某矿山是一座年产能力30万t的中型矿山,已先后在矿区内形成了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ号4个大采空区,对井下生产安全构成重大威胁。为了安全开采Ⅳ号采空区下部资源,矿山采用大爆破崩落顶板方法对Ⅳ号采空区进行了综合治理,并在Ⅳ号采空区周边范围内建立了一套12通道声发射监测系统,以研究地压活动规律,防止地压活动灾害。
2008年1月5日凌晨,监测目标范围内采空区顶板发生大面积垮塌,监测系统对此次垮塌事故进行了准确预警预报。本文对垮塌事故发生前后一周的监测数据进行了统计,应用监测数据分析了垮塌事故发生的全过程。
1 多通道声发射监测系统简介
STL - 12型多通道声发射监测系统是长沙矿山研究院自主研发的一种岩体声发射监测仪器。系统能24 h实时监测记录12个传感器周边80 m范围内岩体的声发射信号,通过软硬件频率开窗、智能时域开窗以及人工智能识别等先进技术,进行噪声滤置和讯号分析,可监视每一时刻的声发射波形、频率、能量、事件数、事件率等参数。通过电话拨号,可以实现远程启动、关闭数据采集机、远程采集数据、远程设置参数等。目前已广泛应用于矿山、水利水电、建筑地基等领域。一套完整的声发射监测系统由传感器,井下数据采集站和地表监测站3 部分组成。
2 监测结果分析
声发射参量携带大量有关岩体特性的信息,且在岩体破坏之前就产生变化,通过对声发射特征参量的统计以及波形频谱分析,可预测和判断监测目标范围内岩体的稳定状态。
2. 1 声发射信号类型
声发射信号有两种基本类型:突发型(见图1)和连续型(见图2) 。
突发型信号为在时域上可分离的波形。实际上,所有声发射过程,均为突发过程,如断续的裂隙扩展,断裂等。不过,当声发射频度高达时域上不可分离的程度时,就以连续型信号显示出来,如塑性变形声发射过程前期的信号等,也有可能是由于声波在传播过程中反射、折射所致。
2008年1月1日至2008年1月7日系统监测到的声发射信号以突发型为主, 2008年1月2日、2008年1月3日, 10号通道频繁采集到连续型声发射信号,分析认为:临近破坏前10号探头周边岩体的声发射频度很高,说明岩体应力变化明显,岩体处于临近破坏前的声发射活跃期。
2. 2 事件数统计分析
声发射事件数是反映岩体声发射信号多少的特征参量,大事件是指声发射信号达到设定强度参数的声发射事件。岩体声发射特征参量与岩体状态密切相关。声发射信号强弱、多少与岩体结构、构造及受力状态有关,岩体受力破坏的不同阶段,其声发射水平有一定的差别。通过对岩体声发射总事件数和大事件数的统计分析,可推断岩体内部的性态变化,反演岩体的破坏机制。
2008年1月1日至1月7日,系统各通道声发射总事件数和大事件数见表1。
从统计结果看,该段时间内7, 10号通道声发射事件最多。7, 10号探头布置在Ⅳ号采空区周边,距离2008年1月5日顶板坍塌事故发生地点最近。对7号和10号通道的总事件数和大事件数的统计见表2。
对7号和10号探头的声发射事件数的统计分析表明,岩体越濒临破坏,所产生的声发射信号就越强、越多,一般是稳态声发射数的数倍,这种增加接着在即将产生岩体破坏之前紧跟一个声发射活动的急剧减少,即岩体在失稳前会发生声发射反常现象,岩体一旦破坏后,其声发射水平便会急剧下降。
2. 3 事件率统计分析
声发射事件率指单位时间内观测到的声发射事件次数,是反映岩体声发射信号发生频度的特征参量。通过对事件率的统计分析可以判断声发射事件的时态分布规律。通过对各通道2008年1月1日至2008年1月6日每天24小时的事件率( c /5min)统计分析,得出Ⅳ号采空区围岩在稳态时声发射事件率的平均值小于2 c /5min,声发射事件发生时间较为零散,岩体临近破坏声发射事件间隔突发大量产生,其中以10号通道最为典型。10号通道在2008年1月1日声发射事件不多且随机产生,说明岩体应力处于平衡状态。2008年1月2日13时至16时, 2008年1月3日16时至17时, 2008年1月4日18时至19时等时间段声发射事件率突增,最大值为10 c /5min,说明在这些时间段内岩体应力发生变化,岩体应力平衡状态破坏,应力释放时产生大量声发射事件。应力释放后岩体进入新的平衡状态,岩体经过几次从平衡状态- 应力增加- 应力释放- 新的平衡状态的变化,最终发生破坏。
2. 4 声发射波形特征分析
通过对岩体破坏前不同时间段的声发射波形进行对比分析可以看出,岩体处于不同受力状态时声发射波形有明显的区别,如图3、图4所示。
岩体在受力破坏过程中的不同时段,声发射信号的频谱特征会发生变化,随着压力的增加,主频、振幅均变小,频谱形状发生变化。这种变化与裂隙的产生、形成直至破坏的岩体变化过程相对应。
2. 5 结果讨论
对于岩体在受力破坏过程中的不同时段,声发射信号的频谱特征发生变化的原因有两种解释,一种为岩体在整体破坏前岩体内部已有局部破坏,传播岩体声发射信号的介质发生了变化,容易衰减的高频信号在传播过程中被岩体吸收,声发射探头接收到的信号为低频信号;另一种为频谱特征发生的变化与岩体的应力变化一一对应,即岩体在不同的应力状态下声发射源产生的信号频率本身不同,但哪一种解释更为准确尚需研究证实。
3 结 论
(1) 实践证明岩体声发射监测技术作为一种新的测试技术可以在岩体稳定性的预测预报中发挥重要作用。随着理论研究的不断深入以及现场应用技术和设备的不断改进,这一技术必将有广泛的推广和应用。
(2) 岩体声发射监测技术与传统的测试手段相比,在预测预报方面有很大的优越性,但在应用中缺少理论支持,目前尚需完善,加之矿山工程的复杂性,因此在实际应用中若能与位移、应力等测试方法相结合效果会更好。
(3) 在使用声发射监测系统进行岩体稳定性预测预报时,系统参数的设置应根据矿山岩体条件、现场实际情况和测试结果综合分析进行设置。
(4) 岩体声发射含有大量丰富的岩体信息,在对测试结果的分析方面虽然取得了一些成果,但在声谱分析应用方面还仅仅是开始,期待有更多的同行今后进行这一工作,揭示岩体声发射频谱特性和规律,使声发射监测技术在矿山安全工程中发挥更大的作用。
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