声发射监测评价冲击地压危险状态的机制及应用研究

杨 磊，冯美华

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013)



声发射监测评价冲击地压危险状态的机制及应用研究

杨 磊1，2，冯美华1，2

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013)

为了研究声发射监测技术在冲击地压危险状态评价和预警应用中的可行性，理论分析了声发射活动与煤岩损伤的关系，基于实验室测试验证了声发射指标与煤层冲击倾向性的相关性，并将研究成果应用到了现场实践。研究结果表明：声发射活动能够直接反映煤岩材料的损伤程度，声发射事件的峰值能量与煤层冲击倾向性呈正相关关系，一定程度上揭示了煤岩发生冲击破坏的能力，是评价冲击地压危险状态的基础。基于发震概率与报准率的衡量标准，现场应用声发射敏感指标地音异常系数对冲击危险状态给出了评价和预测，确定了潜在冲击危险区域和危险状态，有利于指导现场提前采取措施，降低冲击危险。

声发射；冲击地压危险状态；损伤；冲击倾向性；地音异常系数

冲击地压是在高应力状态下积聚有大量弹性能的煤岩体突然发生破坏、冒落或抛出的具有破坏性的动力灾害，其巨大的破坏性和复杂性已成为制约煤矿安全生产的重大隐患[1-3]。

随着我国矿井逐步进入深部开采，冲击地压问题日趋严重，已成为煤矿工程与岩石力学领域公认的最严重的灾害之一。因此，深入开展冲击地压的危险状态评价、预测防治研究已成为我国煤矿安全持续发展的关键课题。

煤岩等固体材料在外界条件作用下，以弹性波的形式快速释放弹性能的现象称为声发射[4]，在煤矿现场称之为地音，其在一定程度上反映了煤岩材料内部的微破裂状况，而该微破裂的进一步发展则易形成最终的断裂失稳，即冲击地压。由此可见，对煤岩进行声发射监测可以实现冲击地压的危险评价和预警。

基于声发射监测的对象及原理，国内外众多学者对声发射技术展开了大量的基础及应用研究[5-8]，取得了许多成果，但主要集中在实验室煤岩破裂的声发射机理、参数特征及煤矿井下适应性等方面，而将其应用于煤矿现场冲击地压危险状态评价和预测方面的研究较少，其主要原因在于声发射信号能量低、频次高，抗干扰能力小，且在煤岩体这种裂隙发育且非均质的材料中衰减太大，在煤矿这种复杂条件下难以被接受，再加上微震监测技术的不断完善，使得声发射(地音)监测技术至今未得到普遍应用。

但不可否认的是，声发射监测的是冲击地压发生前的煤岩微破裂，是真正能实现冲击地压危险状态评价和预警的技术手段。因此，本文首先分析了声发射与煤岩损伤的关系，在试验的基础上得出了能够反映煤岩冲击破坏能力的声发射敏感指标，通过现场实际应用，对敏感指标进行了优化并研究了其在评价和预警冲击地压危险状态的应用效果，为国内其他矿井应用声发射监测技术提供了应用基础和借鉴。

1 声发射与煤岩损伤关系分析

损伤是指存在于材料内部的各种缺陷，卡钱诺夫在研究金属损伤时提出损伤变量D来衡量材料损伤程度，D=1-ω，ω为连续性变量。当D=1时表示材料完全破坏；D=0时表示无损状态；0

煤岩材料通常不均匀，内部包含微裂纹和孔隙等缺陷，外界作用引起微裂纹扩大、损伤并且均匀分布在整个试样中。目前认为煤岩材料的损伤主要以微裂纹延伸的形式开始，这种微裂纹的延伸由局部应力集中引起。由于声发射是材料破坏过程中产生的应力波，与微裂纹或缺陷有直接的关系，且监测到的声发射分布是一种统计分布规律，因此，损伤与声发射之间必然存在一定关系，可以建立起统计损伤与声发射的关系。

设单位面积微元体破坏的声发射率为n，则单位面积dA破坏时的声发射累积事件数为：

N=n·dA

(1)

整个截面面积A破坏时的声发射累积事件数为NA，则：

(2)

假定微元的强度分布服从Weibull 分布，其分布密度函数为：

(3)

根据微元的强度分布假设可知，当试件的应变增加dε时，则产生破坏的截面增加量dA为：

dA=A·φ(ε)·dε

(4)

将式(4)代入式(2)得：

N=NA·φ(ε)·dε

(5)

损伤量D是材料损伤程度的量度，各微元中存在的缺陷反映了其损伤程度，并且直接影响着微元的强度，微元损伤率与损伤量的关系为：

(6)

由式(5)和式(6)可知，当截面面积破坏达AO时，损伤变量D为：

(7)

由此可见，声发射活动可以直接反映煤岩材料的损伤程度。因此可以通过监测得到的声发射活动特征来推断煤岩变形破坏情况，对一个既定的煤岩系统来说，则可依此判断冲击地压危险状态。

2 声发射活动与冲击倾向性相关性

冲击倾向性作为煤岩介质的固有属性，在一定程度上反映了煤岩材料积聚变形能和发生冲击破坏的能力，为了验证声发射监测能切实有效地评价煤岩材料的冲击危险状态，首先在实验室对声发射活动与煤岩的冲击倾向性指标的相关性进行验证。

2.1 实验方案

本试验试件来自3个矿区不同煤层，在实验室按国标加工成φ50mm×100mm的标准试样，在试验机上进行1次加载和循环加卸载试验，试验过程中把声发射传感器用耦合剂和胶带粘贴在试件上，用于采集声发射信号。

试验所用的加载系统为TAW-2000微机控制高温岩石三轴试验机，加载系统采用高性能电液伺服比例阀组及计算机数字控制。声发射测试采用美国物理力学公司(Physical Acoustic Corporation)生产的PCI-2全数字化声发射信号采集分析系统。

试验时，采用轴向位移加载和负荷加载控制方式，通过对试件进行1次加载和循环加卸载，记录和分析试件的单轴抗压强度、弹性能量指数、冲击能量指数及动态破坏时间。声发射试验采样率设为1MHz，前置放大器和主放大器增益设为40dB，即信号放大倍数为100倍，采用4个通道同时采集数据，全程进行声发射信号的采集，主要采集参数包括撞击数、振铃计数、能量计数、峰值能量等特征参数，加载过程与声发射监测保持同步，以方便声发射参数与冲击倾向性4个指标的相关分析。

2.2 相关性分析

冲击倾向性的4个指标中，主要包括2个能量指数，1个强度指数和1个时间指数，而声发射特征参数中与之相近的为能量计数和峰值能量，其中峰值能量可以涵盖2个能量指数和时间指数的相关信息，因此，对声发射峰值能量与冲击倾向性的4个指标进行相关性分析，如图1所示。

图1 峰值能量与冲击倾向性指标的相关性

从图1中可以看出，声发射峰值能量与弹性能量指数、冲击能量指数和单轴抗压强度可以很好地拟合，从拟合曲线可以看出随着弹性能量指数、冲击能量指数和单轴抗压强度的增加，声发射事件峰值能量随之增加，表明峰值能量与弹性能量指数、冲击能量指数和单轴抗压强度呈较好的正相关关系；此外，随着动态破坏时间的增加，事件的峰值能量随之降低，呈负相关关系。由此可见，声发射事件的峰值能量与煤岩冲击倾向性存在较好的正相关关系，直接反映了煤岩发生冲击破坏的能力，在一定程度上有助于评价冲击危险状态。

3 冲击危险声发射评价现场应用

3.1 现场应用评价指标

声发射技术应用于煤矿现场统称为地音技术，与实验室不同的是，煤矿现场条件复杂，受噪音干扰、安装工艺及监测对象等因素的影响，直接应用单一的能量、事件数等指标进行冲击危险性评价效果并不理想，也无法给出评价指标的具体临界值。然而，由于地音监测的高度敏感特征，对于煤岩体内部微破裂均会引起地音能量及频次的大幅变化，这种异常变化却易于掌握，因此，选取地音能量异常指数PE与频次异常指数PN作为现场评价冲击地压危险的主要指标，其计算公式如下：

(8)

(9)

为了辨别这两个指标的合理性与有效性，运用发震概率与报准率对其评价结果进行衡量。发震概率是指评价过程中预测正确的次数与预测总次数的比值，报准率是指报对次数与应预报次数的比值[11]。

图2为6个矿井21个采掘工作面能量异常系数、频次异常系数与发震概率的统计关系，从图中可见，能量异常系数和频次异常系数这两个危险评价指标与发震概率呈现明显的正相关关系，因此，通过计算这两个指标可以评价当前的冲击地压危险程度。

图2 地音异常系数与发震概率的统计关系

3.2 应用效果验证

依据上述分析得到的评价指标与衡量标准，在内蒙古古山煤矿进行了现场应用验证。古山煤矿一井主要可采煤层为6-2煤层，目前开采深度为400m左右，煤层平均厚度为14.95m，煤层倾角26°，煤层上覆顶板岩层为辉绿岩侵入体，厚度230m左右。矿井目前正在回采069-2综采工作面，该面西临上分层069-1和068-1采空区，南临068-2采空区，东临066-1和065-2采空区，属于三面环岛区，在开采过程中频繁发生冲击地压显现，该矿于2012年引进了ARAMIS M/E微震监测系统和ARES—5/E地音监测系统。

2013年2月27日3时56分，069-2工作面回风巷距切眼110m位置靠近顶板位置发生一起高能事件，震级ML1.7，释放能量1.86×106J，井下有轰隆声，局部顶煤垮落。图3为2月24日至3月2日地音事件频次、能量异常系数的变化情况，根据古山煤矿长期监测规律确定其异常系数的安全线、黄色预警线与红色预警线分别为0.25，1和2。从图中可以看出，冲击地压发生前地音活动波动较为剧烈，2月26日晚班，运输巷频次异常系数已超过2，能量异常系数及回风巷频次异常系数也已接近2，从地音能量的小时异常系数来看，其前兆时间为8h。冲击地压发生后，煤岩体恢复稳定状态，地音活动明显变弱。

随后5月18日、5月20日、5月22日、5月23日、5月25日和5月29日共发生6个高能冲击事件，微震监测定位结果表明，这些事件均发生在069-2运输巷超前50～100m处，震感较为强烈。

图4为该时间段内地音活动和能量异常系数变化情况，从图中可见，这个时间内地音波动较为强烈，冲击事件发生概率很高。从预测结果来看，6个冲击事件中有4个事件发生前3个班时出现黄色预警，1个事件发生前1～2个班时发出红色预警，1个事件处于黄色预警线以下，有冲击报准率为83%，表明地音异常系数在现场评价预测冲击危险有较高的准确性。

图4 地音异常系数评价冲击危险报准情况

4 结 论

(1)声发射活动直接反映了煤岩材料的损伤程度，通过监测煤岩内部的声发射活动特征可推断煤岩变形破坏情况，依此判断冲击地压危险状态。

(2)试验发现，声发射事件的峰值能量与煤岩冲击倾向性存在较好的正相关关系，直接反映了煤岩发生冲击破坏的能力，是评价冲击地压危险状态的基础。

(3)运用发震概率与报准率对评价结果进行衡量显示，现场应用地音异常系数评价预测冲击危险具有较高的准确性，有利于指导现场提前采取措施，降低冲击危险。

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[责任编辑：潘俊锋]

青年论坛

Rock Burst Risk State Monitoring Evaluation Mechanism with Acoustic Emission and It’s Application

YANG Lei1,2，FENG Mei-hua1,2

(1.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China； 2.Mining Institute，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China)

In order to study the feasibility of acoustic emission monitoring technology，which apply in rockburst risk state evaluation and forewarning，the relationship between acoustic emission and coal and rock damage was analyzed，the relationship between acoustic emission index and coal seam burst potential was verified by experiment，then the results were applied in field.The results showed that coal and rock material damage degree could be reflected immediately by acoustic emission activity，the relationship between the peak value of acoustic emission and coal seam burst potential was positive relationship，it revealed burst broken capacity in some degree，and its a base of rock burst risk state evaluation.Based on criterion of rock burst frequency and forecast accuracy，rock burst risk state was evaluated and forecast by acoustic emission sensitive index rock noise abnormal index in field，then potential burst risk zone and dangerous state，it good references for taking some advanced measures in field，and burst risk was decreased.

acoustic emission；rock burst risk state；damage；rock burst tendency；rock noise abnormal index

2016-06-22

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.06.026

国家自然科学基金资助项目(51574149)

杨 磊(1988-)，男，江苏淮安人，助理研究员，主要从事冲击地压、岩层控制等方面的研究工作。

杨 磊，冯美华.声发射监测评价冲击地压危险状态的机制及应用研究[J].煤矿开采，2016，21(6)：92-95，103.

TD324

A

1006-6225(2016)06-0092-04