冲击地压应力监测预报系统的研制与应用.pdf

第 2 5卷 第 1期 2 0 0 8年 。 3月 采矿与安全工程学报 J o u r n a l o f Mi n i n g S a f e t y En g i n e e r i n g Vo1 ．2 5 No． I Ma r c h 2 0 0 8 文 章 编 号 1 6 7 3 3 3 6 3 2 0 0 8 0卜0 0 7 8 0 4 冲击地压应力监测预报系统 的研制与应用 段 伟 ，邹德蕴 ，胡英俊 山东科技大学 矿山灾害预 防与控制省部共建教育部 重点 实验 室，山东 青 岛 2 6 6 5 1 0 摘 要 为 了较好地 预测 冲击地 压 ， 实现 冲 击地压发展 、 发 生过 程的动 态监测 ， 针 对 冲击地 压 发展 、 发生过程 中应力脉冲信号幅值的变化情况， 研制 了冲击地压信号监测记录分机 ， 并开发了相应的 预 测预报 软件 ． 监测 记录 分机 配 4组传 感装 置 ， 可 同时记 录 来 自 4个 不 同方位 的应 力信 号 ， 利 用 红外 通讯适 配器将 记 录的应 力信 号传 输给软件 分析 系统 来预测 冲 击地压． 工程 实践表 明 ， 预测预 报 系统能较好 地对 冲 击地 压 的发展 、 发 生过 程进行跟 踪 和预 测 ， 具 有较 高的工程 应用价值 ． 关键词 冲击地 压 ； 传 感 器 ；应力 ；脉 冲 中图分 类号 T D 3 2 4 文献标 识码 A De v e l o p me n t a n d Ap p l i c a t i o n o f Ro c k Bu r s t Fo r e c a s t I n f o r ma t i o n S y s t e m DUAN We i ．Z OU De y u n HU Yi n g i u n Ke y La b o r a t o r y o f M i n e Di s a s t e r Pr e v e n t i o n a n d Co n t r o l ，S h a n d o n g Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y ，Qi n g d a o，S h a n d o n g 2 6 6 5 1 0，Ch i n a Ab s t r a c t I n o r de r t o p r e di c t r oc k b ur s t a c c u r a t e l y a n d t o m o ni t o r i t s de ve l o pme n t a n d o c c ur r e nc e pr o c e s s dy n a mi c a l l y，we wo r k e d ou t a r e c o r di ng br a nc h de v i c e f or mon i t o r i n g a n d m e a s u r i n g pr e s s u r e s i g n a l s a n d de v e l o pe d a p r e d i c t i o n s o f t wa r e r e l a t i n g t o t he d e v i c e ． H a v i n g f o ur gr o up s o f s e ns o r s ，t he br a nc h d e v i c e c a n r e c o r d s t r e s s s i gn a l s f r o m f ou r d i f f e r e nt d i r e c t i o n s ． Thr o u gh a n i nf r a r e d c o m mun i c a t i o n a d a p t e r t he r e c or d e d s t r e s s s i g na l i s t r a ns mi t t e d t o t he a n a l y s i s s y s t e m f o r r oc k bu r s t f o r e c a s t i ng ． Pr a c t i c e s s h ows t ha t t he f o r e c a s t s y s t e m c a n t r a c k a nd p r e d i c t t he d e v e l o p m e n t a nd oc c u r r e nc e p r oc e s s o f r o c k b ur s t ． The r e f o r e，i t i s of go o d a p pl i c a t i o n v a l ue i n e ng i n e e r i n g ． Ke y wo r ds r oc k bu r s t ；s e ns or ；s t r e s s ；i mp ul s e 冲击地压发生在采掘工作面的支承压力带 ， 这 种支承压力带中的高强度应力集 中是冲击地压发 生的首要条件 ] ． 目前预测 冲击地压都是围绕冲击 地压发生的强度条件和能量条件进行的， 采掘空间 诱发围岩动力的因素较为复杂， 高应力产生于开采 深度大 自重应力 、 岩体中存在地质构造应力、 采 掘空间周围应力集 中、 残 留煤柱边缘区、 断层和相 邻 采掘空 间存在 附加 应力等 条件下 ， 监测 和 区别这 些动 力现 象 ， 关键 是建 立科学 的技术 路 线 ] ， 基 于 对煤岩体的应力高低和分布状态 以及 能量积蓄和 释放等变化 的监测 ， 在时空上判断煤岩体破坏形 式、 规模 和释放 能量的大小 ， 来进行 冲击地压预 测 ] ． 研制了冲击地压信号记录监测仪 ， 并在此基 础上 开发 了基于 应力法 的 冲击 地压 预测预 报软件 ， 为 冲击 地 压的预 测预报 提供 了一种新 途径 ． 1 冲击效应与应力脉冲的关 系 储存于煤岩体 中的弹性应变能量在受采动影 收稿 日期 2 0 0 70 4 2 8 基 金项 目国家 自然科学基金项 目 5 0 0 7 4 0 2 1 ； 矿山灾害预防与控制教育部 重点实验室开放基金项 目 MDP C 0 6 0 3 作者简介 段伟 1 9 8 3 ， 男 ， 山东省邹城市人 ， 硕士， 主要从事矿山环境 与安全方面的研究． E- ma i l de v o mw16 3 ． C OF II Te l 1 5 9 5 3 8 1 1 3 61 维普资讯 第 1期 段伟等 冲击地压应力监 测预报系统的研制与应用 响后 ， 区域 的应变能量在形成定 向能量势场之后， 沿弱势路径向采掘空间传递积聚 ， 其 间介质性状组 织受到剧烈的冲击性挤压破坏， 其破坏过程具有 间 歇性冲击振动的特点． 运用接触力学中的动量冲击 挤压效应 原理[ 7 建立岩体中能量传递积聚与 冲击 过程的动量冲击系统模型， 如图 1 所示． a 应力波传递模型 图 1 岩体能 量冲击系统模型 Fi g ． 1 I m p a c t i n g s y s t e m mo d e l o f r o c k e n e r g y 将岩体具有的弹性应力一 应变的物理变化过程 视为固体力学中的动力效应现象 ， 即岩体具有的弹 性应变能量积聚传递 的冲击效应现象及 固体受冲 击后产生的应力波现象 ， 结合图 1所示模 型， 设岩 体 中的弹性应变能量为一维压缩波 亦称应力 波 ， 考虑应力波以速度 C 。 从 Q系统沿岩体传递的强度 为一 的应力脉冲， 在时间 d ￡内， 波形移动 的距离 为 d x C 。 d t ， 且认 为参 与能量传 递的介质质 量为 p Ad x的单元在压力 脉冲作用下获得 的速度为 ． 其中 C 。为岩体介质 所 固有 的特征 值 ， 』D为介质密 度， A为应力波经过的截面积． 则得微小单元体 的 动量方 程 为 一 a Ad t一 p Ad x p Ac 0 v d t． 即 一一 j D C 0 ． 1 这时单元体的被压缩量为 d u v d t ， 而发生 的 应变为 一 d x 一一 C 一 一 旦 E ． 2 n ’ ⋯ 结合式 1 ， 2 ， 得脉冲速度的表达式为 C E／ p ， 式中 E为岩体介质 的弹性模量． 通过量值关系分析可得 1 Q系统的能量冲击性应力脉冲信号特性体 现了系统 的动态性 和频率响应特性 ； 2 当 Q系统中储存弹性应 变能较小 ， 则产 生 的应力脉冲信号 C 。 ， 相对较弱 ， 显现 的应力 波的 传递特性及幅频特性将不明显 ； 3 应力波的传递速度 C 。 及介质点速度 与 和 E成 正 比关 系 ； 4 通过监测 岩体应力波的脉冲幅频变化 ， 可 以更容易判断辨识煤岩体冲击效应的剧烈强度， 故 可以此来预报冲击地压的早期信息 ； 5 由于应力波 的特征值 C 。的大小 与传递距 离及介质密度成反 比， 因此 ， 传递过程 中的应力脉 冲信号会逐渐衰减 ， 所以若采用监测手段预测冲击 地压早期信息的仪表装备和分析系统 ， 其 中的传感 元件应尽可能的接近震源或多方位控制监测 ， 以保 证能够捕捉到更多的信息 如一些相对较弱的幅频 特性信号 ， 达到真正意义上的早期预报． 依据建立的图 1所示 的能量冲击系统模 型及 岩体应力脉冲特征的分析 ， 利用能量控制型传感器 如可将动能转化成 电能的无源 磁电式传感器 进 行对 Q系统向采掘空间方向传递与积聚能量 的记 录， 即煤岩体发生冲击效应过程 中的冲击性挤压产 生的应力脉冲信号进行监测 和采集． 利用应力波与 冲击地压的关系， 以及能量 冲击系统模 型， 建立 冲 击地压预测 、 预报装备 传感技术 的研发平 台， 符 合冲击地压的能量动态性与传递特性 ， 可 以采集到 冲击地压前期 即发生 冲击效应 阶段 的一些应力 波幅频特性相对弱的脉冲信号， 能够起到冲击效应 预测预报的作用． 2冲击地压预测预报 系统 冲击地压预测预报 的准确性关键在于能否及 时地获知应力脉冲信号的跃变时段 ， 作者开发出冲 击地压预测系统 ， 有利于提高煤岩体高应力区域的 监测准确度． 冲击地压预测预报系统如图 2所示． 监测分机 采集仪 适配器 计算机 需 下行通讯 图 2 冲 击 地 压 预 测 预 报 系 统 F i g ． 2 Ro c k b u r s t f o r e c a s t s y s t e m 该系统 由 4 部分组成 1 冲击地压应力脉冲信号监测记录分机 ； 2 红外数据信号采集仪 ； 3 红外数据计算机通讯适配器 ； 4 数据分析软件． 预测预报系统通过数据监测、 数据分析、 趋势 预报等作业程序 ， 对工作面的冲击地压危险性进行 量化 ， 可达到全方位、 全过程动态监测 ， 准确预报冲 击 地压 的 目的． 飙 画 恳 维普资讯 8 0 采矿与安全工程学报 第 2 5卷 2 ． 1 应 力传感装 置 系统采用如图 3 所示的应力传感装置 ， 连续监 测煤岩体 应力变 化情 况． 图 3应 力 传 感 装 置 Fi g． 3 S t r e s s s e n s o r d e v i c e 应力传感器监测到的应力信号 P包括两部分 P Pl P2 ， 式中 P 为表示锚 固预紧力 给传感器的载荷应力 信号值； P 为表示储能区的应力波给传感器 的应 力信号值． 信号值 P 的变化受采动影响， 与来 自储能区 的应力波信号比较， 其作用方 向不同， 变化速度相 对较缓慢 ， 值的变化频率相对较小． 因此监测装置 只需记录到 P 信号值的波动 即信号的相对时空 跃变情况， 就可满足应力脉冲信号的分析与判别 要 求． 2 ． 2信 号监测记 录分 机 应力监测记录分机配 4 组传感装置 ， 可同时测 量来 自4个不同方位的应力信号． 记录分机每分钟 纪录 1 次数据， 采用具有数据掉电保护功能的大容 量数据存储器进行数据存储． 数据采集仪定时采集 数据信号 ， 数据采集 4 S 后， 分机 自动清除数据， 并 开始下一过程的数据存储． 采集仪将采集到的信号 携带至井上 ， 通过红外通讯适配器将数据传送到软 件分析系统进行保存 、 处理． 2 ． 3 监测 传感器 安装 方法 4只监测 传 感 器可 置 于 煤 岩 体 钻 孔 内 或 全锚 树脂 锚杆 外 端 的 螺 母 与 托 盘 之 间 ， 进 行 区域 性 监 测 ． 具体安 装方 法如 图 4所示 ． 一 ， 塑性区 弹性区 ．钻孔 ， ＼传感器固定剂 a 钻孔法 b 锚杆法 剂 图 4 监测传感器安装 Fi g． 4 Moni t o r i ng s e n s o r i ns t a l l a t i o n 1 钻孔 法 ， 在 确定 的监 测 方位 上 打 钻 孔 安装 传感器， 使用树脂锚固剂将传感器与孔壁交结为一 体 ； 2 锚杆法 锚杆可借用原有 的， 也可另外安 装 ， 将传感器 固定于螺母与托盘之间， 这种安装方 法应 注意杆体 应在孔 壁全 长方 向上锚 固 ， 锚杆外 端 也应 用树脂 固牢 ， 这 样可 获得较好 的监 测效果． 3 工 程 实 践 3 ． 1 记录分 机 的安装 某矿 5 2 8 7 工作面位于十一水平北翼一、 二石 门之间， 煤层厚度 8 ． 3 m， 顶分层采高 2 ． 5 m， 煤层 倾角 6 。 ， 工作面倾斜长 1 3 9 m， 走向长 3 0 0 m， 工作 面局部遇有小型断层 ， 落差均在 1 ． 0 m 以下 ， 煤层 赋存稳定． 该工作面两侧均为采空区， 使工作面呈 条带 煤柱 开采形 式． 本次试 验监测 地点 选在该 工作面 风巷 ， 共 安设 5台监 测分 机 ， 距 开切 眼 5 0 m 处 开始 ， 每 5 0 m 设 置 1 台监测分机． 图 5为信号监测记录分机的安装 位置以及 4 个传感器的安装方式示意图． A _ 1 信号线 A - A剖面 4为传感器 图 5 传感 器安装方式 Fi g ．5 I ns t a l l a t i o n of mo ni t o r i n g s e ns o r 监 测传感 器采 用钻孔 安装法 ， 孔底传 感器采 用 水泥加黄泥孔底封孔的安装方式， 传感器 1 ， 2 ， 3 ， 4 监测来 自煤岩体深部不同方位的应力脉冲信号． 3 ． 2监测 结果及 数据分 析 在 开采 过 程 中 ， 5 2 8 7工作 面发 生 了 9次 有 记 录的冲击效应现象， 致使安全受到威胁 ， 生产受到 影响． 以 2 0 0 7年 6月 6日至 6月 8日期 间为例 ， 图 6 为由 1号监测传感器记录的应力信号所绘制的图 形 ， 从 图 中可以看 出 ， 在 6月 8日 1 3 0 0 ～1 6 0 0间 应力 脉 冲 信 号 幅 值 由 2 8 MP a突 然增 大 至 3 6 MP a ， 说明此时 1 号传感器方位的煤岩体深部发生 冲击效应现象． 罄 勰 维普资讯 第 1 期 段伟等 冲击地压应力监测 预报 系统 的研 制与应用 8 1 图 6监测 数据分析系统 F i g ． 6 M o n i t o r i n g d a t a a n a l y s i s s y s t e m 系统跟踪了冲击地压 的发展、 发生过程， 表 明 应力法预测预报冲击地压动力灾害效果明显． 4 结 论 1 通过对岩体能量冲击 系统模型及煤岩体应 力脉冲传递特征 的分析 ， 说明了应力法监测冲击效 应现 象 的可行性 ． 2 通 过 对 试验 工作 面布 置 情 况 的分析 ， 合 理 布置了传感器及其安装工艺． 3 系统借助应力传感器 自动监测 、 存储数据 ， 记录应力脉冲变化情况 ； 监测记录分机定时接收传 感器记录的应力脉冲信号； 预测预报软件量化反 映 煤岩体受力破坏时的应力脉冲幅值变化情况 ， 便 于 工程技术人员及时分析煤岩体应力状态及破坏情 况 ． 4 系统具有友好的人机界面 ， 操作方便 ， 工程 实践证明了系统具有较高的实用价值 ， 可为防治高 危区域冲击地压提供一种新途径． 参考文献 [ 1 ] 陈炎光 ， 钱鸣高 ．中国煤矿采场 围岩控制V M] ．徐州 中国矿业大学 出版社 ， 1 9 9 4 1 6 1 2 0 3 ． I- 2 ] 潘一 山， 李 忠华 ， 章 梦涛．我 国冲击 地压 分布 、 类型 、 机理及防治研究I- J ] ．岩石 力学 与工 程学报 ， 2 0 0 3 ， 2 2 I I I 8 4 4 1 8 5 1 ． PAN Yi s ha n， LI Zh ong - hua， ZHANG M e n g t a o ． Di s t r i b u t i o n，t y p e me c h a n i s m a n d p r e v e n t i o n o f r o c k b u r s t i n C h i n a I- J ] ．C h i n e s e J o u r n a l o f R o c k Me c h a n i c s a n d En g i n e e r i n g，2 0 0 3 ， 2 2 1 1 1 8 4 4 1 8 5 1 ． [ 3 ] 石强 ， 潘 一 山， 李英 杰．我 国冲击 矿压典 型案例及 分析I- J ] ．煤矿开采 ， 2 0 0 5 ， 1 0 2 1 3 1 7 ． S HI Qi a n g，PAN Yi s h a n，LI Yi n g - j i e ．Th e t y p i c a l c a s e s a n d a n a l y s i s o f r o c k b u r s t i n C h i n a[ J ] ．C o a l M i n i n g Te c h n o l o g y 。2 0 0 5， 1 0 2 1 3 1 7 ． I- 4 ] 邹德蕴 ， 姜福兴 ．煤岩体 中储存能量 与冲击地压孕育 机理及预测方法 的研究 I- J ] ．煤炭 学报 ， 2 0 0 4 ， 2 9 2 1 59 16 3． Z OU De - y u n ，J I ANG F u - x i n g ． Re s e a r c h o f e n e r g y s t o r i ng a nd ge s t a t i o n me c ha ni s m a nd f o r e c a s t i ng of r o c k b u r s t i n t h e c o a l a n d r o c k ma s s I- J ] ．J o u r n a l o f Ch i n a Co a l S o c i e t y，2 0 0 4 ， 2 9 2 1 5 9 1 6 3 ． I- 5 ] 邹德蕴 ， 刘 先贵．冲击地压 和突 出的统一预测及 防治 技术 I- J ] ．矿业研 究与开发 ， 2 0 0 2 ， 2 2 1 1 6 1 9 ． ZOU De - y un， LI U Xi an gui ． Un i f i e d f or e c a s t i ng of i m p a c t g r o u n d p r e s s u r e a n d o u t b u r s t a n d t h e i r c o n t r o l t e c h n o l o g y I- J ] ．Mi n i n g R e s e a r c h a n d D e v e l o p me n t ， 2 0 0 2 ， 2 2 I 1 6 - 1 9 ． I- 6 ] 窦林 名 ， 赵从 国， 杨思光 ， 等．煤矿开采 冲击 矿压 灾害 防治V M] ．徐州 中国矿业大学出版社 ， 2 0 0 6 8 5 1 0 9 ． I- 7 ] J OHNS ON K L ．接触力学 V M] ．北京 高等教 育 出 版社 ， 1 9 9 2 ． 上接 第 7 7页 I- 8 ] 章梦涛．我国冲击 地压 预测 和 防治I- J ] ．辽 宁工 程技 术大学学报． 2 0 0 1 8 4 3 3 4 3 5 ． ZHANG M e n g t a o ． C o a l o u t b u r s t f o r e c a s t a n d p r e v e n t i o n l, J ] ．J o u r n a l o f L i a o n i n g T e c h n i c a l Un i v e r s i t y 2 0 0 1 8 4 3 3 4 3 5 ． [ 9 ] 姜耀东 ， 刘文岗 ， 赵毅鑫 ， 等．开滦矿区深 部开采 中巷 道 围岩稳 定性研究 I- J ] ．岩石力 学与工 程学报 ， 2 0 0 5 ， 2 4 I I 1 8 5 7 1 8 6 2 ． J I ANG Ya o - d o n g，LI U We n - g a n g，ZHAO Yi x i n，e t a 1 ． S t u d y o n s t a b i l i t y o f s u r r o u n d i n g r o c k i n d e e p mi n i n g a t k a i l u a n g r o u p l J ] ．C h i n e s e J o u r n a l o f R o c k M e c h a n i c s a n d En g i n e e r i n g， 2 0 0 5 ，2 4 I I 1 8 5 7 18 6 2． [- 1 0 ] 潘一 山 ， 王来 贵 ， 章梦 涛 ， 等．断层 冲击地压 发生 的 理论 与试 验研 究 I- J ] ．岩石 力 学 与工 程 学报 ， 1 9 9 8 6 6 4 2 6 4 9 ． PAN Yi s ha n，W ANG La i gu i ，ZH ANG M e ng - t a o， e t a 1 ．Th e t h e o r e t i c a l a n d t e s t i n g s t u d y o f f a u l t r o c k - b u r s t l- J ] ．C h i n e s e J o u r n a l o f R o c k Me c h a n i c s a n d En g i n e e r i n g，1 9 9 8 6 6 4 2 6 4 9 ． [ 1 1 ] 刘文岗．煤矿 冲击地压机理 的宏细观试验研究[ D ] ． 北京 中国矿业 大学 资源 与安全工程学 院， 2 0 0 5 ． 维普资讯