浅析岩体动力灾害监测预警机理

岩体动力灾害监测预警机理浅析

王宝良

（中国京冶工程技术有限公司；北京市100088）

摘要：文章对微震监测技术以及其相关的机理进行了详细的介绍，并在理论分析的基础上，对微震监测的预警系统的基本原理进行了深入的了解，同时结合实际生产过程中所遇到的岩体动力灾害，对冲击地压的实时在线监测系统以及相关原理进行了深入的分析和研究，为现场试验提供理论基础和技术上的支持。

关键词：动力灾害；微震；监测预警；冲击地压；

引言

岩体动力灾害是影响世界范围内采矿业安全健康发展的主要因素之一。由于地球地壳的运动和人类挖掘开采的外力作用造成矿山的动力灾害。各种矿藏赋存条件复杂，从而给采矿业带来了极大的不便和挑战，也因此产生了诸多的地质灾害 [1]。在不同的矿产条件下，各种复杂的地质条件同时出现，现象相互重叠，不可预见性危险越来越多，开采的难度也比较大，使其成为一个重大且复杂的安全生产隐患[2-6]。

动力灾害突发性强，影响因素多，偶然性强，具有很强的毁灭性，容易造成矿毁人亡的重大事故。岩体发生震动以及地层压力的产生机理[7-9]、预测的方法和控制措施，目前学术界都没用一个统计的定论来解释。考虑到动力灾害的这些因素，世界范围内学术界已经达成共识，普遍认为新世纪里，在采矿行业的地质、力学和地球物理等领域我们需要共同面临的难题是岩体动力灾害的预防和控制。

1 微震监测基本原理

在某一区域中，同一岩层的不同位置区所承受的应力情况不同的话，其岩层的破裂倾向也有所差异。应力差值较大的部分，其破裂倾向就会越大，且在压力差值分布不均的情况下，高应力区域的岩层其破坏趋势就会越明显，即越容易发生因岩层断裂而引发的灾害[10]。因此，在现场进行动力灾害的相关监测过程中，往往是直接监测岩层的破裂情况，根据破裂位置的分布，推断出可能的应力场分布情况，从而确定应力差较大的区域。岩体发生破裂的一种表现形式是微震事件。所以，如果在某一区域中监测到微震事件的分布较为密集，则在该区域中岩体一定发生了破裂[11]，因此可以看出二者之间有着对应关系。微震事件分布场与应力场之间的关系，如图1.1所示。微震事件的产生是应力的不均匀分布所导致的结果；反过来讲，在对岩体的裂隙场进行描述时，可以依据监测到微震事件的分

布规律，来进行岩体破裂过程的特征描述。同时，也可以利用微震事件的监测结果，来分析了解实际工程中岩体应力场的分布情况。

图1.1基于微震事件、岩体破裂与应力场的关系

微地震监测系统无法提前预警，只能监测发生震动的原因、影响程度以及影响范围，可以实现掘进以及回采工作面周围大范围的监测，应力在线监测系统可以对危险区域的危险程度进行预测。可见应力在线监测系统与微地震监测的联合使用，避免了单物理量设备监测预警的片面性，通过两种方法的综合应用、多物理量融合，可以实现优势互补，达到了“大范围、连续、实时、全面”的预警要求，因此可以全面客观、更为准确对矿山动力灾害进行监测预警。

在震动场、应力场耦合作用的监测机理基础上，建立以高精度微地震监测为主、其他手段辅助监测的冲击地压实时在线监测预警系统。诱发冲击的能量、位置以及主体，危险区域和发展趋势可以通过微地震监测得到，在微地震危险区域内，可以通过应力在线监测系统监测到其危险的程度，这样可以对灾害不同危险性进行预警。

矿山动力灾害按其成因不同，基本可以分为“自发型”和“诱发型”两类。

（1）“自发冲击型”灾害主要由于采掘空间周围应力积聚（原岩、采动、构造应力），满足冲击的力学条件后发生冲击性破坏，能量大到一定程度后，冲击产生的能量能够引起矿区范围内岩体的震动（矿震），即“冲击诱发矿震”，对矿震而言，称为“诱发矿震型”灾害，此类动力灾害的近场预警以应力监测为主，远场预警以震动监测为主。

（2）“诱发冲击型”灾害主要由于远场构造活化、厚层坚硬岩层断裂、矿柱破坏等产生的震动（矿震），震动传播到采掘空间周围使应力瞬间积聚，满足冲击的力学条件后发生冲击性破坏。现场表现为冲击前没有明显的预兆，在远处发生震动的数秒内，突然发生冲击破坏。即“矿震诱发冲击”，对矿震而言，称为“自发矿震型”灾害，此类动力灾害的近场预警以外应力场（卸压带外）监测为主，内应力场（卸压带内）监测为辅，远场预警以震动监测为主。

微震监测技术（microseismic monitoring technique），简称MS，是在近几年才兴起的一项新技术。该技术之前主要应用于地震勘查行业，在此基础上经由不断演化和发展起来的，并且该技术在应用的过程中涉及到了不同的学科和行业。其基本原理是：岩石在受到外界应力的作用下，其自身结构会发生破坏，并伴随声波和微震的现象，这种现象已经在实验中被广泛证实。这种声波和微震信号会传播到实验物体表面，然后被布置于物体一定距离之内的检测装置（一般为传感器）所捕捉到。这种微震信号又通过转换装置转换成一系列电信号数据。通过对这些信号数据的不断采集、分析、处理，以推断信号发生源处的破裂情况。也可以根据震动定位的原理来实现对岩体中发生破裂的位置的确定，然后根据监测到的相关数据来进行三维空间上的显示。

从图1.2中可以看到，当采场上方的岩层受到采动影响时，会发生断裂，继而破裂时产生的能量会以震动和声波方式，沿着固体介质向周围传播。产生的微震信号会被提前布置好的多组检波器所监测到。同时，由于产生微震信号的位置（岩层断裂位置）与每个检波器间的距离是不同，所以震动波传播到每个检波器所需要的时间也是不同，就会形成相应的时间差。根据检波器监测到的振动波的时间差，来对震源的定位和和振动波的能量进行计算，并根据计算的结果来判断此次岩层发生断裂的位置和断裂过程中产生的能量，如图1.3所示。

图1.2 微震监测岩体破裂示意图

图1.3 拾取到时震源定位示意图

2冲击地压实时在线监测基本原理

在“多因素耦合的冲击地压危险性确定方法”和“当量钻屑量原理”的基础上，进行了冲击地压在线监测预警系统的研制。该系统是可以实现对冲击地压的连续、精确的监测，并且可以对冲击地压的危险程度以及危险性进行实时报警。冲击地压实时在线监测预警的基本原理是由岩体所承受的压力、岩层之间的相互运动、钻孔围岩的应力等之间的内在关系所构成的。利用监测系统对工作面前方的采动应力场的变化情况进行实时监测，并根据监测的结果进行分析，来确定高应力区的分布位置和其变化的趋势。进而可以实现对冲击地压危险区实时监测和预警，并且可以实现对其危险程度的预报。图2.1为利用冲击地压在线监测系统对危险区进行监测，并根据具体情况进行针对性的处理。安装在监测位置的压力传感器当所采集的压力信号发生异常情况后，会将引起监测报警器报警，后经信号传输线将异常点传输到井下分站，井下分站再将异常情况反馈到地面监测主机，地面检测人员根据异常情况有针对性做出相应预防控制措施。

图2.1利用冲击地压在线监测系统进行危险区监测及针对性处理本文是利用钻孔应力计（钻孔应力计所测的是相对应力）来实现对应力变化情况的实时监测。钻孔应力计所测的是相对应力，是由绝对钻孔围岩应力与支承压力的共同作用的结果[12]。它们之间的相互关系如图2.2所示。可以看到，钻孔应力计所得到的支承压力峰值附近的应力变化情况一般小于绝对应力。但其变化趋势是高度一致的。

图2.2 矿山层的相对应力值与绝对应力值的关系示意图