SFKG－2型便携式岩石声发射仪在大红山铁矿的成功应用

■彭朝伟 ■玉溪大红山矿业有限公司，云南 玉溪 653405

1 前言

大红山铁矿是我国井下特大型地下开采矿山，位于玉溪市新平县戛洒镇，是昆钢的主要铁矿石原料基地，集采、选、管道三大部分，矿山于2006年底投产，2007年即已达产。随着矿山的逐渐回采，形成了主采空区、中部采空区和上部采空区三个较大的采空区，其暴露面积与空间立体交错在目前国内矿山是最大也是最复杂的。在2009年初，主采区各分段空区暴露面积如下:480m分段为4.5万m2，460m分段为6.8万 m2，440m分段为8.5万 m2，420m分段为6.6万 m2，在这个空区面积暴露条件下，主采区各分段发生了剧烈的片帮、冒顶、断裂及岩爆，处于主采区移动范围内的850m运输平巷受空区的影响，巷道先后出现开裂、下沉、错动，最终整个巷道冒落，随后上方的920m回风平巷也逐渐冒落和下沉(850m和920m巷道垮塌见图1)。在整个地压活动变化过程中，公司与科院单位合作，在850m和920m平巷使用SFKG－2型便携式岩石声发射仪进行地压监测。通过监测，初步掌握了地压活动规律，对主采区周围受地压活动影响较大的地方提出支护意见，对矿区浅部正在开采的V2矿体提出“强采”的指导性意见，并加强现场检查，在安全的前提下避免了矿石损失，为矿山创造了效益。

图1 850m和920m巷道垮塌

2 SFKG－2型便携式岩石声发射仪监测

2.1 监测原理

声发射是指材料局部因能量的快速释放发出瞬态弹性波的现象，其技术属于检测超声技术领域，是一种动态无损伤监测技术。当固体材料在受到外力作用时，发生局部或整体破裂(或晶格滑移)，伴随着破裂而发生的向外发射声波的情况。岩石工程结构在破坏之前，必然持续一段时间以声的形式释放积蓄的能量，这种能量释放的强度，随着结构临近失稳而变化，每一个声发射都包含着岩体内部状态变化的丰富信息，正是对“声发射传感器”接收到的信号进行处理、分析，从而预测岩体塌方、冒顶、片帮、滑坡和岩爆等地压现象，室内研究资料表明，当对岩石试件增加负荷时，可观测到试件在破坏前的声发射次数急剧地增加，几乎所有的岩石当负荷加到破坏强度的60%时，就会发生声发射与微震现象，其中有的岩石即使加到破坏强度的20%，也可发生这种现象。

2.2 声发射分析处理技术

SFKG－2型便携式岩石声发射仪监测主要对以下参数进行分析，从而得出岩层的稳定性情况。第一，事件率(频度):单位时间内发生的声发射次数，单位为次/min，是用声发射评价岩体状态时最常用的参数;第二，振幅:声发射波形的峰值振幅，根据设定的阈值可将一个事件划分为小事件和大事件;第三，能率:单位时间内声发射能量之和;第四，事件变化率和能率变化:单位时间内声发射事件率和能率的变化;第五，频率分布。声发射信号的特征决定于震源性质、所经岩体性质及监测点到震源的距离等。基本参数与岩体的稳定状态密切相关，基本上反映了岩体的破坏现状。事件率和频率等的变化反映岩体变形和破坏过程;振幅分布与能率大小，则主要反映岩体变形和破坏范围;事件变化率和能率变化，反映了岩体状态的变化速度。岩体处于稳定状态时，事件率等参数很低，且变化不大，一旦受外界干扰，岩体开始发生破坏，声发射活动随之增加，事件率等参数也相应升高，发生冲击地压之前，声发射活动增加得更为明显，而在临近发生冲击地压时，声发射活动频数反而减小。岩体内部应力重新趋于平衡状态时，其数值又随之降低。若在监测体周围以一定的网布置一定数量的传感器组成传感器阵列，当监测体内出现声发射时，传感器即可将其拾取并将这种震动的物理量转换为电压量或电荷量，通过多点同步采集测定各传感器接收到该信号的时刻，连同各传感器坐标及所测波速代入方程组求解即可确定声发射与震源的时空参数，达到定位之目的。因岩体声发射信号及其参数变化出现在岩体破坏之前，故实施岩体声发射监测可对地压灾害进行预测、预报，从而根据分析结果，及时采取有效措施以尽可能避免重大事故的发生。

3 SFKG－2型便携式岩石声发射仪在大红山铁矿的应用

3.1 传感器的现场安装布置

根据大红山铁矿地压活动实际情况，首先在850m运输平巷安装了8个传感器，其次在920m回风平巷安装了8个，共形成16通道的监测系统，共同对大红山铁矿主采区上覆岩层进行监测，安装在现场的传感器见图2所示。

安装传感器之前，使用混凝土把传感器螺栓和巷道壁固定在一起，待混凝土充分凝固，把传感器和螺栓连接在一起，这样便完成声发射监测前的传感器安装工作。

3.2 声发射仪现场监测及分析

监测工作开始于2009年3月13日。考虑到现场的实际情况，采用了每周进行1到2次监测、每次在每个测点进行5－10次、每次1分钟监测的制度。现场监测照片见图3。当天的监测记录见表1。

图3 岩石声发射仪在850水平巷道进行监测中

表1 3月13日声发射监测记录

图4是3月13日进行声发射监测时在1分钟内所记录到的1个波形。为了看清楚图中前一个幅度较高的点，对该点进行了局部放大(在水平轴，即时间轴上展开)，所得结果见图5。

图43 月13日在1号测点获得的声发射波形(记录时间1分钟)

由图5可见，图4中幅度较高的2个点，代表的是1个频率约为20Hz的低频声发射信号和2个频率在1KHz以上的高频声发射信号。

图5 图4的部分放大图(在水平轴，即时间轴上展开)

声波在岩石中传播时，不同频率的信号，衰减不同:高频信号衰减较快，低频信号则衰减较慢。因此，接收到的低频声发射信号，通常是声发射活动发生在离测点较远处，传播较长距离后，声波衰减成了低频信号所致。高频声发射信号，则意味着测点与声源的距离较近，声波尚未产生大的衰减。

4 结束语

通过使用SFKG－2型便携式岩石声发射仪对大红山铁矿主采区上覆岩层进行监测，掌握了矿山地压活动规律，指导矿山安全生产，并对研究矿区岩石移动规律、地表塌陷区的的管理以及后期相关的主动处理矿区地压的措施提供了依据，但矿山开采是个动态的过程，随井下的不断开采，地压活动越明显，加之国内和国际地压监测技术在逐步提高，监测方式也在增加，为了矿山的安全生产，必须在现有基础上多加学习研究，充分应用先进技术，从而更好指导矿山安全生产。

［1］《金属矿山地下开采》，冶金工业出版社.

［2］赵亏、袁海平，《矿山地压监测》，化学工业出版社.

［3］昆明有色冶金设计研究院，《大红山铁矿地压活动规律及顶板自然崩落规律》.