声发射在煤矿处理采空区方面的应用.docx

声发射在煤矿及桥梁方面的应用作者:陈鹏、周密、包仕俊、热压提居拉提亚合亚拜伊斯拉依力摘要:随着时代的发展，科学的进步，声发射渐渐走进我们的生活之中。采用声发射原理，可以让我们进行岩体动力现象的监测，包括冲击矿压、煤和瓦斯突出；岩土工程稳定性监测，包括边坡、坝基、公路、涵洞、隧道等；混凝土结构稳定性的监测，包括井架、桥梁、建筑物、桩基等；金属压力容器的监测和检测，管路破损监测和检测等。例如，对于在役压力容器声发射检测为声发射无损检测，可用于容器出厂及在役容器检修水压试验时的监测。监测范围包括石化系统的各类容器、储罐及各个行业的锅炉。检测的目的是发现使用中产生的危及压力容器安全的缺陷和受载情况下的活动性缺陷，其主要内容发现超过一定尺寸（特别是缺陷在板厚方向的自身高度及离表面的距离）、危险性较大的平面缺陷（裂纹、未焊透、未熔合）等，并在这些领域发挥着无可替代的作用。因此研究并利用好声发射技术成为目前工程领域方面一大问题。关键词:声发射,煤层顶板,断裂,采空区,桥梁Abstract: With the development of the times, scientific progress, acoustic emission gradually into our lives. Acoustic emission principle, allows us to monitor rock dynamic phenomena, including burst, coal and gas outburst; geotechnical stability monitoring, including slope, dam, road, culverts, tunnels; the structural stability of concrete monitoring, including the derrick, bridges, buildings, pile etc; monitoring and detection of metal pressure vessels, piping breakage monitoring and detection. For example, for pressure vessels in service acoustic emission detection for acoustic emission nondestructive testing, can be used for in-service monitoring of container and container factory overhaul during hydrostatic testing. Monitoring covers all types of container and petrochemical systems, storage tanks and boilers in various industries. The purpose of testing is to find defects endanger the safety of pressure vessels and under load conditions by the activity of defects arising from the use of its main contents found that over a certain size (in particular defect in the thickness direction of their height and distance from the surface), greater risk of plane defects (cracks, incomplete penetration, lack of fusion), etc., and plays an irreplaceable role in these areas. Therefore, to study and make good use of acoustic emission technology become a major engineering problems引 言随着社会的发展经济的进步 ,交通越来越方便各种桥梁也成为了交通要道上的重要一环 ,但是由于检测的监管的种种问题为交通做出 了重大贡献的桥梁也往往事故多发 .为了使桥梁的的使用更加的安全 声发射技术营运而出 .同样的情况在煤矿中也存在,正如大家所广知的,煤矿是一个高危工作,因此煤矿中的安全系数要求相对其他行业要高的很多,此时便用用到了我们所要讲的声发射技术.所以,今天我们主要围绕声发射在煤矿及桥梁方面的应用而展开.一:发射法在煤矿开采中的应用1.1:什么是声发射呢?声发射技术其实就是指物体在受到形变或外界作用时因迅速释放弹性能量而产生瞬态应力波的一种物理现象。今天，我主要讲的是煤矿中的声发射现象及其应用。提及煤矿，相信大家心里都会不禁的把它和恶劣的环境，危险等词汇联系起来，的确如此，煤矿相对而言是一个高危行业；它对安全的要求及谨慎程度相对其它行业而言也高出许多，因此安全也一直是煤矿生产中重中之重的工作。现在的煤矿事故中，据2008-2013年煤矿事故统计因煤矿顶板或煤层破裂导致的事故占总事故的19.8%左右，并且保持着逐的趋势，因此控制并预测煤矿顶板破裂是现在煤矿事故研究的重点项目之一。2008-2012年由于煤层顶板破裂造成的煤矿事故比列图1-1正如声发射所定义的那样，每当岩石和煤体发生破裂时便会发射出一种低频的声波信号。而声发射便是利用岩石破裂的这一特性来扑捉相关信号，从而达到预测顶板破裂等相关事故，利用这一方法，可以很好地控制并减少煤矿事故中受害人数。那么这一方是如何运作的呢？下面将为你一一解答。1.2:采矿活动所引发的动力现象分为两种：i. 强烈的，属于采矿地震的范畴，ii. 较弱的，如声响、震动、卸压等相对而言引发的能量波动相对较少。而我们这里的声发射则集中记录第二种减弱的能量释放；其工作原理就是以脉冲形式记录弱的、低能量的信号，其主要特征为振动频率从几十赫兹到几千赫兹；但能量100焦耳；震动范围200m以内。而采矿声发射方法主要用来确定正在掘进的巷道或正在回采的工作面的冲击矿压危险，即：a) 确定采矿巷道或煤层部分的冲击矿压危险；b) 连续监测冲击矿压危险状态的变化；c) 冲击矿压防治措施的评价及其效果的评价。采用的方法主要有站式连续监测和便携式流动低音监测。用来检测和评价局部震动的危险状态及随时间的变化情况。主要记录声发射频度（脉冲数量）、一定时间内脉冲能量的总和、采矿地质条件及采矿活动等。煤矿中的煤炭在采完之后便会形成一片片采空区，而这些采空区往往是煤矿顶板塌落的高发段，但如果我们可以利用声发射的方法在事故发生之前预测出相关信号，及时的坚强支护，或是撤离相关人员及设备，就可以减少很多不必要的损失，为日后的采空区处理工作提供相关数据，不仅减少了事故，而且还提高了煤矿工作的效率。一般情况下我们有两种方法可供选择方式一：固定式连续声发射监测探头的布置方式二:流动声发射检测探头的布置考虑到其震动幅度在前期相对较小，故在检测采空区岩层稳定性时，选择方式一：固定式连续声发射监测探头的布置这种检测方式类似于微震监测，有固定的监测站，可以连续监测煤岩体内声发射现象的连续变化，预测冲击矿压危险性及危险程度的变化。如下图1-2声发射探头一般都布置在上下两平巷的煤壁或顶板之中。探头一般都按设在深为1.5m以上的钻孔中，以便避开巷道周边的破碎带及工作面的采煤机及刮板输送机工作时带来的影响。在回采工作面进行监测时，近的探头距工作面40m，远的探头距工作面110m。因为工作面再进行回采时，往往会带来很大的震动，如果探头的去噪效果相对较好的话，探头可以布置在距工作面20m处。在掘进巷道进行检测时，探头应布置在掘进工作面至少30-100m之间。一般来说，探头的布置应避开断层、煤层尖灭（煤层在横向空间展布上变薄以至消失的现象）、老巷等阻尼大的地点。采煤工作面的回踩过程中，由于煤炭的采出使得被采出煤炭的地区应力出现重新分布，因此就有可能会导致顶板的垮落，或在顶板出现应力集中等现象，这些现象都有可能使得煤矿事故；采用上诉方法，分别在对应位置布置相关探头，以达到最高程度的达到测量相关信号的要求；我们可以在一定范围内设置一个警报发生器，当我们的检测到的振动信号超过一定范围时，工作面便会自动发出警报，相关工作人员在听到此警报时，便可以及时采取措施进行支护或者是撤离相关人员和设备，以最大限度的减少煤矿灾害，或是煤矿灾害所带来的危害。近年来，随着中国经济的发展，我们渐渐走向世界，无论是经济还是技术，通过与外国的交流，我国的采矿设备也越发先进，不仅在煤矿出彩率方面得到大大的提高，在安全方面也有了一个非常大的提升；煤矿事故渐渐减少，但是在一些地质情况较差的地区还是有矿难事故的发生，因此我们还要努力，争取做到零事故。2.1:声发射法在煤矿开采中的应用材料中局部区域应力集中，快速释放能量并产生瞬态弹性波的现象称为声发射（AE) ，有时也称为应力波发射。材料在应力作用下的变形与裂纹扩展，是结构失效的重要机制。这种直接与变形和断裂机制有关的源，被称为声发射源。1. 声发射的物理基础采矿活动所引发的动力现象可概括分为两种，第一种为属于地震范畴具有强烈现象的动力现象,第二种较弱,如声响、振动、卸压等，统称为采矿地音，也称为岩石的声发射。在矿井中声发射现象与岩石的动力现象以及弹性波的发射有关,这是由于在岩体压力场作用下,岩体结构的非弹性变形或结构产生的非稳定状态的结果。声发射与岩石种类，信号的水平，塑性变形，微裂缝的形成与增长，已存在的裂缝及微裂缝有关，而岩石的声发射现象的研究是从三十年代开始的，首先是由欧伯特在锌矿测量地震波传播时开始的，随即在美国的密歇根铜矿进行。2. 煤岩块受力过程中的声发射特点引起岩石压缩破坏的主要原因是岩石的强度破坏，表现为应力应变之间的曲线关系，地下中的煤岩块主要受力方式为多向压缩受力，在进行煤炭开采的过程中，应用声发射法对煤炭开采进行监测以及控制破坏提供了可能。如图所示，为岩石在单轴压缩条件下的应力应变曲线与声发射的对应关系图。（1）孔隙裂隙压密阶段（OA），在该阶段中，试件的横向膨胀较小，试件体积随着荷载的增大而增大。而在此过程中，声发射的信号多为小信号，能量较低，不太明显。（2）弹性变形至微弹性裂隙稳定发展阶段（AB），该阶段的应力应变曲线呈近似的直线，应力应变近似为线性关系，而在该阶段中声发射增多，随着应力的增加而声发射不断的增加。（3）非稳定破裂发展阶段，或称累积性破裂阶段（BC）,而C点是岩石从弹性变为塑形的转折点，也称为屈服点，强度大小约为峰值强度的三分之二。而在此阶段中声发射随着外力的增加而不断增加直至达到最大值，破坏机制为原生裂纹以及新生裂纹的不断扩展直至试件破坏。（4）破裂后阶段(CD),试件的承载力达到峰值以后，其内部结构遭到破坏，但试件的整体保持完整，随着应力的增加，应变反而开始降低，但仍保持着较高的水平。而声发射也保持着较高的水平。由上述的分析可知,煤岩体的声发射特性与受力特性有着密切的联系,由图中可看出,当应力达到极限载荷的70%左右时,声发射的表现变得极为明显,体现出了应力应变与声发射的关系极为的密切,这也为煤炭开采事的监测提供了理论基础。2.2:声发射监测2.3:声发射的原理岩石破坏时会产生破坏和变形，同时会产生声发射现象，声发射的大小、多少、频率等指标则反映出了岩体的受力情况，地音是矿山岩体受力所产生的一种必然现象，在某一地区进行地音监测，系统的分析地音事件，找出地音的规律，并以此为基础指导煤矿的开采。2.4:声发射监测技术的要点地音监测是近年来随着计算机技术的发展，以及数据处理和声发射的发展而形成的一种新的应用学科，而在进行地音监测的过程中，信号的收集和处理则极为重要，收集的地音信号传感器叫做地音探头，地音探头的性能直接影响着监测的结果，结合地下煤岩的声发射频率，地音探头的接收频率在200之3000HZ之间。同时地音探头的布置同时也非常重要，其布置的位置一般在工作面的上下槽中，每个巷道大约安置的地音探头的数目一般为三个，同时，为保证工作的准确性，在实际的测量中，其布置的位置一般在离工作面10到30米处。2.5: 声发射数据的收集和传输声发射信号本身为一种振动信号，对于煤岩，其声发射信号的频率在200到2500HZ之间，在数据收集的过程中应该实时记录下信号，对于小的声发射信号应做放大处理，同时也要过滤噪音信号所带来的影响。对于声发射的传输，目前主要采用两种方式，第一种为数据量传输，另一种为模拟量传输。2.6:检测结果的数据处理在处理数据的过程中，我们主要参考的参数为地音事件本身，地音事件的频率、能量，地音事件的延时等，在数绝处理的过程中，主要采用统计的方法，但有时也会采用绝对分析法。2.7:冲击地压的预测报告地音监测技术用于预测冲击地压的实践表明, 矿山的煤一岩力学系统结构的变化, 必然引起地音量的变化即矿山压力及其煤岩体中地音规律的改变。对于冲击地压监测而言, 由于其显现范围较大, 采用地音监测技术进行监侧的理论基础是可靠的, 实践的效果也极为的可靠。而对于不同的矿山地质开采条件，地音的产生受到了不同条件的影响，则地音活动规律也不尽的相同，如图所示，在对北京矿务局门头沟煤矿和枣庄陶壮矿的地音活动中可知，在门沟矿, 发生冲击地压的地音规律是在冲击地压发生前2 8d地音能率开始不断上升近而转平,持续个3个班后地音能率又开始上升, 其后内将发生冲击地压。而陶庄矿发生冲击地压的规律, 却是地音能率在冲击地压发生前1 2d开始急剧增加, 在地音能率不断增加的过程中将发生冲击地压。由此实践可知，用地音监测预报冲击地压是极为有效的。 二:声发射技术在桥梁破坏的检测2.1:随着社会的发展经济的进步 ,交通越来越方便各种桥梁也成为了交通要道上的重要一环 ,但是由于检测的监管的种种问题为交通做出 了重大贡献的桥梁也往往事故多发 .为了使桥梁的的使用更加的安全 声发射技术营运而出 .声发射技术实际是对声发射信号的收集 ,从而根据已有的数据对桥梁的各个地方的应力状态进行分析以此来保证桥梁的安全使用 .声发射信号实际上是由于岩石的变形和破坏或是岩石的相位错动摩擦滑动及其它引发,对于最低的能量信号,声发射源就是断裂.根据塑性变形的断裂理论,弹性波的发射仅在断裂速度的变化,即在断裂的加速或者缓时发生,对于较高能量的发射信号,则是岩石的脆性破断 在这里我们不研究.2.2:声发射技术的参数aiser效应是德国学者Kaiser在1963年研究金属声发射特性时发现的,材料被重新加载期间,在应力值达到上次加载最大应力之前不产生声发射信号,也就是说,岩土体在受荷载作用时引起内部微裂纹的产生、发展、错位、颗粒界面的移动、破坏等都会产生声发射;岩体声发射的频次、多少、激烈程度岩土体的破坏过程密切相关,岩土体破坏愈严重,岩体声发射频次愈高,释放能量愈大,因此,通过岩土体声发射频次、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.2.3:声发射在桥梁安全的检测.材料中裂纹的形成和扩展过程不同相界面发生断裂以及复合材料内部缺陷的形成都能能成为声发射源,物体发射出来的每一个信号都包含着反映物体内部缺陷性质和状态变化的信息,接受这些信息加以处理研究分析,从而推断材料的内部状态变化,这就是声发射检测技术它能检测到活动的缺陷.2.4:神发射技术在桥梁安全检测中的难点目前,声发射技术在桥梁的现场测量方面还存在着诸多影响因素,从而阻碍了它的快速发展和应用.如何推进声发射技术在桥梁检测中的应用,是所有声发射技术的难点针对这个问题我觉得可以通过下面的方法来解决 进行大量的桥梁现场测验试验积累试验数据;并结合现场的声发射检测试验总结出桥梁现场的声发射信号采集的操作过程一直没有形成规范.因此如何使用声发射的操作规程是一个值得研究的问题.2.5:声发射在桥梁安全检测的具体方法在石家庄铁道大学姚云秀 郝如江贺豪凯论文中通过全真模拟试验得出材料均匀,捣固完好的钢筋混凝土结构梁在加载破坏过程中,声发射信号与裂纹产生有较好的一致性,裂纹发生时声发信号能量有显著的变化 由此可以鉴定桥梁的健康状况.以下是具体实验过程混凝土梁试件根据已有的加载设备和前期的理论计算制作了四种混凝土配比相同、内部结构状态不同的钢筋混凝土梁，其截面尺寸为，长度。为便于比较，试验中号梁为素混凝土，、号梁为钢筋混凝土，其中号梁是理想的完好钢筋混凝土梁，号梁跨中带有深度贯穿型裂纹，号梁在浇注过程中未对混凝土进行捣实，内部结构较松散。按照规范要求，梁