应用于采空区失稳预报的声发射差量比指标

李 苗 张红军 欧阳治华 王纪鹏

(武汉科技大学资源与环境工程学院，湖北 武汉 430081)

应用于采空区失稳预报的声发射差量比指标

李 苗 张红军 欧阳治华 王纪鹏

(武汉科技大学资源与环境工程学院，湖北 武汉 430081)

鄂东地区中小型矿山数量众多，采空区失稳事故频发，实现采空区准确有效的预警预报已成为鄂东地区重点研究内容之一。结合鄂东地区声发射监测应用现状，提出差量比指标，该指标综合考虑了一段期间声发射大事件、总事件及能率3项参数，有效减少外界干扰、地质条件不同及采空区结构差异造成的声发射监测参数波动影响。通过对比采空区岩体失稳声发射参数累计值的变化，得出了对应的声发射差量比指标的一般变化规律及失稳前兆特征，利用声发射差量比指标，不仅能合理有效分析采空区稳定性状态，还能简单准确地根据差值比前兆特征对采空区失稳时间进行预测。将声发射差值比指标应用于鄂东地区普民铁矿采空区稳定性分析，预测评判结果与现场实际情况一致，说明该指标评判方法具有一定的适用性和合理性。

差量比指标 声发射 采空区 失稳预测

声发射又称应力波发射，是材料受力产生变形、断裂或承受载荷超过材料极限强度进入塑形变形阶段，以声波形式释放应变能的现象[1]。随着声发射监测设备的不断革新和发展及岩体声发射理论的不断扩展和完善，声发射技术在岩土工程和矿山岩体稳定性预报预测方面得到了广泛推广和应用[2-3]。目前，岩体声发射技术已成为评价及预测地下采空区及地下工程稳定性的重要手段之一[4]。

鄂东地区目前地下形成了大量高危采空区群，分布范围大，距离地表也较近，受到地表水和地下水的侵蚀十分严重，加上长期以来采矿爆破作业的震动影响，其稳定性逐步降低，冒顶片帮事故频发，当前已成为鄂东地区采空区重点防治对象[5]。为防止和减少采空区失稳事故的发生，鄂东地区大部分矿山已成功引入YSSC型岩体声发射监测仪，并建立了相应的监测网络系统，初步实现了对已有采空区稳定性的全面监测[6]。

针对鄂东地区声发射现状，提出声发射差量比指标，并将其应用到声发射监测参数的分析中，实现对采空区失稳的有效评判及预测。

1 鄂东地区声发射监测现状

鄂东地区大部分中小型矿山使用的设备为YSSC型岩体声发射监测仪，监测参数为大事件数(G)、总事件数(N)和能率(E)。一般情况下，根据每次监测时段内的声发射参数对采空区当前稳定性状况进行评判预测，当某个或多个监测参数超过既定的预警阈值时，就对当前监测区域发出失稳预报，提前撤离采矿人员和设备，避免或尽可能地减少损失[7]。

由于鄂东地区采空区数量众多，根据每个监测点实际情况设定不同的预警阈值，虽然能有效提高评判预测的准确度，但需要对不同采场各种岩体做大量的声发射室内实验，同时还需一定时间的工程应用实践验证和积累，大大加重了中小型矿山的工作量和经济负担，可行性较低。小波分析理论可以根据岩体声发射特性实现波形的去噪分析，减少外界环境的干扰，而灰色理论、突变模型等现代理论分析方法也能准确有效地根据一段时间内的声发射参数对采空区稳定性进行分析预测，但均需要投入一定的时间和工作量，不能及时根据监测参数对采空区稳定性状态做出预判。

2 声发射差量比指标及评判方法

2.1 声发射差量比指标

综合考虑以上现状，提出声发射差量比指标。将采空区岩体声发射大事件数、总事件数和能率分别记为G、N和E。以大事件为例，设某一时段内，时刻t0，t1，t2，…，tn对应的岩体声发射大事件累计数分别为G0，G1，G2，…，Gn，则大事件的差量比指标计算公式定义为

(1)

同样，可类比式(1)求出总事件差量比CN和能率差量比CE。为避免个别参数波动影响分析预测准确度，取各参数差量比的平均值。采空区岩体声发射差量比指标C为

(2)

2.2 差量比指标变化规律及评判标准

岩体承受载荷不同，声发射强度也会明显不同。以岩体声发射室内实验及鄂东地区大量工程实践为基础，得出了声发射差量比指标的一般变化趋势[8-9]，如图1和图2所示。

图1 采空区岩体失稳声发射一般规律Fig.1 Regulation of AE parameters in instability of mined-out area

图2 采空区岩体失稳声发射差量比一般规律Fig.2 Regulation of AE differential ratio indicator in instability of mined-out area

岩体破坏过程中声发射情况一般分为稳定期、活动期及前兆期，分别对应岩体受压破坏过程中的不同阶段。

根据图1和图2，当岩体承受载荷基本稳定时，声发射强度较弱，且波动平稳，处于声发射的稳定期，差量比指标在此阶段基本为1或在1附近波动；当采空区由于外界扰动出现应力集中，地压活动逐步趋于明显，此时岩体声发射强度逐步上升，进入到岩体声发射的活动期，此阶段差量比指标大于1。当声发射强度处于前兆期时，预示着采空区岩体将发生失稳事故，对应的差量比指标会迅速减小到小于1的情况。

结合采空区失稳声发射前兆特征和大量声发射预测预报经验，鄂东地区声发射差量比指标评判标准为：当声发射差量比指标连续3次出现大于1的情况时，说明采空区监测区域有明显的应力集中现象，在此期间，需要根据采空区的实际情况和声发射强度加强和调整监测区域的监测工作，并密切关注采空区岩体的稳定性状态；当声发射差量比指标突然减小并连续多次小于1时，则可以视为采空区失稳的前兆信息，预示着失稳事故的发生，对采空区发出失稳预警，提前做好采空区失稳的应对措施。

3 应用实例

普民铁矿是鄂东地区典型小型矿企，开采范围为刘家畈铁矿床Ⅷ号矿体的-610～-640 m部分[10]。各中段经过多年开采，现已形成多处采空区，部分采空区上下贯穿，严重影响矿山安全生产以及矿区居民的生命财产安全。2011年6月普民铁矿开始对井下采空区实行声发射监测，排查危险采空区，同时对大规模的地压活动及采空区失稳进行预测预报。自声发射监测工程启动以来，成功预报了多次大小规模冒顶、片帮事故，预报失误和预报偏差的情况也经常发生。为了说明声发射差量比指标的评判预测准确度，以2012年6月-610 m 水平采空区大规模片帮事故为例进行分析预测。失稳事故发生前的声发射监测参数及差量比分析结果见表1。

表1 普民铁矿声发射参数及差量比指标Table 1 AE parameters and differential ratio indicators of Pumin iron mine

根据声发射差量比计算结果，从2012年6月6日开始，差量比连续出现大于1的情况，说明采空区岩体声发射进入到活动期，采空区监测区域内应力集中现象逐步趋于明显，并根据岩体声发射强度，建议10号开始加强声发射监测强度。在6月15日及16日，声发射差量比连续小于1。根据岩体声发射差量比指标前兆特征，即可以预测普民铁矿采空区将在6月16号以后3 d内发生失稳事故。根据传统的分析方法，普民铁矿当时仅根据6月15日及16日声发射参数超过预警阈值发出失稳预警，但在随后的3 d声发射参数明显趋于缓和，小于预警阈值，随后便解除了预警，出现明显的预测失误。在2012年6月19日凌晨，监测区域发生大规模片帮，声发射差量比预测结果与采空区实际情况基本一致，说明该指标具有一定的合理性和适用性。

4 结 论

(1)根据采空区岩体失稳声发射一般变化规律及鄂东地区声发射监测现状，提出了声发射差量比指标，得出了采空区岩体失稳时的声发射差量比指标变化规律及前兆特征。

(2)声发射差量比指标能综合考虑了大事件数、总事件数和能率3项参数，能有效弱化个别参数波动对评判预测结果的影响，实现对采空区稳定性合理有效的评判和对失稳时间准确简单的预报。

(3)利用声发射差量比指标对普民铁矿采空区失稳事故分析评判预测，分析结果与采空区实际情况基本一致。

[1] 王春来，吴爱祥，刘晓辉.深井开采岩爆灾害微震监测预警及控制技术[M].北京:冶金工业出版社，2013. Wang Chunlai，Wu Aixiang，Liu Xiaohui.Rockbursts Disaster in Deep Mining of Microseismicity Monitoring，Forecasting and Controlling Technology[M].Beijing:Metallurgical Industrial Press,2013.

[2] Blake W.Microseismic Application for Mining：A Practical Guide[R].Indiana:United States Bureau of Mines Publications，1982.

[3] 藤山邦久.声发射(AE)技术的应用[M].北京:冶金工业出版社，1997. Tengshan Bangjiu.Application of AE Technology[M].Beijing:Metallurgical Industrial Press,1997.

[4] 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. Ma Xiongzhong，Wang Wenjie，Mo Huandong，et al.Application of acoustic emission cumulative difference indicator in instability prediction of goal[J].Metal Mine，2013(7):162-165.

[5] 欧阳治华，张青青，陈 平.灵宝铁矿地压监测点的优化布设[J].金属矿山，2011(7):58-60. Ouyang Zhihua，Zhang Qingqing，Chen Ping.Optimization arrangement of ground pressure monitoring spots in Lingbao Iron Mine[J].Metal Mine，2011(7):58-60.

[6] 欧阳治华，肖 术，周凤星，等.采空区声发射实时监测系统研究[J].金属矿山，2012(8):126-129. Ouyang Zhihua，Xiao Shu，Zhou Fengxing，et al.Real-time AE monitoring system in goaf[J].Metal Mine，2012(8):126-129.

[7] 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. Xiao Shu，Ouyang Zhihua，Wang Qingsong，et al.Application research of acoustic emission technology in golf monitoring of Zhengxing Iron Mine[J].Nonferrous Metals，2012，64(2):84-88.

[8] 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. Wang Ning，Han Zhixing，Wang Yueming，et al.Evaluating criterion of relative strength-weakness characteristic based on acoustic emission parameters of rockmass stability[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2005，27(2):190-192.

[9] 王 宁，雷劲松，韩志型.岩体声发射量化指标在采场稳定性监测中的应用[J].有色金属，2008，60(1):96-100. Wang Ning，Lei Jingsong，Han Zhixing.Acoustic emission quantitative criterion on rockmass and application on stope stability monitoring[J].Nonferrous Metals，2008，60(1):96-100.

[10] 江 露，欧阳治华.普民铁矿回采顺序优化及采空区稳定性分析[J].矿业工程，2012，10(5):58-61. Jiang Lu，Ouyang Zhihua.Mining sequence optimization and goaf stability analysis of Pumin Iron Mine[J].Mining Engineering，2012，10(5):58-61.

(责任编辑 徐志宏)

Application of Acoustic Emission Differential Ratio Indicator in Instability Prediction of Mining-out Area

Li Miao Zhang Hongjun Ouyang Zhihua Wang Jipeng

(SchoolofResourcesandEnvironmentEngineering，WuhanUniversityofScienceandTechnology，Wuhan430081，China)

There are numerous small or medium-sized mines in the eastern Hubei where instable accidents of mining excavations frequently happened.How to accurately and effectively analyze and predict the stability of mining-out area has been one of the important issues.Based on the application status of acoustic emission in the eastern Hubei，the AE differential ratio indicator was put forward，which took into consideration of such three AE parameters as the large acoustic emission events，and the total event period and the energy rate within a period of time.It can effectively reduce the interference on sound monitoring parameter fluctuations from the external environment，different geological conditions and different structures of the mined zone.Through comparing with the variation of the cumulative value of rock acoustic emission parameters in mined-out area，the general changing rule of the corresponding AE differential ratio indicator and its precursor characteristics of instability were obtained.The AE differential ratio indicator can not only reasonably and effectively analyze the stability of the mined-out area，but also simply and accurately predict the instable time.Then，AE differential ratio indicator was applied in Pumin iron mine in the eastern Hubei to predict the stability of mined-out area，and the prediction result was basically in accord with the actual situation，indicating that the indicator has certain applicability and rationality.

Differential ratio indicator，AE(acoustic emission)，Mining-out area，Instability prediction

2014-01-05

李 苗(1990—)，男，硕士研究生。

TD76

A

1001-1250(2014)-05-155-03