电磁辐射测定深部煤岩动力倾向性临界值.pdf

第3 3 卷 第l l 期 煤 炭 科 学 技 术 2 0 0 5 年1 1 月 电磁辐射测定深部煤岩动力倾 向性临界值 高明仕，窦林名，张 农， 许兴亮， 郑百生 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 要针对平煤十一矿 己二采 区煤岩动力倾 向性进行 了实验研究，测定 出煤 层 的动态破坏 时间 。 、弹性能指数 和冲击能指数 ，确定 了该采 区煤 岩的冲击矿压等级，同时得到 了煤岩 孕冲 一 冲击破坏的电磁辐射 E M E 现象的规律，确定了煤岩动力破坏的E M E临界幅值和脉冲数，为 实际生产 中采取解危措施及效果检验提供 了实验依据。 关键词深部开采；动力倾 向性；E ME临界值 中图分类号T D 3 1 5 文献标识码B 文章编号 0 2 5 3 2 3 3 6 2 0 0 5 1 1 0 0 4 9 0 3 Dy n a mi c t e n de n c y a n d EM E c r i t i c a l v a l ue o f s e a m a n d r o c k i n d e e p mi n i n g s e c t i o n GAO Mi n g - s h i ， DOU Li n - mi n g， ZHANG No n g， XU Xi n g - l i a n g， ZHENG Ba i - s h e n g S c h o o l ofE n e r g y a n d s f e tyE n g i nee r i n g，C h i n a o fMin i n g a n d T e c h n o l o g y ， X u z h o u 2 2 1 0 0 8， C h i n a Ab s t r a c t T h e p a p e r h a d s t u d y o n t h e d y n a mi c t e n d e n c y o f t h e s e a m a n d r o c k i n No ． J i 一2 mi n i n g s e c t i o n i n No ． 1 1 Mi n e o f P i n g d i n g s h a n C o a l Mi n i n g G r o u p ．T h e d y n a mi c f a i l u r e t i me T D ，t h e e l a s t i c e n e r g y i n d e x WE T a n d b u mp e n e r gy i n d e x K s w e r e me a s u r e d ．T h e p a p e r d e t e r mi n e d t h e c l a s s i fi c a t i o n o f t h e p r e s s u r e b u mp f o r t h e c o a l a n d r o c k i n t h e mi n i n g s e c t i o n ．Me a n wh i l e ，t h e p a p e r h a d o b t a i n e d t h e l a w o f t h e i n i t i a l b u mp a n d b u mp f a i l u r e ．T h e p a p e r d e t e r mi n e d t h e E ME c r i t i c a l v a l u e a n d p u l s e n u mb e r s o f t h e d y n a mi c f a i l u r e for t h e c o a l a n d r o c ks ． Ke y wo r d s d e e p mi n i n g； d y n a mi c t e n d e n c y ；E ME c r i t i c a l v a l u e 1 概 述 冲击矿压 岩爆 是 由于聚集在 煤岩体 中的 弹性应变能在瞬间突然释放而造成对巷道或人员极 大破坏的一种动力灾害现象。煤岩体冲击倾向性理 论认为动力倾向性是煤岩介质产生冲击破裂的固 有能力或属性，是冲击矿压发生的必要条件，它反 映了煤岩体发生冲击破坏的急剧程度和在瞬间释放 弹性变形能的速率。反映煤岩动力倾向性的指标 已 不少 ，主要包括蠕变柔度系数 、刚度 比、顶板弯曲 能指数 、脆性系数、有效冲击能指标等，而 目前在 我国得到应用 的主要是动态破坏时间 、弹性能 指数 和冲击 能指数 三个指标。随开采深度 增加，原岩应力明显增大，地压显著增大，煤岩体 基金项 目国家 自然科学基 金重大资助项 目 5 0 4 9 0 2 7 0 ；教育部 博士点专项基金资助项 目 2 0 0 3 0 2 9 0 0 1 7 的动力倾向性也随之增大。因此对于任何煤岩体， 特别是深部采区，在事先不清楚其冲击破坏危害性 大小的情况下很有必要对其动力倾向性进行实验研 究 ，测定出煤层 的动态破坏 时间 。 、弹性能指数 和冲击能指数 ，确定深部采区煤岩的冲击矿 压等级，同时测定煤岩变形破坏的 E M E 电磁辐 射规律，确定煤岩发生冲击矿压的 E M E临界幅 值和脉冲数，为实际生产中采取相应防治措施提供 理论依据。 平煤十一矿己二采区埋深 ⋯ 8 4 7 9 3 0 I n ，可 采储量 1 4 5 9 ． 8 3万 t ，设计生产能力 6 0万 t ／ a ，服 务年限为 1 8 ． 2 a ，是该矿第二水平接续首采区。采 区内主采煤层为己 1 61 7煤层，赋存较稳定，煤 厚变化 较 大，在 4 ． 2 5～2 O ． 5 4 I n ，平均 7 ． 4 5 I l l 。 2 0 0 4年上半年在施 工采 区集 中运输 巷时 ，发生 了 大的煤炮及震动现象 ，个别地段甚至煤壁突然大面 积片帮 、挤 出，支架歪斜移动等 ，在施工钻眼过程 49 维普资讯 第3 3 卷 第1 1 期 煤 炭科 学 技 术 2 0 0 5 年1 1 月 中也出现了夹钻、卡钻等动力现象。这些动力现象 是典型的冲击矿压显现 ，所幸未造成重大事故 。为 有效防治冲击矿压 ，在中国矿业大学岩石力学实验 室 ，对该采区煤岩动力倾 向性及其变形破坏过程的 E ME规律进行 了实验测定 ，为采 区采取针对性 防 冲措施实现安全回采提供了可靠的实验依据。 2 实验过程 2 ． 1 取样及试件J j n - r - 在己二采区 2 2 1 2 0工作面选取煤样后 ，在中国 矿业大学岩石力学实验室将煤样加工成 0 m m 1 0 0 m m的标准试件 由于煤质特别松软，部分煤 样只能加工成长方体 5 0 m m 5 0 m m1 0 0 m m或 正方体 5 0 mm 5 0 m m 5 0 mm 。 2 ． 2 试验 系统及方法 实验系统由加载系统、电磁辐射和声发射信号 采集系统、载荷位移记录系统和电磁屏蔽罩组成， 如图 1 所示。 图 1 实验系统 1 一 位移传感器 ；2 一 声发射探头 ；3 一绝缘纸 ；4 一平板 天线 5 一 圆筒天线 ；6 一屏蔽 网罩 2 ． 3 加载系统 加载装置采用长春实验机研究所生产的高精度 能控制加载速度及 调节油压 的 C S S一 4 4 0 0电子万 能实验机 主机、附件、计算机系统和德 国 D O L L电子公司生产的 E D C 1 2 0数字控制器力学试 验系统。 2 ． 4 声发射和电磁辐射系统 采用 中国矿业 大学 D i S P一 2 4煤 岩力学声 电测 试系统。该系统可记录煤岩体变形破坏过程中的声 发射 A E 和电磁辐射 E M E 信号，记录信号 的幅值 、脉冲数、声发射的振铃计数率、能量等， 是 目前国内先进的岩石力学声电测试系统 。 2 ． 5屏蔽系统 为了减少外界工业用电、无线广播 、电动机械 5 0 等环境的干扰影响，采用了网格尺寸小于0 ． 5 m m 的铜网作屏蔽系统 ，铜 网直接接地 。实验时将 电磁 辐射的天线、声发射探头、伺服材料实验机压头等 一 起放入屏蔽 系统 内。 2 ． 6 实验过程、数据采集、加载速度及细节记录 加载速度 为 0 ． 0 2 m／ mi n ，波形采样频率为 2 MH z ，记 录内容见表 1 。 表 1 实验通道及输出内容记录 且各通道设置 了不同的增益和门槛值。 3 煤岩动 力倾 向实验结果 3 ． 1 煤岩加载破坏实验 曲线 通过对 l 2个煤岩试样进行 的一次加载和循环 加载破坏实验 ，得到了煤岩试样的载荷 一时间、载 荷 一 变形 、应力 一应 变 、E ME幅值 一时间、E ME 脉 冲数 C N T 一时间、声发射 A E频率 一时间的 关 系。 3 ． 2 煤岩动力倾 向等级确定 从得到 的载荷 一时间曲线可算出煤岩的动态破 坏时间 ，从一次加载破坏实验曲线可计算出冲 击能指数 ，由循环加载实验 曲线可计算 出弹性 能指数 ，进而根据分类标准对该采 区冲击矿压 危险程度进行等级划定，最后确定平煤十一矿己二 采区煤岩具有中等冲击危险。实验结果见表 2 。 4煤岩孕冲 一冲击的 E ME临界值确定 4 ． 1 煤样冲击破坏的 E ME规律 从部分煤样破坏的 E M E实验室试验结果曲线 可分析得 出己二采 区煤样 冲击 破坏 的 E ME规律 ① 在发生冲击性破坏以前 ，电磁辐射强度值较高 ， 之后有一段时间相对较低，一般在某个值 临界 值 以下 ；② 而在冲击破坏时 ，电磁 辐射强度 突 然增加 ，达到 、接近或超过临界值 ，煤岩体电磁辐 射的脉冲数也随着载荷的增大及变形破裂过程 的增 强而增大，载荷越大，加载速率越大 ，煤体的变形 破裂越强烈，电磁辐射信号也越强。 维普资讯 第 3 3 卷 第1 1 期 煤 炭 科 学 技 术 2 0 0 5 年1 1 月 4 ． 2 煤岩冲击破坏 E ME临界指标确定 从实验结果看出，己二采区的煤样 ，在 自然状 态下冲击破坏时 ，电磁辐射的幅值平均为 1 5 0 m V， 电磁辐射脉 冲数基本为 2 0 0 0 0次。煤样在实验室 加载直到完全破坏，而实际生产中对应的是完整煤 体， 还远未被压裂破碎，测录的数据相应要比实验 室测得的指标小一些。考虑到上述原因，特确定己 二采区煤岩防冲监测 E M E临界幅值为 1 0 0 m V，电 磁辐射脉冲数为 1 5 0 0 0次。 5结 论 1 由于地 应力 的增大 和 开采扰 动 的影 响 ， 深部采 区较浅部采 区煤 岩的动力倾 向性 相对增大 ， 发生冲击矿压的几率也相对增加，因此在进行深部 采区开采之前很有必要对煤岩本身的动力倾向性及 孕冲 E ME临界值进行实验测定 ，为形成完整 的防 冲技术体系 “ 煤岩动力倾向性 冲击 E ME临界值 实验室测定一深部采 区 工作面冲击等级确定 ～ 制定 防冲方案一现场 E M E监测一超标解危一 E M E效果检验一低于临界指标正常生产” ，做好前 提条件。 2 在实验室对深部采 区煤样动力倾 向性进 行测定 ，测定 出煤层 的动态破坏时 间 、弹性 能 指数 和冲击能指数 ，从而对平煤十一矿己二 采区冲击矿压危险程度进行等级划定， 并划定为中 等冲击危险，为采区提前作好防冲准备提供了理论 依据。 3 由实验得到 了煤岩孕 冲 一冲击破坏的 E ME规律，确定了煤岩动力破坏 的 E M E临界幅值 和脉冲数 ，为现场实际生产中采取解危措施及效果 检验提供了可靠依据，具有现实指导意义。 参考文献 [ 1 ] 窦林名，何学秋 ．冲击地压防治理论与技术 [ M] ．徐州 中国矿业大学 ，2 0 0 1 ． [ 2 ] 赵本均，滕学军 ． 冲击矿压及其防治 [ M] ．北京煤炭工 业 出版社 ，1 9 9 5 ． [ 3 ] 周晓军 ． 煤矿冲击地压发生条件及其控制的理论与应用研 究 [ D ] ．重庆 重庆大学 ，1 9 9 7 ． [ 4 ] 唐春安 ． 岩石破裂过程中的灾变 [ M] ．北京煤炭工业出 版社 ，1 9 9 3 ． [ 5 ] 王宏图，许江，魏福生，等 ． 煤岩体冲击倾向性指标评 价 [ J ] ．矿山压力与顶板管理 ，1 9 9 9 3 ． [ 6 ] 王占江，张德志，张向荣，等 ． 蓝 田花岗岩冲击压缩性的 实验研究 [ J ] ．岩石力学与工程学报， 2 0 0 3 5 ． [ 7 ] 窦林名，何学秋 ． 采矿地球物理学 [ M] ．徐州 中国矿业 大学 ，2 0 0 1 ． 作者简介高明仕 1 9 7 0 一 ，男，甘肃靖远人，现为中国矿 业大学博士研究生， 研究方向为矿山压力与岩层控制、深井开采煤 岩动力灾害防治。E m a i l c u m t g m s 1 6 3 ． c o rn 收稿 日期2 0 0 5 0 61 0 ；责任编辑李军涛 5l 维普资讯