浅谈声波法技术在采矿中的应用

李 鹏

(潞安矿业集团(公司)古城煤矿，山西 长治 046000)

在我国的现有能源中，煤炭占有很大的比重，因此，必须解决好采矿作业中的安全性并保证矿井生产的连续性。由于井下开采活动打乱了原岩应力所处的原有平衡状况，引起了应力的重新分布，为保证安全生产，就要采取措施来减轻、调节、改变和利用矿山压力［1］。

为了能够有效地监测岩体的动态变化和揭露已有的地质构造，而又不破坏地下的整体结构，可以利用岩体中自然的或人工激发的物理场来实现目的。而弹性波的引入恰好能顺利地解决这一问题［2］。

所谓弹性波，是指弹性介质中物质粒子间有弹性相互作用，当某处物质粒子离开平衡位置，即发生应变时，该粒子在弹性力的作用下发生振动，同时又引起周围粒子的应变和振动，这样形成的振动在弹性介质中的传播过程称为“弹性波”。它在液体、气体中是以波(纵波)的形式传播的，而在固体中还能以波(横波)的方式传播。

1 弹性波的传播理论

1．1 应力与应变的关系

由于物体受到外力和应力的作用，而岩体中应力作用的结果是使其发生变形，甚至破裂。而应力和应变之间存在的关系取决于材料及实验的情况，通常情况下取为线弹性关系：

式中：

式中：

μ*和λ*—弹性常数;

δik—单位矩阵符号［3］。

1．2 动力学方程［4］

弹性动力学方程是由物体内的应力、外力及运动加速度构成的约束条件，在此我们用积分方式考虑建立方程为：

式中：

ρ—为质点密度;

f—体积力;

F—作用在表面上的力;

V—物体体积;

S—物体表面积。

不考虑质点的质量ρd v随时间变化的问题，则上式左边可以写成并且边界上的面力应该与物体内的应力保持连续，则有：σijni=Ti，最后应用高斯定理(Gauss)将上式变形为：

故可以得出动力学方程：

1．3 岩体中的波动方程

岩体的弹性特征决定开采应力的动态变化。这些弹性特征参数与地球物理参数，如纵横波在岩石中的传播速度等联系在一起。

通过建立模型，可以得到岩体中的波动方程：

波动方程表明，在无限体中，震动所形成的波因两种不同形式的变形而形成两种波—纵波和横波，且以不同的波速传播。波速为：

从上式可得出，lame 常数为：λ*= ρ(v2α-2v2β)和μ*= ρv2

β 。

2 声波法在采矿中的应用

2．1 声波测量方法及原理

根据采矿地质条件及研究目的，采矿声波方法有以下几种测量方式：

2．1．1 采矿巷道中的声波剖面法

巷道中的声波剖面法主要是测量巷道沿剖面线的声波参数(主要是速度)。测量时，在剖面线上安装地震波的激发点和接收点，以便激发地震波和接收地震波。巷道声波剖面示意图见图1。

2．1．2 巷道间的声波透视法

采矿巷道中的剖面法技术只获得沿剖面线的一维声波剖面分布，而且只考虑测量段的地质采矿条件。为了消除这些缺陷，采用声波透视法，它可以测量煤层平面，通常由两条平行的巷道切割的部分，其中之一为激发，之二为接收。巷道间的地震透视法示意图见图2。

2．1．3 钻孔中的声波剖面法

钻孔中的声波剖面技术与巷道中的振动剖面技术类似，只是将巷道用钻孔代替了。这种方法主要用来解决特殊的问题，例如，采用地球物理法确定煤层的冲击倾向性，以及采用简单的方法不能实现的问题，如为消除邻近煤层的停采线对研究区域的影响等。钻孔中的声波剖面法布置示意图见图3。

图3 钻孔中的声波剖面法布置示意图

测量时，钻孔中布置接收探头，并按一定的距离移动探头。每次测量时，在钻孔进行激发，记录弹性波在钻孔中传播的特征。

2．1．4 钻孔中的声波剖面法

这种方法是用来测试两个或多个钻孔之间岩体的应力应变变化规律。常用的是相互平行的两个钻孔，其中一个安设激发点，另一个安设接收探头。钻孔之间的声波透视法示意图见图4。

图4 钻孔之间的声波透视法示意图

2．2 声波法预测冲击矿压动力危险

声波测量方法的选择主要是根据具体的采矿地质条件和所要解决的问题而定。对于不同的问题，可选用较优化的声波方法，解决问题所采用的方法见表1。

随着计算机技术的进步和测量仪器的改进，该方法有着极大的应用前景，能够较精确地确定开采过程中的应力变化和探测煤岩的物理力学参数等问题。

表1 解决问题所采用的方法数

3 结论

采矿地球物理学是采矿科学的一个新的分支，而其中的弹性波理论在采矿中的应用也有着发展前景。而电子计算机的飞速发展，促进了地球物理方法的发展。本文通过介绍弹性动力学方程，并分析了弹性波理论中的声发射法的原理和应用，通过这些方法的论述体现了采用弹性波理论研究矿山开采问题的4个主要优点：1)与打钻孔、掘巷道探测相比，观察、测量成本低。2)采矿中的许多现象和过程只能用采矿地球物理方法才能进行测量、记录和分析。例如岩体震动、冲击矿压、煤和瓦斯突出等矿山动力现象，而采用其他测量方法则不可能做到。3)获得的信息量大。4)研究测量具有非破坏性。

因此，可以预计，在21世纪将主要应用地球物理方法来测量、观测和研究采矿作业中的一系列难题。

［1］ 钱鸣高，石平五．矿山压力与岩层控制［M］．江苏：中国矿业大学出版社，2003：78-95．

［2］ 孔 丹，李许伟，赵红超．采矿地球物理方法预测冲击矿压［J］．煤矿现代化，2009(6)：39-40．

［3］ 窦林名，谢耀社，方新秋，等．采矿地球物理学概论［M］．江苏：中国矿业大学出版社，2005：13-17．

［4］ 窦林名，谷德钟，曹树刚．冲击矿压及其防治［J］．矿山压力与顶板管理，2004(2)：215-218．