浅谈煤矿冲击矿压(地压)传感监测网络.pdf

第3 2 卷 2 0 1 2 年0 8 月 矿冶工程 M I N I N GA N DM E T A L L U R G I C A LE N G I N E E R I N G V 0 1 ．3 2 A u g u s t2 0 1 2 浅谈煤矿冲击矿压 地压 传感监测网络① 李嘉鹏 中国矿业大学应用技术学院，江苏徐州2 2 1 1 1 6 摘要冲击矿压是煤矿动压现象的主要形式，冲击矿压是影响煤矿安全开采主要问题之一，本文重点探讨了煤矿开采过程中所 产生的冲击矿压的及时监测预报方法。 关键词煤矿开采；冲击矿压；冲击地压；监测网络 中图分类号T D 3 2 4文献标识码A文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 2 0 8 0 5 2 8 0 4 煤矿开采过程中，在高应力状态下积聚了大量弹 性能的煤或岩体，在一定条件下能量突然释放的动力 现象称煤矿动压现象。冲击矿压是煤矿动压现象的主 要形式，弹性能量突然释放，在井巷发生爆炸性事故， 产生的动力将煤岩抛向巷道，同时发生强烈声响，造成 煤岩体振动和煤岩体破坏，支架与设备损坏，人员伤 亡，部分巷道垮落破坏等。 对于冲击矿压现象，世界各国不同行业，对其称谓 是不一样的，常见有“岩爆”、“煤爆”、“冲击矿压”、 “冲击地压”、“矿山冲击”等。通常情况下，冲击矿压 会直接将煤岩抛向巷道，引起岩体的强烈震动、产生强 烈声响，造成岩体的破断和裂缝扩展，破坏井巷工程。 冲击矿压具有突发性、瞬时震动性、巨大破坏性、复杂 性等明显特征。冲击矿压按其显现强度及释放的能量 等进行分类。 第一，矿震。深部的煤岩体发生破坏。煤岩并不 向已采空间抛出，只有片帮或塌落现象，但有明显震 动，伴有巨大声响，有时产生煤尘。较弱的矿震称为微 震，也称为“煤炮”。第二，弱冲击。部分煤或岩石向 已采空间抛出，但破坏性不很大，对支架、机器和设备 基本无损坏，围岩产生震动，一般震级在2 ．2 级以下伴 有很大声响，产生煤尘，在瓦斯煤层中可能有大量瓦斯 涌出。第三，强冲击。部分煤或岩石急剧破碎，大量向 已采空问抛出，出现支架折损、设备移动和围岩震动， 震级在2 ．3 级以上伴有巨大声响，产生大量煤和冲 击波。 综上所述，在煤矿开采中冲击矿压对于生产以及 工作人员的安全危害是巨大的。所以针对煤矿开采过 程中产生冲击矿压要做到及时监测预报，从而避免事 故的发生。 现有的针对冲击矿压的监测预测方法主要利用岩 石破断向外辐射电磁能量的特性进行电磁辐射监测。 据资料记载从2 0 世纪9 0 年代开始，中国矿业大学对 载荷作用下煤体的电磁辐射特性及规律进行了较深入 的定性和定量研究。研究表明，电磁辐射是煤岩体受 载变形破裂过程中向外辐射电磁能量的一种现象，与 煤岩体的变形破裂密切相关。煤岩体的组成及结构相 当复杂，包括许多矿物质，是典型的非均质材料。当煤 岩体发生不均匀应变时，压缩区域的自由电荷浓度升 高，而低应力区域或拉伸区域的自由电荷浓度降低，这 必然使自由电荷由高浓度区域向低浓度区域扩散，运 移。低速扩散过程中产生低频电磁辐射，并在煤体表 面积累表面电荷。裂隙扩展时，在裂纹表面受拉区域 出现表面电荷，极性为负，在裂纹表面受压的区域出现 正电荷。在裂纹尖端形成了运动的偶极子群。裂纹尖 端的煤体本相处受拉区域表现为负电荷，这就是产生 电子加速的原因，而周围的压应力区带正电。发射出 来的低速运动带电粒子在电场的作用下加速，由于可 能形成了大量的带电粒子，因此可能会产生从低频电 磁辐射到x 光的宽频带电磁辐射。通过传感器测煤 壁的电磁辐射的变化，通过煤岩应力与电磁辐射的耦 合规律从而通过计算分析得出煤岩应力变化趋势，做 到对冲击矿压的监测预报，从而保证了生产安全。 1 创新监测设计 在冲击矿压的监测预报上，除了采用通过传感器 监测煤壁的电磁辐射变化，还可以通过声波探测装置、 重力仪、地电监测仪器和红外遥感监测装置共同监测 煤岩巷道的冲击矿压变化，同时通过多种设备共同探 测数据进行综合汇总分析从而得出更为客观全面的数 ①收稿日期2 0 1 2 旬2 ．1 0 作者简介李嘉鹏 1 9 9 0 一 ，男，山西介休人，硕士研究生，主要研究方向为煤炭综合电气机械化开采。 万方数据 2 0 1 2 年0 8 月李嘉鹏浅谈煤矿冲击矿压 地压 传感监测网络 据，同时也构成了冲击矿压检测网络。 采矿声波法主要用来解决开采方面的地质问题和 技术问题。采矿声波法的特点是声波研究的非破坏 性，从较大范围的岩石体内直接获得信息。与其它方 法相比，获取信息成本低，声波方法技术含量高，在岩 体原有或开采引发的应力变化时，观测的声波参数信 息量准确。目前根据采矿地质条件及其研究目的，采 矿声波方法主要有采矿巷道中的声波剖面法、巷道之 间的声波透视法、钻孔中的声波剖面法、钻孔之间的声 波透视法。根据资料记载，我国目前声波检测传感器 主要有固定式连续声发射监测探头和流动声发射监测 探头。当开采中煤岩巷道应力发生变化时，会产生一 定的声发射脉冲能量波以及震荡波，传感器会收集到 这些脉冲能量波，从而起到对煤岩巷道监测作用。 声发射探头总是布置在上下两平巷的煤壁或顶板 之中。探头一般设在1 ．5m 以上的钻孔中，以便避开 巷道周边的破碎带。在回采工作面进行监测时，近的 探头距工作面4 0m ，远的探头距离工作面1 1 0m 。如 果探头的去噪效果较好的话，探头布置在距工作面2 0 m 处。在掘进巷道进行监测时，探头布置在距掘进面 3 0 ～1 0 0m 之问。一般来说，探头的布置应避开断层、 煤层尘灭和老巷等阻尼大的地点。 开采引起的重力场通过重力法进行观测。重力法 是一种地球物理方法，它根据地层中岩石介质质量分布 的不均匀性来测量重力的异常变化。重力变化取决于 地层的尺寸、形式、埋藏深度以及该地层与周围岩层之 间的密度差异。测量仪器和测量方法的发展，促进了重 力法在矿井中的应用。测量传感仪器高精密度可以使 其广泛应用于小结构，岩相变化的测量以及由于采矿 引起的密度分布变化。目前在我国采矿重力法主要应 用于开采引起的岩体体积变化、地层震动的预测、小范 围内煤层构造的变化和局部空洞的定位。重力法进行 测量时，重力传感仪器布置在危险区域附近，测量巷道 的倾角不大于1 0 0 ，测量巷道最好在观测区域的上部 和下部，最好是石门穿过2 个以上的煤层。测量点的 间距一般为l O ～5 0m ，测量高度可以精确到0 ．0 lm 。 重力法测量仪器主要是重力仪。重力仪主要测量 重力值的变化，其灵敏度很高。其原理如图1 所示，这 种情况下，重力的微小变化，将使产生较大的倾斜度。 采矿点法是利用岩石点特征的变化来解决顶板、 地质及采场技术的问题，其应用范围很广。井下地点 法主要用来解决以下问题①认识顶底板岩层的地质 条件。②自然灾害的评价。③评价支架与围岩的相 图1 重力传感仪器原理示意 l 系统臂长；2 回转轴；3 质量；4 弹簧； 5 弹性作用臂 互作用，特别是井筒。④监测开拓巷道和回采巷道的 应力应变状态。测量方法是在矿井条件下，将电极 传感器 安装在钻孔平底 深度在0 。5 ～2m 之间 进 行测量。当煤岩变形破裂时，地点会发生变化，通过电 极传感器可以绘制出地电变化趋势图，从而预测冲击 矿压的发生。 图2 是用具体的测量数据来表现煤壁附近裂隙区 域对电阻值的影响。在距巷道壁0 ～6m 的距离内，电 阻值比平均值低。巷道帮附近低电阻值异常是由于巷 道边裂隙水的增加，以及该区域破裂的影响。 图2 煤壁内部电阻值变化规律 热红外遥感技术，热红外图像在地质调查条件中 主要用于区分岩性，研究地质构造，寻找某些矿产资源 等。热红外图像在自然灾害调查中的应用包括地下 煤层，煤堆或矸石自燃，现代火山活动等。近年来研究 资料表明具有一定规模构造的应力场或瓦斯突出现象 的矿井也往往会造成矿井局部温度异常。在有些煤与 瓦斯突出的实例中，能见到突然煤的温度升高或者煤 壁的温度突然降低等。煤柱承载直到屈服破坏，是一 个动力过程，煤爆煤岩与瓦斯突出也是一个动力过程， 煤层顶板运动破坏也是一个动力过程。它们在地应力 万方数据 矿冶工程第3 2 卷 和采动应力的共同作用下产生移动变形，并会引起成 岩物质内部结构的调整和某些物理化学变化，其中必 然包括能量的转化和电子跃迁，如一部分机械能转化 为热能，或一部分固有热能转化为机械能，并以电磁辐 射的形式表现出来。那么作为电磁辐射之一的热红外 辐射的温度特征变化必然反映一些物理化学过程，并 提供一些前兆信息。若这些特征变化和前兆信息能被 监测到，则有可能发展一种新的矿柱稳态监测和矿山 岩爆，冲击矿压，煤与瓦斯突出的热红外遥感监测与预 测预报技术，其中最有生命力的将是能反应场信息的 热红外成像技术。 2 冲击矿压传感监测网络 我国目前矿井中存在的监测探测预报技术主要都 是依靠传感器工作的。查询资料后发现目前我国矿井 中使用的探测预报传感技术普遍比较单一，主要是通 过传感器监测煤壁的电磁辐射变化。相对来说由于采 用单一的监测方式所得的数据会与实际存在一定误 差，由于是采用单一方式测量，在数据分析的过程中难 免会有错误，如果通过以上所述设备构成冲击矿压的 煤矿监测安全网络，由于多种传感器的共同协作，所得 出的数据也就不是单一的数据，可以通过数据的互相 比较分析，从而得出更为准确的结论，同时由于多种数 据的共同比较避免了错误结论的产生，从而客观实际 的反映出矿井巷道内煤壁应力的实际情况。 冲击矿压传感监测网络见图3 。由图可见，传感 器将数据通过网络传输到数据处理中心，处理中心将 数据汇总得出分析图，然后根据各传感器得出的数据 分析煤岩巷道应力的变化趋势，同时由于传感器时时 工作，也对煤壁应力变化做出监测，一旦数据处理中心 预测到有危险，则会做出预警警报，从而保证工作面的 安全生产。 p书◇◇ 数据分析结果数据矧析结果数据错析结果数据分析结果 可带颓警 可带{ 面警可制预警 n J 谛预警 鸯E 三兰一 l 监控中心交换机 l 一 数据处理服务器撤盘存储阵勇 二二二匦煎[ 二二 争吒| 多 州附 防火墙 怕旷竺十艘 l 处理睁屯r f 1 一路由器 ．埯叁奎塞垫 一一一／ o 、 、、、、、．．．．．．．．．．．．．．．．．j ．．．．．．．．．．．．．．．，．．．一 ／一1 酹鞲餍面F 、＼ v P N I l ＼一 安全接入网关／I 图3冲击矿压传感监测网络拓扑图 当然对于多种传感器共同协作检测，也有其自 身的缺点，前期投资较大，系统安装复杂等。但对于其 监测的准确性和全面性有着自己的先天优势，相信 电传 探头 随着传感器技术和网络集成技术的发展，冲击矿压传 感监测网络必然会成为未来煤矿安全监测的发展 趋势。 万方数据 2 0 1 2 年0 8 月李嘉鹏浅谈煤矿冲击矿压 地压 传感监测网络5 3 1 参考文献 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] 窦林名，何学秋．冲击矿压防治理论技术[ M ] ．中国矿业大学出 版社。2 0 0 1 ． 陈健民．地应力与岩体红外辐射现象理论初探[ J ] ．煤炭学报， 1 9 9 5 3 2 5 6 2 5 9 ． 窦林名，谢耀社，方新秋，等．采矿地球物理学[ R ] ．徐州中国矿 业大学内部辅修用书． 钱鸣高，石平五．矿山压力与岩层控制[ M ] ．徐州中国矿业大 学出版社，2 0 0 3 ． 窦林名，谢耀社．采矿地球物理学概论【M ] ．徐州中国矿业大 学出版社，2 0 0 5 ． [ 6 ] 窦林名，何学秋．冲击矿压危险预测的电磁辐射原理[ J ] ．地球 物理学进展，2 0 0 5 2 4 2 7 4 3 1 ． [ 7 ] 冯小军，张呈国，曹新奇．电磁辐射在冲击矿压预测方面的应用 [ J ] ．煤矿现代化，2 0 0 9 6 7 6 ． [ 8 ] 刘明举，何学秋．突出煤的电磁响应特征研究[ J ] ．辽宁工程技 术大学学报，2 0 0 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