞、位错等微缺陷形成和发展的结果。而从宏观来说，损伤是一种不可逆的、耗能的演变过程[3]。损伤力学，是材料与结构的变形和破坏理论的很重要的组成部分，是利用宏观变量来研究微观变化对材料性质的影响。岩石是一种或多种矿物组成的，具有一定结构构造的集合体。受地质体、不均质性、时间因素影响，岩石内部存在着各种缺陷。在受到各种力的作用下，这些缺陷将会引起应力集中，产生扩展、贯通、闭合甚至成核[4]。

值得注意的是，声发射又被称为应力波发射，它是一种常见的物理现象，是指物体在受力时，形状很容易发生改变，在形状改变时，会释放一定的弹性能量，从而产生瞬间态应力波。从目前来看，声发射不仅与这些缺陷的繁衍过程相关，还与材料内部的缺陷有着很大的关系。要想帮助人们有效了解冲击地压的发生机理，仅利用声发射技术分析冲击地压的孕育过程是远远不够的，还需要借助损伤力学的观点。煤岩体声发射是一种弹性波，它是在煤岩体变形破裂时产生的。

而损伤是煤岩体内部微缺陷或微裂隙生长与扩展的结果，所以，它直接影响着煤岩体内部微缺陷的演化关系。由此可见，损伤与声发射之间存在着一定的因果关系。又由于声发射过程具有随机性，因此可以用统计的方法来获取声发射过程中的性能参数，以此来建立损伤与声发射的关系。煤岩体损伤程度越高，声发射事件数就越多。换句话说，可以根据声发射特征，对岩石破坏演化的类型进行推断。对于一个既定的煤岩系统来说，声发射能量水平的高低及其变化规律往往与煤岩的不同破坏类型相对应。不难看出，煤岩体在采掘活动的影响下产生不同的声发射类型，与煤岩体的破坏和运动形式有着必然联系。

3 声发射与冲击地压危险性的关系

煤岩体在遭到破坏时会导致地壳不稳定，这种不稳定会产生一种动力现象，称为冲击地压。从破坏程度上来讲，这种冲击地压的破坏程度是巨大的。而从破坏现象来看，煤岩体微观破裂时产生声发射，而冲击地压则是煤岩体宏观破裂肉眼可见的一个现象。

造成冲击地压的原因有很多，从根本上讲是地壳构造运动变化而产生的弹性变形带来的强大储存能量的爆发[5]。因此，在没有做好充足准备的情况下，无法确定释放能量的多少，很大程度上会出现冲击地压的现象。从目前来看，造成煤岩体脆弱破坏的3个基本准则是煤岩体破坏准则、能量准则和冲击倾向准则。

换言之，煤岩体的破坏事实上就是煤岩体出现裂隙。这些裂隙会随着破坏程度逐渐扩展。在扩展过程中就会产生声发射的声学效应。煤岩体发生破坏时能量的释放就是通过声发射的强弱信号来体现的[6]。与此同时，声发射的强弱信号也是煤岩体冲击程度强弱的判断标准之一。综上所述，声发射与冲击地压关系密切，煤岩体的声发射传播速度较快。因此，可以充分利用声发射对煤岩体是否遭到破坏作出科学合理的判断。

4 试验地点及安装工艺

试验地点选定在某实验室，监测地点定在该实验室的回风巷，距回采实验室66 m处（孔底传感器）、30 m处（波导杆传感器）。孔底传感器采用水泥加黄泥孔底封孔的安装方式，孔径为42 mm，孔深为12 m。经过一段时间压实煤体，使实体煤牢固接触在传感器上。

5 灾变前后AE指标分析

在进行试验的过程中，该实验室共发生过5次有记录的冲击地压，并且日常生产过程中频繁出现响煤炮现象。笔者通过选择合理的AE指标及统计时间单位，绘制了冲击地压前后 AE指标变化曲线，在此随机选择1次冲击地压前后的AE指标变化曲线进行说明。具体如图1所示。

从图1分析可以看出，灾变的前兆特征有4点。1）灾变前，AE指标趋势明显。2）灾变前，AE指标出现了2到3次的离散波动。3）灾变前，AE指标大趋势上升，且上升后仍处于高位波动。4）灾变点位于指标曲线的峰值点或峰值后临近峰值的下降段。综合以上分析可知，声发射技术预测预报冲击地压动力灾害效果是十分明显的。

6 结语

总的来说，冲击地压往往是影响煤炭生产的一种破坏性较大的动力灾害，对冲击地压的研究，尤其是对声发射预测冲击地压技术的研究越来越受到人们的重视，这主要是因为声发射技术能够有效准确预测冲击地压灾害，这对减少冲击地压造成的危害，起到了十分显著的作用。

参考文献

[1]刘卫东.冲击地压预测的声发射信号处理关键技术研究[D].北京：中国矿业大学，2019.

[2]郭建卿.液固全耦合爆破致裂防治冲击地压机理与应用研究[D].北京：中国矿业大学，2017.

[3]王超.基于未确知测度理论的冲击地压危险性综合评价模型及应用研究[D].北京：中国矿业大学，2011.

[4]朱清安，史蒙.冲击地压的混沌特性及动力模型研究[J].辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2018（24）：14-17.

[5]王蓓，吴继忠，Bernard DRZEZLA.采矿地质因素評定冲击地压危险[J].矿山压力与顶板管理，2018（4）：33-35.

[6]兰天伟.大台井冲击地压动力条件分析与防治技术研究[D].阜新：辽宁工程技术大学，2016：112-113.

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