岩体声发射量化指标在采场稳定性监测中的应用.pdf

第6 0 卷第1 期 2008 年2 月 有色金 属 N o n f e r r o u sM e a 1 5 V 0 1 ．6 0 ．N o ．1 F e b r u 自．r y 2 008 岩体声发射量化指标在采场 稳定性监测中的应用 王 宁，雷劲松，韩志型 西南科技大学土木工程与建筑学院，四川绵阳 6 2 10 0 2 摘 要基于岩体破裂过程中的岩体声发射事件率和能率等攫j 试参效．研究评价地下采场岩体稳定性的声发射相对强弱鸯 化指标．以更有效地进行围岩稳定性评价。岩体声发射相对强弱指标可消除声发射测试参数受工程布置和地质构造等环境因素 的影响，综合考虑事件率及其变化率和相对强弱指标．可以更准确地预测采场固岩的稳定性。利用声发射相对强弱指标评价岩体 稳定性，结果与实际情况具有较好的一致性。 关键词采矿工程；岩体声发射；相对强弱指标；岩体稳定性 中图分类号T D 3 2 7 文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 8 0 1 0 0 9 6 0 5 1 9 3 7 年美国杰克逊提出对声发射现象的研究， 奥伯特 O b e r t 和杜瓦尔 D u v a l l 在不深的矿山进行 研究，检测到了声发射并于1 9 4 0 年在阿米克铜矿观 测到爆发性声发射，预报了岩爆的来临，从此，声发 射技术开始了飞速发展的时期。自O b e r t 研制了第 一台声发射仪，前苏联、波兰、南非、加拿大、澳大利 亚、日本等国相继开发了从单通道到多通道，从简单 的便携式仪器到复杂的微震监测系统等一系列的仪 器，并用之于现场。2 0 世纪5 0 年代末到6 0 年代 问，美国和日本许多学者在实验室中做了大量工作， 研究各种材料声发射源的物理机制，并初步应用于 工程材料无损检测领域。2 0 世纪7 0 年代初至今， 随着D u n e g a n 等人对声发射仪器的研制，对声发射 源机制、波的传播和声发射信号分析深入开展和广 泛研究，大大推动了声发射技术在现场检测的广泛 应用。 我国从1 9 7 3 年起开始有关声发射的研究工作， 当时正是我国断裂力学发展的高峰时期。3 0 多年 来，我国声发射技术在研究、应用的深度和广度上都 有比较大的发展，已从最初的仅限于压力容器、金属 疲劳和断裂力学应用等，发展到目前的金属材料、复 合材料、岩石等声发射领域。同样，声发射技术在采 矿工业也得到了广泛应用。2 0 世纪8 0 年代，我国 煤炭系统引进应用的微震定位系统，在门头沟煤矿 收稿日期2 0 0 6 0 3 2 9 基金项目国家自然科学基金资助项目 2 0 0 4 A 1 2 1 作者简介王宁 1 9 6 2 一 。男．四川中江县人，教授。主要从事岩土 工程技术等方面的研究。 和龙凤矿等用于监测矿区大范围的微震，随后，相继 开发了地音仪、岩石声发射检测仪、单通道便携式智 能地音分析仪、3 通道智能声波测试多用仪以及智 能化声发射监测系统等现场声发射检测设备，并在 凡口铅锌矿、云锡老厂锡矿、金川二矿区、白银深部 铜矿和小铁山铅锌矿、大厂铜坑、锡矿山、厂坝铅锌 矿和高峰矿等矿山进行了试验研究，在采场围岩的 稳定性的监测和预报中获得了成功得应用。 声发射技术在局部范围的岩体破坏 冒顶、片帮 和松弛 机理研究与预测有很多应用。无论是预测 岩爆还是冒顶，大多数应用声发射技术的预测是企 图找出破坏前的前兆现象，基于这些前兆异常性质 预报岩体破坏 岩爆或冒顶 的发生。然而，目前岩 体声发射技术在地下采场围岩稳定性预测预报方 面，尤其是在定量预测指标的研究方面，存在一定的 不足之处。现有岩体声发射研究成果在现场实际应 用方面还存在许多问题。原因是多方面的，除了对 岩体破坏及其复杂的自然机制还需进一步研究外， 没有综合利用所记录的原始声发射数据亦是其重要 原因之～，许多研究只注意用孤立的参数来评价岩 体的破坏过程，定量预测岩体何时破坏出现困难。 在岩体声发射参数测试结果综合分析的基础 上，提出了岩体声发射相对强弱指标，该指标综合考 虑了岩体失稳过程的声发射参数，综合分析岩体声 发射相对强弱指标、事件率 能率 及其变化率等参 数，可有效地用于采场围岩稳定性评价及预测预报。 万方数据 第1 期王宁等岩体声发射量化指标在采场稳定性监测中的应用 9 7 1常用声发射稳定性预测法的缺陷 岩体声发射频次、能量等有关指标在一定程度 上反映了岩体结构特征及其破坏过程，这足声发射 技术在岩土工程应用的主要依据。岩体声发射水平 一般可通过声发射的事件率、大事件率、能率反映。 声发射事件率可看出发生岩体破裂的程度，是评价 结构危险程度的重要标志。大事件率是衡量岩体稳 定的主要参数之一，能率反映的是岩体破裂前A E 事件所释放的能量变化。 岩体声发射基本参数 事件率C ，能率E 与岩 体稳定状态密切相关，基本上反映了岩体的破坏现 状。因此，目前主要根据声发射事件率 或能率 和 大事件率来评价岩体稳定性。然而，由于采矿工程 地质条件的复杂性、岩体的非均质性，开挖空间的大 小与分布、各探测点与声源距离的差异等因素的影 响。导致声发射接收信号与岩体实际发射信号之间、 各探测点接收信号之间测试结果常常出现较大差 异，给岩体稳定性预测预报带来一定困难。在现场 实测中，同一声发射事件，不同测点所接收到的声发 射信号强弱往往差异很大，某些测点甚至不能接收 到信号。因此，仅凭岩体声发射事件率和大事件率 来评价或预测岩体的稳定性，其结果的准确程度受 到一定限制。针对存在的问题，综合岩体声发射事 件率 能率 、声发射事件变化率 能量变化率 和岩 体声发射事件率 能率 相对强弱指标，能更准确地 评价岩体的稳定性。 2 采场围岩稳定性预测预报技术 2 ．1 评价岩体稳定性的主要声发射参数 声发射事件率 C 、能率 E ，指单位时间的声 发射事件数和释放的能量，是用声发射或微震判断 岩体破坏状态最常用的参数。声发射事件变化率 C I R 、能量变化率 E I R ，反映了岩体破坏状态的 变化速度。岩体声发射相对强弱指标 C R 是岩体 声发射事件率 或能率 的变化。 采场回采过程中，岩体内部出现应力集中现象， 应变能逐渐积累，岩体结构处于稳定状态时，声发射 事件率等参数很低，且变化不大。当岩体结构出现 局部破坏时，声发射事件率等参数也相应增高。岩 体内部应力重新趋于平衡状态时，声发射事件率等 参数值也随之降低。岩体结构承受较大载荷时，其 声发射率等参数急剧上升，结构一旦破坏，声发射事 件率等很快减少。岩体结构的整体破坏实际上也是 局部破坏的积累。因此，仅根据某一时刻的声发射 事件率 或能率 大小来判断岩体结构的稳定性或作 为岩体破坏的前兆现象，其准确度有一定的局限性。 同时，不同的声发射信号探测点由于工程地质条件、 开采空间分布及探测点距声发射源的距离远近等因 素的影响，对同一声发射信号，不同位置的接收器所 探测的信号也有所不同。因此，声发射事件率某一 绝对值不应作为判定岩体失稳的主要依据。岩体声 发射相对强弱指标正是根据岩体声发射的这一特性 设计的，它直接利用某一时期的岩体声发射事件率 或能率 变化来评价岩体的稳定性，预测采场岩体 结构的稳定状况。 由于岩体的声发射参数受诸多因素的影响，因 而某一次的测试数据带有一定的随机性，同时，在岩 体的破坏过程中测得的声发射参数均反映了该岩体 破坏过程，因此，用岩体某一时期 前N 次 的声发 射事件率或能率进行计算，以此来反映岩体的稳定 程度及现状，并预测今后岩体性态变化趋势。将N 次测试过程中，上升事件率 或能率 相对值的总和 定为A 1 或E 1 ，将下降数值相对值的总和定为 A 2 或E 2 ，可用下面的方法计算声发射事件率相 对强弱指标 C R 。 设某采场某一时期岩体声发射数据序列为l C o ，C 1 ，．．．，C 一．．，其中C o 为当日数据，C f 为前 第i 次数据。对声发射事件系列求一次差，得序列 A C o C o C 1 ，A C t C 1 一C z ，⋯，△C i C i G 1 。上升序列A C l i m a x { △C i ，0 } ，下降序列 a c 2 f 一m i n { A C ，，0 } ，A 1 A C l f ，A 2 A C 2 f ， A A z A 2 ／ A l A 2 。A 在 1 与一1 之间 变化，为了方便地使用该参数，对其进行标准化处 理，得岩体声发射事件率相对强弱指标C R 5 0 1 A 1 0 0 [ A z ／ A l A 2 ] 。岩体声发射能率相 对强弱指标 E R 可用同样方法计算，E R 1 0 0 [ E l ／ E l E 2 ] 。 岩体声发射强弱指标 C R ，E R 经标准化处理 后，其值在0 ～1 0 0 之间变化，这从定量方面为采场 围岩的稳定性评价提供了一条有效途径。 2 ．2 采场围岩稳定性预测预报技术 ‘ 岩体从稳定到破坏，一般可分为稳定、局部破坏 和整体破坏三个阶段。相应地，岩体声发射事件也 可分为三个时期，即事件稳定期、活动期和前兆期。 基于室内岩体声发射试验及小铁山矿、金川二矿等 矿山采场矿岩上千个声发射数据、岩体的几十次失 万方数据 有色金属 第6 0 卷 稳事件，分析总结出了岩体各阶段的声发射参数的 变化趋势，见图1 和图2 。 稳定期活动期前兆期 ，／、 言 i ／ { 喜0 。f 舌 ／矿、 Z 一 、 T - - 一C⋯E 图1岩体失稳过程c ／E - T 关系曲线 F i g ．1R e l a t i o n s h i pb e t w e e nA Ep a r a m e t e r C ／Ea n dt i m e 稳定期活动期前兆期 - 、，1 ， 8 0 ，哆 _ _ _ 奄 ，／ ％ f i e ． ，夕 _ 一 ●●_、、一 ， 4 t 2 2 c C RE R 图2 岩体失稳过程C R ／E R ．T 关系曲线 F i g ．2R e l a t i o n s h i pb e t w e e nA E p a r a m e t e rC R ／E Ra n dt i m e 岩体从稳定到破坏，其状态与岩体声发射参数 的关系表现在几个方面。 1 稳定期。岩体处于稳 定状态，声发射事件率及能率在较低范围内波动，其 相对强弱指标数值较低，其值在0 ～5 0 之间变化，事 件变化率与能量变化率在该期间变化不大。 2 活 动期。岩体处于破坏发展阶段，受力较大，岩体局部 可能开裂或滑移，事件率或能率显著增加，且能量变 化率明显大于事件变化率。该期间。声发射相对强 弱指标急剧升高，其值在5 0 ～1 0 0 之间变化，尤其当 声发射相对强弱指标大于7 5 时，需密切关注监测范 围内岩体的稳定状态。 3 前兆期。岩体破裂加速， 时有掉渣现象，岩体处于极不稳定状态，并可能出现 较大的冒顶片邦事件，岩体声发射事件率及相对强 弱指标等参数快速回落。在该期间，应加强岩体稳 定性监测，人员设备应暂时避开危险地段，待岩体加 固或经其它方式处理后，在进入监测范围作业。 岩体声发射事件率、能率、变化率及其相对强弱 指标从不同的方面反映了岩体性态的变化。因此。 综合考虑这些参数，能更有效、更准确地反映岩体的 现行状态，分析预测岩体状态的发展趋势，进行采场 围岩稳定性监测预报。其主要优点体现在 1 考虑 了前一段时期岩体的声发射参数，能更准确地反映 岩体性态的变化趋势； 2 岩体声发射事件率和能率 受测点布置及环境因素影响，其最大值不确定，而岩 体声发射相对强弱指标在0 ～1 0 0 之间变化，可从量 的方面分析岩体的稳定状态； 3 由于声发射相对强 弱指标建立在各参数正负变化率的基础上，能有效 地消除因工程布置、地质构造等因素导致声发射信 号微弱的影响。即使在声发射信号较弱情况下，仍 能较明显地反映岩体的失稳状态。 3 采场稳定性监测预报实例 某矿主体采矿方法为机械化上向巷道式尾砂胶 结充填法。中段高度6 0 m ，采场一般沿走向布置，长 1 0 0 ～1 5 0 m 。分段高度1 2 m ，分为三个分层，分层高 度4 m 。回采进路宽3 ～4 m ，长度5 0 m 左右。矿石 类型为块矿和浸染矿两种。由于矿体直接上下盘主 要为凝灰岩，矿岩节理、断层发育，开采过程中地压 显现十分复杂，采场冒顶片帮事件频繁。针对该情 况，应用岩体声发射监测技术，对该矿部分采场实施 冒顶片帮监测预报。’下面以1 6 2 0 分层7 5 0 巷道式 采场的监测预报工作为例予以说明。 该采场矿岩中共发育三组节理，其特征分别为 1 倾向2 0 8 。，倾角8 0 9 ，节理长度0 ．5 ～1 ．O m ，密度 6 条／m ； 2 倾向9 2 。，倾角6 5 。，节理长度0 ．5 m 左 右，密度约1 0 条／m ； 3 倾向3 6 。，倾角2 6 。，节理长 度1 ．0 m 左右，个别节理延伸数米，密度约7 条／m 。 块矿较稳固，但凝灰岩、浸染矿及其与块矿接触带岩 性较差，采场失稳主要受结构面及节理控制。 采场工程布置及监测点布设见图3 ，由于E 3 ， W 2 和E 6 三条进路同时开采，因此，在靠近三条进 路工作面各布置1 个监测探头。因矿岩分布的差 异，1 测点布设在块矿中，而2 ，3 测点分别布置 于浸染矿和凝灰岩中。测试结果表明，由于块矿强 度高，弹性模量大，1 测点岩体声发射信号接收能 力较强，其余测点信号接收能力相对较弱。监测工 作于1 1 月1 日开始，其问共发生3 次冒顶事件，除 1 1 月4 日E 6 进路冒顶事件因监测时间较短，声发 射数据不完全外，其余冒顶事件均有较明显的声发 射冒顶前兆反映，并作出了较准确的冒顶预报，表1 ～表3 分别为l ～3 测点岩体声发射参数测试结 果。1 1 月5 日，l 测点声发射参数C 为0 ．2 次／ r a i n ．E 为1 9 ．0 3x1 0 4 m 、，2 ／r a i n 。1 1 月7 日，C 陡升 至6 ．2 次／m i n ，而E 则上升为7 5 0 ．6 6x1 0 4 m 、，2 ／ 万方数据 第l 期 王 宁等岩体声发射量化指标在采场稳定性监测中的应用 9 9 r a i n 。事件率及能率相对强弱指标分别达到8 6 ．4 9 和8 8 ．4 3 ，C I R ，E I R 分别为3 0 和3 8 ．5 ，且能量变化 率E I R 明显高于事件变化率C 垠。1 1 月9 日，C ， E ，C R ，E R 均出现较大幅度下调。1 1 月1 0 日，E 6 进路发生较大冒顶事件，冒顶体积达3 ～4 m 3 。然 而，在该次冒顶事件中，距E 6 进路冒顶区较近的 3 测点反映却不大明显。分析其原因，冒顶区与 3 测点之间，存在一软弱结构面，因开采影响，已出 现开裂。同时，测定布置在弹性模量较低的凝灰岩 中，岩体声发射信号传播过程中衰减较大，使3 测 点接收信号较弱，造成声发射事件率和能率偏低。 同样，1 1 月1 8 日。E 3 进路冒顶前夕，各测点C ，E 及C R ，E R 均由高位回调，不久即出现冒顶事件。 尽管2 ，3 测点C ，E 绝对值较低，仅为0 ．6 ～1 ．6 和4 7 ～1 4 9 ，但其C R ，E R 最高时仍达7 5 以上，对 预测采场冒顶事件具有一定的参考价值。 图3采场工程布置及监测点布设示意 F i g ．3 S c h e m eo fs t o p ea n dl o c a t i o n o fm o n i t o r i n gp o i n t s 表1l 测点岩体声发射参数 T a b l e1A c o u s t i ce m i s s i o np a r a m e t e r s o fN o lm o n i t o r i n gp o i n t 表22 测点岩体声发射参数 T a b l e2A c o u s t i ce m i s s i o np a r a m e t e r so fN 0 2m o n i t o r i n gp o i n t 通过对该矿监测过程中1 0 余次冒落事件分析， 前兆期一般不超过3 d ，而冒顶片邦事件则一般发生 在声发射参数下降后的3 6 h 以内。在该期间加强了 监测工作，人员设备暂时避开危险地段，经岩体加固 或经其他方式处理后，再进入监测范围作业，确保了 回采工作的顺利进行。 4结论 岩体声发射参数与岩体破坏速率及范围的大小 有关，根据声发射各参数随时闻的变化情况可进行 趋势分析，对采场矿岩破坏的发展情况及安全程度 做出预测预报。声发射相对强弱指标能有效地消除 因工程布置，地质构造等因素导致声发射信号微弱 的影响，即使在声发射信号较弱情况下，在冒顶事件 发生前夕仍能作出较明显的预兆反应。综合考虑岩 体声发射事件率、能率及其变化率和相对强弱指标 等参数，进行岩体稳定性趋势分析，可以更准确地预 测采场围岩的稳定状态。利用声发射相对强弱指标 评价岩体稳定性，结果与实际情况具有较好一致性。 万方数据 1 0 0 有色金属第6 0 卷 参考文献 [ 1 ] 姜福兴，X U Nk ，杨淑华．采场覆岩空间破裂与采动应力场的微震探测研究[ J ] ．岩土工程学报，2 0 0 3 ，2 5 1 2 3 2 5 ． [ 2 ] 尹贤刚，李庶林，唐海燕，等．岩石破坏过程的声发射特征研究[ J ] ．矿业研究与开发，2 0 0 3 ，2 3 3 9 1 1 ． [ 3 ] 窦林名，何学秋．声发射监测隧道围岩活动性[ J ] ．应用声学，2 0 0 2 ，2 1 5 2 5 2 9 ． [ 4 ] 祝方才，潘长良，曹平．岩石结构对声发射影响的试验研究及数值模拟初探[ J ] ．有色金属 矿山部分 ，2 0 0 2 ，5 4 2 ‘ 1 7 1 9 ． [ 5 3 王宁，韩志型，王月明，等．评价岩体稳定性的声发射相对强弱指标[ J ] ．岩土工程学报，2 0 0 5 ，2 7 2 1 9 0 1 9 2 ． [ 6 3 纪洪广，乔兰，张树学，等．深部岩体稳定性评价的声发射一压力耦合模式[ J ] ．中国矿业，2 0 0 1 ，1 0 2 5 1 5 4 ． [ 7 3 徐东强．巷道围岩破坏时的声发射特性[ J ] ．金属矿山，2 0 0 0 ， 3 2 3 2 4 ． [ 8 ] 李俊平，夏伟，戴海树．声发射技术技术在采矿工程中的应用[ J ] ．中国钼业，2 0 0 0 ，2 4 2 1 6 1 9 ． [ 9 ] 蒋海昆，张流，周永胜．不同围压条件下花岗岩变形破坏过程中的声发射时序特征[ J ] ．地球物理学报，2 0 0 0 ，4 3 6 8 1 2 8 2 6 ． [ 1 0 ] 谭云亮，李芳成，周辉，等．冲击地压声发射前兆模式初步研究[ J ] ．岩石力学与工程学报，2 0 0 0 ，1 9 4 4 2 5 4 2 8 ． [ 1 1 ] 徐东强．断层冲击地压发生机制及声发射特征[ J ] ．黄金，2 0 0 0 ，2 1 6 2 5 2 6 ． A c o u s t i cE m i s s i o nQ u a n t i t a t i v eC r i t e r i o no nR o c k m a s sa n dA p p l i c a t i o n o nS t o p eS t a b i l i t yM o n i t o r i n g W A N GN i n g 。L E lJ i n s o n g H A NZ h i - z i n g S c h o o lo fC i v i lE n g i n e e r i n ga n dA r c h i t e c t u r e ，＆m 加t c 橙tU n i v e r c i t yo f S c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，M i a n y a n g6 2 1 0 0 2 ，S i c h u a n ，C h i n a A b s t r a c t T h er e l a t i v es t r e n g t h ．w e a k n e s sc h a r a c t e r i s t i co ft h ea c o u s t i ce m i s s i o np a r a m e t e r sf o rr o c k m a s ss t a b i l i t ye v a l u a t i n gc r i t e r i o ni si n v e s t i g a t e di no r d e rf o re f f e c t i v e l ye v a l u a t i n gb a s e do nt h et e s t i n gr e s u l t so ft i m es e q u e n c eo f a c o u s t i ce m i s s i o np a r a m e t e r s ．T h ee f f e c to ft h ee n v i r o n m e n t a lf a c t o r so ng e o l o g i c a ls t r u c t u r eo rt h ed i m e n s i o n s a n dl o c a t i o no fm i n e d o u ta r e a sc a nb ee l i m i n a t e db yu s eo ft h ee v a l u a t i n gc r i t e r i o no fr e l a t i v es t r e n g t h w e a k n e s s c h a r a c t e r i s t i c ，a n dt h er o c k m a s ss t a b i l i t yc a nb em o r ec o r r e c t l yp r e d i c t e di ns t o p es t a b i l i t ym o n i t o r i n gb yc o m - 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