单位文秘网 2021-07-24 08:10:12 点击: 次
摘要:文章阐述了煤岩破裂及其动力灾害的机理,介绍了声波、声发射、电磁辐射、地电和红外温度等技术在煤岩破裂探测方面的基本原理。对煤岩破裂探测技术在实际生产中的应用进行了总结,分析了各类技术优缺点以及需要改进或完善的方面,对预测冲击矿压具有一定的的指导意义。
关键词:矿井煤岩破裂;探测技术
1 引言
煤矿采矿活动造成地下岩体应力的重新分布和岩体的破裂损伤,伴随着采动的影响,将会诱发矿山煤岩体的震动破坏(即矿震或冲击)。煤矿煤岩动力灾害的发生往往与人工开挖过程具有特定的联系,例如:采动损伤造成煤岩体内部积聚的大量能量瞬间释放,将会导致冲击矿压;采动损伤极大地改变围岩的渗透性,将会导致顶板、断层带或底板突水事故;采动损伤造成煤岩体的卸压以及松散,将会导致煤与瓦斯涌出(突出),甚至发生瓦斯爆炸灾害,这些灾害事故随着开采深度增加日益严重。煤矿采场围岩空间破裂形态与应力场的关系,是预测和控制冲击地压、矿井突水、煤与瓦斯突出以及顶板整体冒落等矿井灾害的基础。因此,探究煤岩破裂的机理和煤岩破裂的探测技术十分重要。
2 煤岩破裂及其动力灾害发生原理
裂纹的扩展开始是零星和随机的,随着应力变形的增加,裂纹不断扩展和连通,而且逐渐集中在某一局部范围;当应力达到煤岩体峰值强度以后的阶段,煤岩体的破坏方式为剪切滑移,而且破坏集中在局部区域;针对冲击矿压与突出的发生需要满足能量条件、刚度条件和冲击倾向性条件。煤矿中,煤层、底板、顶板构成一个平衡系统。其中顶底板的强度均比煤层的大,而且煤体是开采的对象,故在压力作用下,煤体极易遭到破坏,如果是稳定破坏,则表现为煤柱的变形、巷道的压缩等,如果是非稳定破坏,则表现为冲击矿压或突出(即煤层冲击)。
3 煤岩破裂探测技术的分析
煤岩灾害动力现象的发生过程,或者结构材料的失稳破坏,实际上是一种能量释放的物理或化学过程,通过检测声波、声发射,电磁辐射、地电或温度变化规律,就可以对其变形破裂过程和特点进行分析与预测。
3.1 煤岩破裂的声波探测。采用声波技术来评价开采引发的采矿动力危险(冲击地压、煤和瓦斯突出),其基本原理是冲击矿压等采矿动力危险是岩体中的应力造成的,与岩体的物理力学特性有关,而岩体中的应力分布状态与岩体的物理力学参数和声波的分布有关。声波测量的基本参数是不同类型的地震波的传播速度,以及在阻尼系数的影响下,振幅和能量的变化。
上述声波的参数,特别是地震波的传播速度与岩体中的应力应变状态有很大的关系。岩体中重要的矿山压力参数为裂隙率。岩体的破坏过程伴随着裂隙区域的变化,对应声波参数的变化及范围的变化,那么就可以通过测量波速来辨别。
3.2 煤岩破裂的声发射探测。岩石在荷载作用下发生破坏,主要与裂纹的产生、扩展及断裂过程有关。裂纹扩展,造成应力弛豫,贮存的部分能量以弹性波的形式突然释放出来,产生声发射(Aeoustlc Emis-sion)。岩石的每一个声发射信号都反映岩石内部缺陷性质的丰富信息,对这些信息加以处理分析和研究,可以推断岩石内部的形态变化。
岩石声发射研究的目的是确定岩体中的应力状态以及预测采掘面及周围岩体突然、猛烈的破坏。如冲击矿压、煤和瓦斯突出、垮落等。
声发射法是以脉冲形式记录弱的、低能量的地音现象。其主要特征是频率从几十到至少2000Hz或更高,能量低于100J,下限不定,振动范围从几米到大约200m,甚至更多。
采矿声发射方法主要用来确定在掘进的巷道或正在回采的工作面的冲击矿压危险,采用的方法主要有站式连续监测和便携式流动地音监测。用来监测和评价局部震动的危险状态及随时间的变化情况。主要记录声放射频度(脉冲数量)、一定时间脉冲能量的总和、采矿地质条件及采矿活动等,
3.3 煤岩破裂的电磁辐射探测。煤岩体裂纹扩展时,处于裂纹尖端表面区域中在应力诱导极化作用下积聚大量正负电荷,裂纹尖端表面区域的扩展运动、电荷的迁移过程以及破坏停止后正负电荷的快速中和过程均会伴随电磁辐射效应。煤岩剪切摩擦过程微观上是破坏过程,同样也会伴随电磁辐射效应。因此,承载煤岩在微观上非均匀应力作用下的变形及破裂过程必然伴随着电磁辐射效应。煤体中应力越高,变形破裂过程越强烈,电磁辐射信号越强,其主频带也越高。
地层中的煤岩体未受采掘影响时,基本处于准平衡状态。当掘进或回采空间形成后,周围煤岩体失去应力平衡,处于不稳定状态,发生变形或破裂,以向新的应力平衡状态过渡,即发生变形或破裂,从而产生电磁辐射。即使当采掘空间或巷道周围煤岩体处于基本稳定状态时,由于煤岩体仍然承受着上覆岩层的应力作用,此时工作面煤体处于流变状态,同样会产生电磁辐射。
煤体受载破裂时,其声发射信号的频谱不是一成不变的,而是随载荷及变形破裂过程而发生变化,基本上是随着载荷的增大及变形破裂过程的增强,声发射信号增强,主频带增高。因此,可将声发射技术应用于预测预报煤岩动力灾害、研究煤岩体等材料的破裂过程。
3.4 煤岩破裂的地电探测。采矿电法是利用岩石电特性的变化来解决顶板、地质及采场技术的问题。
其探测方法有电阻法和雷达法两种。在电阻法中,主要是测量岩体的电阻及其随时间变化的规律,测量电阻可以获得采矿影响下岩体结构及变化信息。雷达法是属于电磁波传播的方法之一,其物理基础是利用电磁波传播和阻尼与岩体结构和性能之间的关系,这种波的传播就像地震波的传播一样。电磁波正传播途中遇到电介质不同的边界会反射回来,形成反射波。根据反射波传回的时间和速度可对边界定位,从而可以探测煤岩体的破裂及裂隙等。
3.5 煤岩破坏的红外温度探测。红外遥感对物质的温度十分敏感,在军事和国民经济的诸多部门得到了广泛的应用,取得了巨大的效果。红外遥感目前探测的物理量主要是物质的红外辐射温度。
煤柱承载直到屈服破坏是一个动力过程;煤爆、煤岩与瓦斯的突出也是一个动力过程;煤层顶板运动破坏也是一个动力过程,它们在地应力和采动应力的共同作用于产生移动变形,并会引起煤岩内部结构的物理化学变化,其中必然包括能量的转移和电子的跃迁。那么,作为电磁辐射之—的热红外辐射温度的特征变化必然反应上述物理化学过程,并提供一些前兆信息。
4 结束语
总之,目前应用较为广泛的煤岩破裂探测方法有声波法、声发射法和电磁辐射法,这些测试方法不受人工和工作面煤岩体分布均匀及稳定的影响,预测准确率高,成本低,不需打钻,对生产影响小,预测费用大幅度降低。其中电磁辐射法真正实现了非接触预测,而且这些方法能够连续监测采掘工作面的煤岩体活动,但是由于使用的探头需要和煤岩体耦合,这给探测带来了误差。地电法中的雷达(地质雷达)法也有一定的应用,但是地下岩层包含黏土、水和盐类物质的这些特性,显著减小了雷达的穿透能力,因而有待于进一步的改进。 近年来,红外温度探测法虽然有了很大的发展,但是辐射衰减以及其他辐射源的干扰仍然是面临的新问题,还需要进一步的探索。
参考文献:
[1]孙玉成,煤岩破裂产生的冲击破坏及其探测技术,《煤炭科技》杂志,2009、11
[2]张凡,煤岩破裂产生震动的机理及探测方法,《中州煤炭》杂志,2009、7
[3]刘永,煤岩破裂电磁辐射预测临界值的选取及应用,《煤矿安全》杂志,2010、5
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