煤岩冲击破坏模型及声电前兆判据研究.pdf

第3 3 卷第5 期 2 0 0 4 年9 月 中国矿业大学学报 J o u r h a lo fC h i n aU n i v e I s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y V 0 1 ．3 3N o ．．5 S e p ．．2 0 0 4 文章编号1 0 0 0 一i 9 6 4 2 0 0 4 0 5 0 5 0 4 0 5 煤岩冲击破坏模型及声电前兆判据研究 窦林名，何学秋 中国矿业大学能源与安全工程学院，江苏徐州2 2 1 0 0 8 摘要根据煤岩体变形破坏特征及其破坏过程中的声电效应规律分析，提出了煤岩冲击破坏的 弹塑脆性模型，描述了煤岩材料受载变形的稳定破坏和冲击破坏、冲击矿压发生的突发性和延时 性、变形破坏过程中的声发射和电磁辐射现象以及K a i s e r 效应，给出了冲击矿压危险前兆预测 的声电判据．结果表明，采用声电前兆判据，可对冲击矿压危险性进行判别和预测． 关键词煤岩；弹塑脆性模型；冲击矿压；声发射；电磁辐射；预测 中图分类号T D3 2 4文献标识码A M o d e lf o rR o c kB u r s tF a i l u r ea n dI t sC r i t i c a l V a l u e so fA c o u s t i ca n dE l e c t r o m a g n e t i cE m i s s i o n D O UL i n m i n g ，H EX u e q i u S c h o o lo fM i n e r a la n dS a I e t yE n g i n e e r i n g ，C U M T ，X u z h o u ，．J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a A b s t r a c t B a s e do nt h ec h a r 。a c t e r 。i s t i c so fc o a lr o o kb u r s tf a i l u r ea n dt h ea n a l y s i so ia c o u s t i ca n d e l e c t r ’o m a g n e t i ce m i s s i o nt h ee l a s t i c p l a s t i c b r ’i t t l em o d e lo fr o c kb u r s tf a i l u r ew a sp r ’e s e n t e d ．B y m e a n so ft h i sm o d e lt h er o c kf a i l u r - ea n db u r s t ，s u d d e na n dd e l a yr o c kb u r s t ，t h ea c o u s t i ce m i s s i o n A E ，e l e c t r o m a g n e t i ce m i s s i o n E M E a sw e l la sK a i s e te f f e c tw e t ’ed e s c r i b e d ，a n da c o u s t i ca n d e l e c t r o m a g n e t i cc r i t i c a l v a l u e so fr o c kb u r s td a n g e r 。w e t eo b t a i n e d ．T h er e s u l t si n d i c a t e t h a tt h e d a n g e ro fr o c kb u r s tc a nb ef o r ’e c a s t e db ym o n i t o r 。i n ga c o u s t i ca n de l e c t r ’o m a g n e t i ce m i s s i o ni nt h e c o a lf a c e ． K e yw o r d s c o a lr o c k ；e l a s t i c p l a s t i c b r i t t l em o d e l ；r o c kb u r s t ；A E ；E M E ；f o r e c a s t i n g 煤岩等材料为脆性材料．其破坏过程涉及到煤 岩的岩石性质、结构及物理特征，加载大小、速度和 时间．在～定的载荷和加载速度作用下，煤岩将发 生冲击型破坏．这种冲击型破坏在矿山开采等岩体 工程中主要表现形式为冲击矿压、岩爆．我国的徐 州、新汶、大同、抚顺等矿区都面临冲击矿压的威 胁．而要防治冲击矿压，首先要研究煤岩动态破坏 的机理和冲击危险的预测．对于冲击危险前兆预测 方面，世界各国采用分析认识法，地震法，地音法， 钻屑法以及由中国矿业大学提出的电磁辐射法 等[ 1 ．9 ] ．这些方法的应用，为采取相应的治理措施打 下‘基础．但是，由于冲击矿压的复杂性，还没有一个 较为完善的冲击危险预测的声发射和电磁辐射判 断标准．本文将结合作者对煤岩破坏过程中所伴随 的声发射和电磁辐射效应规律的研究成果[ 1 。3 7 。9 | ， 提出煤岩冲击破坏的弹塑脆性模型，建立了声电预 测冲击危险前兆的技术原理和基本准则，并进行工 程实践验证． 1煤岩脆性材料变形破坏特征 煤岩等固体脆性材料在载荷作用下，有自己的 变形破坏特征．重要表现在脆性冲击破坏、冲击破 坏的突发性和延时性、冲击破坏过程中的声发射和 电磁辐射现象及其K a i s e r 记忆效应[ ． 收稿日期2 0 0 3 0 6 0 2 基金项目国家自然科学基金项目 5 0 0 7 4 0 3 0 ；国家自然科学基金重点项目 5 0 1 3 4 0 4 0 ；教育部博士点基金项目 2 0 0 3 0 2 9 0 0 1 7 作者简介窦林名 1 9 6 3 一 ，男，青海省平安县人，中国矿业大学教授，博士生导师，从事矿山压力、冲击矿压、采矿地球物理等方面的研 究． 万方数据 第5 期窦林名等煤岩冲击破坏模型及声前兆判据研究5 0 5 1 变形破坏类型 煤岩等脆性材料当其上作用的载荷达到强度 极限后，发生脆性破坏．破坏分稳态破坏和冲击破 坏两种．这种术才料的冲击破坏在矿山及岩土工程中 表现为冲击矿压、岩爆[ 2 。3 ] ． 2 冲击破坏的突发性和延时性 煤岩脆性材料在发生冲击破坏时，存在突发性 冲击破坏和延时性冲击破坏．这两种现象在煤矿发 生的冲击矿压事故中表现尤为突出[ 2 。3 ] ．例如，在高 冲击矿压危险区域采用卸压爆破措施进行解危．有 H 寸候在进行卸压爆破的同时就能引发冲击矿压，而 有时是在卸压爆破～段时间后，才发生冲击‘矿压． 而在这段时间内，没有进行任何采矿工序对围岩产 生扰动，见图1 所示，图1 中，测点前后的隔线代表 其2m i n 时间内的脉冲数 以下同 ． 至 ＼ 柱 辎 1 4 0 毫器 耍。8 。0 4 0 2 0 t f s a 载荷一时间曲线 ㈠．1 l 川l l⋯． 04 08 01 2 01 6 0 t ／s c E M E 幅值分布 2 5 0 籁2 0 0 是1 5 0 蕾1 0 0 5 0 03 0 0 6 0 0 9 0 01 2 0 0 1 5 0 0 1 8 0 0 2 1 0 0 2 4 0 0 2 7 0 0 3 0 0 0 3 3 0 3 6 0 0 t ／s 图1 卸压爆破届1h 之内的电磁辐射变化规律 F i g ．1E M Ec a v e r ’Sa f t e r1ho fs h o c ki nt h eC O a ls e a m 3 破坏过程中的声发射和电磁辐射[ 1 - 6 ] 煤岩脆性材料在载荷作用下的变形破坏过程 中，均有具有K a i s e r 记忆效应的声发射和电磁辐 射现象存在．从总体上讲，电磁辐射基本上随着载 荷的增大而增强，随着加载及变形速率的增加而增 强．声发射的变化规律也基本上随着载荷的增大而 增强，随着加载及变形速率的增加而增强，见图2 所示． 1 6 0 0 1 4 0 0 1 2 0 0 羹1 s 0 0 0 0 0 鸶 6 0 0 4 0 0 2 0 01 j 。1 ．“J I l『． 02 04 06 08 01 0 01 2 01 4 01 6 0 t | s b E M E 脉冲数分布 t ／s d A E 振铃计数率分布 图2 煤样破坏载荷．时间曲线，A E 和E M E 图 F i g ．2P - t ，A E ，E M Ec t l r ’v e so fc o a ls a m p l e s 2 弹塑脆性体模型分析 为了对描述上述煤岩等固体脆性材料变形破 坏特征以及在其变形破坏过程中声发射和电磁辐 射耦合规律，建立了煤岩等固体脆性材料变形破坏 的弹塑脆性体模型I - 2 ‘4 ] ． 2 ．1 稳定破坏和冲击破坏 弹塑脆性体模型可采用P T P o y n t i n g T h o m s o n 模型加两个脆性单元组成[ 3 。] ，如图3 所 示，其中一个分支为H o o k e 单元 脆性单元组成， 另～个分支为M a x w e l l 单元 脆性单元组成．其 中，脆性单元的强度临界值为砚，材料的破坏程度 用损伤因子D 来描述，即当D 0 时，材料没有破 坏，D 一1 时，材料完全破坏，而盯， 芒％称为有效 应力．则其应变为 F i g ．3 E l a s t i c p l a s t i c b I i t t l em o d e l e 一南 1 故D 是材料横截面上微裂隙的密度及应力集中效 应的反映． 上述模型有～对脆性单元，当其脆性单元的应 力巩 巩时，脆性 万方数据 5 0 6中国矿业大学学报 第3 3 卷 单元破坏．在P T 模型中，当应力为常数时，即仃一 仃。 C 时，H o o k e 分支中∥逐渐增长，而M a x w e l l 分支中，一逐渐减小． 如果在f 时刻，两分支∥和口M 中有一个压力 跳跃，即有应力增量A a ，若其应力总和超过两个分 支巩，弹塑脆性体破坏． 如果a 。 c r o 常数，而且两分支中的应力均小 于巩，则该模型的特性表现为P T 模型的特性． 毗 一参 ￡o 一参卜， 2 ％一E 卫M 堡I 土E H 醴． 3 ‘4 ’ ＼。／ 2 ．2 突发性与延时性 对于弹塑脆性体模型，最有讨论价值的情况是 吼 E H e o 时， z L l n 等署． 6 这是当载荷仃 ％一常数，而且满足公式 4 时 弹塑脆性体的破坏时间． 由此可知，在仃等于常数的情况下，弹塑脆性 体将出现两种强度特性，即瞬时强度 载荷发生跳 跃 和长时强度 常载荷作用 ，对应的是两种破坏 形式，即突发性破坏和延时性破坏． 2 ．3K a i s e r 记忆效应 在弹塑脆性体模型中，弹脆性元素只须一个参 量，即临界强度吼，当口 t ，时刻 D t 2 一D t 1 一∑A D i C N ， 1 2 当 一O 时 剧 ￡ 。C 孢 ￡ ， 1 3 式中，z f 是t 时刻的声发射‘事件数或电磁辐射 脉冲数． 式 1 3 说明，如果破坏过程与声发射事件 电 磁辐射脉冲数 一模一样，则损伤速度D ’与岩体活 动性 声发射事件数或电磁辐射脉冲数 成正比．如 果与损伤因子增量A D 。不是一样的，而D ￡。 一 D t 。 之差却仍然等于增量A D ；之和，但这个增量 △D ，之和与Ⅳ 事件数或脉冲数 不成正比．这时， 可用能量来表示．能量的变化A W 可由下式来确 定 △W 一盯A e 一仃 ￡2 一e 1 ． 1 4 设破坏程度的损坏因子与变形呈线性关系 e C 1 D C o ， 1 5 则 A W 一盯[ C 1 D 2 一C 2 一 C 1 D 1 一G ] ． 1 6 由此，得A W 与／X D 成正比，也即 D 7 。CW 7C CW ￡ 。Ce 7 ． 1 7 这是一个非常重要的结果，即如果盯为常数， 万方数据 第5 期 窦林名等煤岩冲击破坏模型及声前兆判据研究 5 0 7 而且D 。C e ，在弹脆性场中出现破坏，破坏速率表现 在瞬间能量硼 ￡ 的释放中． 3 冲击破坏危险及声电判据 对于煤岩脆性材料，其变形破坏是能量聚积和 释放的结果，是尉间的函数．但在工程实际中，确定 变形，破坏何时发生的这个时间问题是非常困难． 假设满足破坏的条件 ∥ ￡ ≥磋 ￡ ≥矿m ， 或e ￡ ≥‰ ￡ ≥e o ， 式中e o 萨- 睾- 凸- - M s * ，当出现G e Y l 或者当￡ ￡ 而G l 一向，脆性单元破坏．如果￡ ￡ 是观测到的实际 变化值，则危险程度z ￡ 将由下式确定 Z 。 ￡ 0当￡ ￡ ￡o 1 8 a 0 ≤z 。 ￡ 一掣≤1 当e ￡ ≥￡o ， 1 8 b 式中z 。 ￡ 称之为某时刻煤岩破坏的危险性，它 确定了在e 轴上某时刻的变形e f 与破坏点之间 的距离． 由上述分析可知，煤岩变形破坏的8 ￡ ，硼 t 与电磁辐身寸的幅值、脉冲数或声发射的事件数成正 比，则采用电磁辐射或声发射方法确定煤岩破坏的 危险性同样可采用式 1 8 的方式，其中Ⅳz 为临界 值，Ⅳo 为初始值． 嗯耻 ； 筹≤1 ，眦 ≥旷㈣ 4 现场试验研究 研究表呀卜9 ] ，受载煤岩体在其变形破坏过程 中将产生电磁辐射，电磁辐射的强弱与煤岩体受力 大小、变形破裂过程紧密相关．其主要参数是电磁 辐射强度和脉冲数．电磁辐射强度主要反映了煤岩 体的受载程度及变形破裂强度，脉冲数主要反映了 煤岩体变形及微破裂的频次．因此，电磁辐射可用 4 0 0 窨 3 0 0 翟2 0 0 1 0 0 冲击矿压M ． k 帅} I | I ‘‘水舢．瓮藏匿- l 一7 二篡遵 0 2 0 3 0 40 50 60 70 80 91 0l l1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 d d a 幅值 来预测冲击矿压、煤与瓦斯突出等煤岩灾害动力现 象． 由于煤岩体的破坏过程是一个动态过程，是工 作面和巷道周围应力重新分布的表现．而所测的煤 岩变形破坏释放的电磁辐射也是一个动态过程．正 常情况下，这个过程的变化相对来说是稳定的．但 当动态过程有了较大的变化时，电磁辐射也有较大 的变化和较长的持续时间，说明冲击矿压危险性有 了增加或降低． 根据上述理论及电磁辐射观测规律，可采用电 磁辐射的幅值和脉冲数偏差值确定冲击矿压的危 险程度和进行预测预报 避 E 1 E l E 1 0 E 1 盘， 譬以≤E 。 6 ， 2 0 1 E l ≥b ， 式中肛。。 E ， 为所测观测点的冲击矿压危险指数； E ，为本班电磁辐射幅值或脉冲数与幅值平均值或 脉冲数平- 均值的偏差值；以，b 为系数． 某矿3 4 0 6 1 - F 作面是_ 个强冲击矿压危险 工作面．在2 0 0 1 年3 月6 日和8 日分别发生了一 次里氏震级M L 为1 ．3 级和1 ．7 级的矿震．而在3 月1 0 日1 7 时3 8 分工作面上出口2 0 - - - 4 01 T I 范围 内发生了一次震级1 ．7 级冲击矿压，在3 月1 4 日 1 6 时0 6 分工作面上出口1 0 ～3 0I n 范围内同样也 发生了一次1 ．7 级冲击矿压．此外，在7 月5 日4 时6 分在工作面下端头4 ’0I T I 范围内发生了1 ．7 级 冲击矿压．在矿震和冲击矿压发生前后，采用电磁 辐射进行了观测，并进行了相应的预报，避免了人 员的伤亡．图4 为3 月2 日至1 6 日3 4 0 6 1 工作面 中部电磁辐射观测结果．图5 为电磁辐身寸3 个参数 偏差值的变化规律．从图5 中可以看出，在煤岩体 动态破坏的矿震和冲击矿压发生之前，电磁辐射偏 差值都有较好的反映． 池一 ．d d ． b 脉冲数 图4 冲击矿压前后电磁辐射值的变化规律 F 喀4 T h er e g u l a r f t yO fi h eE M Ev a l u eb e f o i ’ea n da f t e r 。R o c kB u r s t O 0 O 0 O ∞ 巧m 5 籁是照 ， 万方数据 5 0 8中国矿业大学学报第3 3 卷 一幅值最大值 幅值平均值 澜1 崔琏 三要 - 4 0 【2 345 67891 0I I1 21 3 1 41 5 更3 0 0 强2 0 0 鸶一1 0 0 l ／d b 脉冲数 图53 Z 作面电磁辐射偏差变化图 F i g ．5T h ec h a n g e so fE M Ed e v i a t i o no ft h eW O I k i n gf a c e 表1 为该矿3 4 0 6 1 工作面2 0 0 1 年3 月1 0 日 1 ．7 级，3 月1 4 日1 ．7 级和7 月5 日1 ．7 级3 次冲 [ 2 ] 击矿压前后电磁辐射偏差的最大值．根据观测结构 的统计分析，可以确定相应的冲击矿压危险预报模L 3 J 型和模型的各系数值．对于幅值最大值的偏差值， a - - 0 ，b 6 1 ％；对于幅值平均值的偏差值， ，．， 口 0 ，6 2 1 ％；对于脉冲数的偏差值，口 0 ， 易 2 0 1 ％． 表1冲击矿压前后电磁辐射偏差值 T a b l e1T h e E M Ed e v i a t i o nv a l u eb e f o r ea n d E 5 3 a f t e rr o c kb u r s t 日期臀铹觥势割 3 月1 0 日8 92 92 4 8 3 月1 4 日4 1 1 38 1 7 月0 5 日1 051 2 5 兰．塑 E 6 l 根据上述确定的电磁辐射指标，对3 4 0 6 1 工 作面各观测点进行冲击矿压危险性判断．如果以中 等冲击危险作为标准，则采用电磁辐射对1 ．0 级以 ，。、 上矿震及冲击矿压危险能够1 0 0 ％的反映，如果以 强冲击矿压危险作为标准，则能够反映7 3 ％的矿 震和冲击矿压． 5 结论 1 由P T 模型加两个脆性单元组成的弹塑脆 L 8 ] 性模型，可描述煤岩等材料的稳态破坏和冲击型破 坏、冲击破坏的突发性和延时性、破坏过程中的声 发射和电磁辐射现象等． 2 通过对弹塑脆性模型的分析，可建立煤岩 冲击破坏的声电前兆危险判据，该判据反映了煤岩 冲击破坏的危险程度． r 9 ] 3 现场试验研究表明，采用煤岩冲击破坏的 电磁辐射判据，可对冲击矿压危险性进行预测预 报，而且预测的准确率较高． 州中国矿业大学出版社，1 9 9 5 ． 窦林名，何学秋．冲击矿压防治理论与技术E M ] ．徐 州中国矿业大学出版社，2 0 0 1 ． 窦林名．煤岩突变的声电效应规律及其应用研究 [ D ] ．徐州中国矿业大学能源与安全工程学院， 2 0 0 1 ． K o , ’n o w s k i ．，．P o d s t a w ya k t y w n y c hs e j s m o a k u s t y - c z n y c hm e t o do c e n yz a g r o z e n i al o k a l n y mz n i s z c z e m e m g o r o t w o r ’u [ J ] ．P r a c aN a u k o w ewG I G u ，1 9 9 4 7 9 3 3 5 4 6 ． 窦林名，何学秋，D r z e z l aB ．冲击矿压危险性评价的地 音法[ I ] ．中国矿业大学学报，2 0 0 0 ，2 9 1 8 5 8 8 ． D o uLM ，H eXQ ，D r 。z e z l aB ．A Em e t h o do f e v a l u a t i n gt h ed a n g e r ‘o fr o c kb u r ’S t [ J ] ．1 0 u t ’h a lo f C h i n aU n i v e r ’s i t yo fM i n i n ga n dT e c h n o l o g ；r ，2 0 0 0 ，2 9 1 8 5 8 8 ． D o uLM ，D r ’z e z l aB ．Z m o d v f i k o w a n ak o m p l e k s o w a m e t o d ao c e n ys t a n uz a g r o z e n i at a p a n i a m iwk o p a l n i a c h w e g l ak a m i e n n e g o [ 『] ．P t ’z e g l a dG o t n i c z y ，1 9 9 8 ，5 4 1 1 2 0 2 5 ． 窦林名，营其伟，何学秋，等．冲击矿压危险的电磁 辐射监测技术[ J ] ．矿山压力与顶板管理，2 0 0 2 ，1 9 4 8 9 9 1 ． D o uLM ，C a oQW ，H eXQ ，e ta 1 ．E M E m o n i t o r ’i n gt e c h n i q u eo fr o c kb u r ’S t [ J ] ．G r ’o u n d P r e s s u r ea n dS t r - a t aC o n t r ’o l ，2 0 0 2 ．1 9 4 8 9 9 1 ． 窦林名，何学秋，王恩元，等．由煤岩变形破坏所产生 的电磁辐射[ ，I ] ．清华大学学报 自然科学版 ，2 0 0 1 ， 4 1 1 2 8 6 8 8 ． D o uLM ，H eXQ ，W a n gEY ，e ta 1 ．R e s e a t ’c ho n t h ee l e c t r o m a g n e t i ce m i s s i o ni nt h er o c ka n dc o a lb u r 。S t f a i l u r eE l i ．J o u r n a lo fT s i n g h u aU n i v e r 。s i t y2 0 0 1 ，4 1 1 2 8 6 8 8 ． D o uL ．M ，H 。eXQ ，W a n gEY ，e ta 1 ．E x p e r i m e n t a l r e s e a t 。c ho nt h ee l e c t r o m a g n e t i ce m i s s i o no fr o c k ＆ c o a lb u r s t f a i l m eE J ] ．Z e s z y t yN a u k o w eP o l i t e c h n i k i S l a s k i e j ，2 0 0 0 2 4 6 3 7 1 3 7 6 ． 参考文献 [ 1 ] 何学秋，刘明举．含瓦斯煤岩破坏电磁动力学[ M ] ．徐 责任编辑王玉浚 万方数据