声发射累计差量指标的应用研究

马雄忠，王文杰

（武汉科技大学资源与环境工程学院，湖北 武汉430081）

随着矿山向深部开采，采矿残留的大量没有进行及时处理的巷道、采空区等在强大的地压力作用下，很容易发生失稳坍塌事故，这严重威胁着矿山生产安全［1］。

世界各国对采空区的稳定性监测进行了大量研究，提出了很多监测方法。传统的监测方法有压力监测法、位移监测法等，这些方法虽然操作简单，但是监测人员必须要在测点附近监测，而这些区域往往属于危险区域，危险性较大。随着科学技术的发展，20世纪70年代，在国外出现了声发射监测技术，该技术可以在距离测点较远的地方进行动态实时监测，可靠度较高，因此，很快在岩土工程中得到了广泛应用。我国自20世纪80年代引进该技术至今，在声发射软件开发、监测设备制造等方面已经有了很大的进步。现在，岩体声发射技术已经成为预测地下工程岩爆及研究岩体稳定性的一种重要手段［2－3］。

岩体声发射技术是根据岩体在变形破坏时发出的声波信号来判断岩体内部损伤的一种动态无损检测方法。声发射强弱通常用与声发射频率和幅值能量有关的参数来描述，如声发射事件率、大事件率、能率等。传统的声发射分析法通常是按照已制定的一些标准对声源信息进行分级评定，许多准则中规定划分标准时，只要有一项不满足，就依此确定声发射源的稳定性等级，这样就没有合理的考虑其他声发射因素的影响，加之短期的声发射信号很容易受到外部因素的干扰。因此，常用的分析方法存在很大缺陷，这经常导致预报偏差，为矿山正常生产带来很大影响。

基于上述认识，在测得声发射参数值的前提下，提出了声发射累计差量指标，该指标综合考虑了一段时间内几个参数的变化情况，可有效的用于采空区围岩稳定性评价，更好的保障了矿山生产安全。

1 声发射监测岩体稳定性存在的问题

岩体声发射信号携带了大量与矿岩体的稳定状态密切相关的信息，在一定程度上反映了矿岩体结构特征及其破坏过程，这是声发射技术运用于岩土工程的主要理论依据。在实际应用中，常根据声发射大事件率、事件率和能率来评判矿岩体的稳定性［4－5］。其中，大事件率（G）表示单位时间内声发射信号幅值大于仪器设定值的次数，单位为次／分，反映大振幅声发射事件的频度；事件率（N）表示单位时间内接收到的声发射信号总次数，单位为次／分，反映声发射信号的频度；能率（E）与声发射信号能量成正比，反映声发射信号能量强弱，无量纲。

传统的声发射信号分析方法是考查一个或几个特征参数值的变化，当被考察特征值接近或者超过经验值时就发出预报，但由于矿山井下环境复杂，声发射仪器抗干扰能力不强，单天短期的信号很容易受到外部因素的干扰，如打钻、放炮等施工作业都会引起声发射数据异常。而且对于考察一个还是几个特征参数往往没有明显的界定，有时一个参数达到了预警值，但其他的参数还处于安全区间，因此，分析方法的缺陷经常导致预报偏差，为矿山带来了较严重的财产损失和人员伤亡。

2 声发射累计差量指标

随着采矿活动的进行，地应力发生重新分布，在地下采空区形成应力集中区。当集中的应力达到围岩的破坏强度时，围岩结构开始发生破坏，这时声发射参数也开始相应的升高。围岩破坏约剧烈，破坏范围越大，产生的声发射信号也越多，幅值越大。当压力释放完毕，空区围岩达到新的应力平衡状态，此时，声发射信号开始减小减弱，重新回到正常水平。由此可知，采空区从稳定状态到失稳状态，再回到稳定状态的过程中，声发射现象是连续变化的，并且会持续一段时间。基于以上认知，本文设计了岩体声发射累计差量指标，利用一段时间内的大事件率、事件率、能率累计差量变化的平均值来评价岩体稳定性，该指标综合考虑了三种参数一段时间内的变化情况，可以弱化了短期干扰信号，监测数据利用率高，能够更准确的用于评价采空区稳定性。

令声发射累计差量指标为U，大事件累计差量指标为Ug，事件率累计差量指标为Un，能率累计差量指标为Ue。

设某一时间段岩体声发射大事件率数据序列为

其中，Gi为时序为i时的事件率。

对序列项前后相减，得序列

将正差量的和定为C1，负差量的绝对值的和定为C2

用相同的方法可求出Ug和Ue。

岩体声发射累计差量指标在0～1之间变化。

以多个矿山岩体声发射监测数据和岩体的多次失稳事件为依据，得出了岩体失稳各阶段声发射参数的一般变化规律和累计差量指标一般变化规律，如图1、图2所示。

图1 声发射参数变化规律

图2 累计差量指标变化规律

岩体声发射声发射状态大致可以分为稳定状态、活动状态、破坏状态，分别对应于岩体破坏过程中的稳定期、活动期、破坏期。稳定期的岩体处于稳定状态，内部活动不剧烈，声发射参数值较小，产生的信号波动都为短期波动，此时的声发射信号认为是岩体内细微裂隙闭合或产生新的细微裂隙所致，这个阶段的累计差量指标值也较小，一般在0～0.6之间波动。活动期岩体受到的地应力接近或超过岩体的强度值，内部活动开始加剧，存在的细微裂隙开始扩张成大裂隙，并产生新的张拉裂缝，这段时间岩体发出的声发射信号开始增强，相应的声发射累计差量指标值也开始上涨，这段时期的累计差量指标值在0.6～1之间波动，当指标值大于0.75时，认为岩体已经接近失稳破坏，此时需要对监测区域进行密集监测，如果指标值继续增大，说明岩体有可能发出失稳破坏，须对监测区域发出失稳预报，矿方应迅速预警区段工作人员和设备，以保障矿山生产安全。破坏期岩体裂缝进一步扩大，在采空区内体现为顶板掉块甚至垮塌，但由于活动期岩体已经释放了大量的变形能，因此此阶段声发射信号开始降低，累计差量指标也开始回落到0.5附近的正常水平。

对比图1和图2可知，声发射累计差量指标弱化了短期干扰信号带来的影响，而且对岩体的中长期声发射现象很敏感，比声发射参数分析法更早的预测到了岩体的失稳破坏，为矿山避免事故发生创造了时间，而且该指标综合考虑了三个声发射指标，能使预测更合理可靠，对确保矿山生产全意义重大。

3 采场稳定性监测预测

广西佛子矿是矽卡岩型矿床，矿物组分以方铅矿和闪锌矿为主，围岩主要为砂岩、粉砂岩、灰岩等，矿岩致密坚硬，稳固性良好。矿区内构造裂隙发育，但多被后期石英、方解石脉所填充，胶结紧密，富水性、透水性很弱。104号矿体是矿区内最大的保有矿体，矿体位于最北部六塘矿段的06～015勘探线之间，矿体长470m，倾斜延伸199m，埋深246～430m，埋藏标高－66～－183m，平均厚度为4.36m。矿体走向北东－北北东22°～37°，倾向南东，平均倾角67°。

佛子矿所使用的采矿方法均为浅孔留矿法，矿块沿走向布置，长40～60m，中段高40m，采场两端各设人行天井，采场采高36m。一般留3.5～4m顶柱，如矿体较长，连续布置采场，则留间柱8m。目前，佛子矿104＃矿体100m中段以上全部采空，180m中段和138m中段各形成5个采场，100m中段形成9个采场，60m中段开始回采矿房，20m中段正在做采切准备，－20m标高钻孔见矿，准备开拓。为了确保生产安全，防范采空区失稳造成的安全事故，佛子矿对104＃矿体建立了声发射地压监测系统，监测点编号从Ⅰ～Ⅶ，位置如图3所示。

图3 104＃矿体监测孔布置图

104＃矿体声发射监测系统于2012年7月正式投入运行，成功监测到了多次采空区围岩失稳事故，但也出现过误报情况。2012年9月16日，138m中段014线附近的Ⅲ号监测孔声发射大事件率和事件率同时超过预警值，能率没有达到预警值，监测数据如表1所示。按照传统的声发射参数分析法，该监测孔辐射范围内有可能发生顶板冒落掉块等失稳事故，监测人员立即向监测负责人汇报情况，矿山决定暂停该区段的生产作业，将人员和设备紧急撤离，但随后的监测观察发现，该处并没有发生失稳事故，而且声发射数据又恢复到了正常水平，故此次预报是一次误报，这对矿山正常的生产作业产生了一定影响。如果采用声发射累计差量指标来进行分析，结合之前几天的声发射监测情况，计算得该处当天的指标值为0.67，未达到预警值0.75，将不会发出失稳预报，可见累计差量法可以弱化干扰因素，作出更合理的预测。

表1 声发射参数分析法误报案例

2013年3月18日104号矿体138中段011线附近的Ⅴ号监测孔辐射范围内出发生了采空区顶板小范围冒落事故。若用累计差量指标法分析可知，早在3月16日，指标值就达到了0.78，超过了预警值，之后3月17日指标值进一步增大，达到0.94，到3月18日破坏当天指标值达到最大值1，相关数据见表2，冒落区域见图4。可见声发射累计差量指标分析法可以较准确的预报采空区顶板失稳冒落事故，对矿山安全生产意义重大。

表2 声发射累计差量指标分析法预报案例

图4 采空区冒落区域

4 结论

根据岩体稳定状态与声发射信号之间的对应关系，提出了评价岩体稳定性的声发射累计差量指标。该指标综合考虑了一段时间内大事件率、事件率和能率的变化情况，克服了传统声发射参数分析法易受干扰、数据利用不充分的弊端，可以更早更准确地预测岩体失稳事故。运用该指标对佛子矿104＃矿体进行采空区稳定性预测，预测结果与矿山实际情况相一致。

［1］王宁，韩志型，王月明.评价岩体稳定性的声发射相对强弱指标［J］.岩土工程学报，2005，27（2）：190－192.

［2］马雄忠，王文杰，莫焕东，等.声发射累计差量指标在采空区失稳预报中的应用［J］.金属矿山，2013（7）：162－165.

［3］文兴，李宏建.采空区地压灾害监测技术研究［J］.现代矿业，2010（11）：107－109.

［4］赵兴，陈学军.声发射监测技术在大宝山矿业公司的应用［J］.采矿技术，2010，10（5）：41－42.

［5］肖术，欧阳治华，汪青松，等.正兴铁矿采空区声发射监测应用研究［J］.有色金属，2012，64（2）：84－88.