采空区声发射监测记述

采空区地质灾害监测与预报

国内外在矿山地质灾害的监测、预报分析方面,已取得了显著进展。特别是大量监测仪器的研制、现代数、力理论及计算机技术的引进，为地质灾害的分析，预报奠定了理论基础，提供了科学的手段。前言

采场冒顶、采空区冒落是地下矿山开采过程中常见的灾害,直接威协井下工作人员和设备的安全,导致有价值的矿产资源损失。对采场冒顶、采空区冒落灾害的有效监测、预报及控制技术为采矿界一世界性的研究难题。

岩体在受力变形过程中以弹性波形式释放应变能的现象称为声发射(AcousticEmission简称AE),声发射技术是研究岩石力学性质的一种声发射方法。声发射作为一种探测表征岩体内部状态变化的工具，近几年已越来越多的为人们所重视。

最早对材料声发射现象进行研究的是1941年美国矿山局的工程师奥伯特(Obert)和杜瓦尔(Duvall)以及加拿大的霍奇森(Hodgson)，当初他们对采矿开挖过程中岩爆的预测问题都很感兴趣,他们不仅是用声发射来监测结构的最早构造者，而且也是最先采用声源技术确定最大应力的实施者，使声发射技术作为一门公认的技术则是德国的凯塞(Kaiser)在50年代初所作的工作，他发现了声发射的不可逆效应，即揭示了材料具有“记忆”应力的能力。岩体声发射监测技术方法

声发射的监测方法一般分为两类：一类是流动的间断性监测方法，采用便携式声发射监测仪对某些测点不定期实施监测，根据声发射参量的变化,判断岩体破坏趋势，评价岩体结构的稳定性,预报危险破坏的来临；另一类为连续监测方法，采用多通道声发射定位系统对某一区域实施连续监测，利用到达各探头的时差和波速关系可确定震源位置，从而评价、预测岩体的破坏位置，及时掌握地压发展的动态规律，便于矿山制定安全生产计划。声发射监测技术具有如下特点：

(1)利用岩体在开采过程中产生的声发射参量的变化来判断岩体的破坏位置和时间，可以实现对岩体稳定性的连续、实时监测，及时预报地压活动。因此，这种方法与其它地压监测方法相比具有实时、连续、信息多等特点。

(2)利用声发射定位监测技术可以推断采场岩体破坏的时间和位置，监测范围广，在判断顶板破裂、断层位置等方面具到独到的见解，是发现、圈定和估计岩体结构内潜在破坏带的有用工具。

(3)声发射监测技术在地压监控上的应用突破了传统的监控方法，抛开了传统的分析岩体应力、位移等为主要观测对象的观念，特别是在预测预报方面，由于声发射参量携带大量有关岩体特性的信息，且在岩体破坏之前就产生变化,以声发射参数为预报指标能够对岩体破裂与冒落提前预报，可保证现场有足够时间采取安全措施

利用声发射技术监测采场岩体的稳定性状态,主要应考虑以下几项与该技术应用有关的因素：

第一个因素是用于描述声发射特性的术语第二个需要考虑的因素是测试设备第三个重要因素是岩体的声发射研究的频带一：描述声发射特性的术语累计活动(N)声发射事件率(NR)声发射幅度(A)声发射能量(E)累计能量(ΣE)能率(ER)第二：测试设备

在实验室和现场岩体中进行声发射监测存在着许多技术困难：在实验室合适的加载设备的设计是一个重要问题。现场研究的复杂性：（1）在于存在由机械或人工所产生的频率相对不高(100到20000c)的“人工噪音”，此种噪音必须经过过滤除去;

（2）与声发射相关的应力波当通过低Q值的岩体时所受到的快速依频衰减；（3）是由于不知道岩体各个方向的传播速度和地质构造的复杂性因而难于精确地确定音源位置。

第三：岩体声发射研究的频带当考虑金属材料和结构的研究时，通常考虑的频率范围为100kc到2mc。但是大部分岩体的声发射研究都是大大低于这一范围的频带内进行的。图1所示为通常所谓的声发射研究所考虑的频率范围。

地震研究

微震研究声发射研究地震探矿金属研究10-1100101102103104105106岩体声发射活动规律分析研究

研究岩体变形非稳定性问题,目的在于对这种非稳定性问题进行预测预报。因此,研究的关键是寻找岩体失稳的前兆规律,虽然已有的研究成果证实岩体变形过程中的声发射活动是预报岩体失稳最有用的前兆信息,而由于以往对声发射活动的时空分布规律及活动模式缺乏系统的研究,也就是对岩体声发射的机制不甚清楚,知其然而不知其所以然，因而不能正确地利用所监测的信息进行系统稳定性辨识岩体声发射活动规律分析研究

声发射事件的时空分布特征从大量的实验和现场监测数据发现,在岩体临近破坏时,声发射事件率(NR)增加,一般是稳态声发射事件率的数倍。这种增加接着将在即将产生岩体破坏之前紧跟一个声发射活动的急剧减少,这个现象称作为微震反常现现象。所以声发射事件率的变化被广泛用作预测岩体破坏的前兆因素。但由观测结果还发现:岩体破坏之前出现微震反常现象,但反之并不成立,即反常并不一定发生岩体破坏,另一方面,一些岩体破坏发生在声发射活跃区,而另一些则不然,这样,把声发射事件频度方法用于岩体破坏的预报并不完全可靠。岩体声发射活动规律分析研究

岩体声发射活动模式

根据不同加载条件下所作的大量岩石声发射特征试验和现场实测结果,总结出“微震群”可以分为如下三种类型,也就是说岩体声发射可分为如下三种活动模式：

Ⅰ类型：高声发射AE活动突然发生,然后相继发生,称为“主震─余震型”；

Ⅱ类型：高声发射率AE活动之前有一些低声发射率的AE,之后有残余AE活动,称为“前震─主震─余震型”；

Ⅲ类型：没有明显的高声发射率的相继发生的AE活动,称“群震型”；也有断断续续发生的AE类型,就其局部来说与Ⅰ类型相似,就总体来说则属于Ⅲ类。Ⅰ类型：“主震─余震型”

Ⅱ类型：“前震─主震─余震型”Ⅲ类型：“群震型”

岩体声发射活动规律分析研究

上述三种类型AE活动中,Ⅱ类型AE活动是主要的AE活动,发生较多；Ⅰ类型AE活动最危险；Ⅲ类型AE活动是逐渐发生的,没有大的破坏,危险性较好。这些微震群类型的差别,可由材料或岩体的力学构造不同,其破坏行态的不同作如下解释:均匀材料的实验结果与Ⅰ类型AE活动完全相似,极端不均匀材料的实验与Ⅲ类型AE活动完全相似;不均匀材料的实验与Ⅱ类型AE活动很相似。

声发射信号数据获取的硬件实现

参数声发射仪器主要模块为声发射信号波形的模拟信号输入模块（包括传感器、前置放大器，主放大器和信号调理），声发射参数生成模块，声发射参数数据通讯模块及计算机数据存储显示分析模块。

参数-波形混合声发射仪器在参数声发射仪器的基础上加上可选配的波形采集模块，通常为少量通道可选配波形采集模块，这样可使后面的数据通讯和数据处理模块的负担不会太重，相对来说硬件较容易实现。全波形声发射仪器用AD模数转换模块完全代替了参数生成模块。声发射信号分析方法声发射信号分析的功能可分为三类：信号识别，信号评估和源定位。两大类分析方法：基于参数的分析方法和基于波形的分析方法。

所谓信号识别指提取或识别出感兴趣的信号或信号成分，通常采用时域和/或频域分析方法实现信号识别，例如FFT、小波等。信号评估指对感兴趣的信号进行大小、强度、频度等定量分析。源定位指声发射源的位置定位。基于参数的分析方法

基于参数的分析方法由于数据量小，其最大的优点是速度快实时性好。基本方法为参数关联法即各种参数组合与声发射源之间定性定量的关系，还有参数神经网络模式识别法，参数分形和灰度分析法等。参数分析方法的主要不足是不如波形数据直观，信息量小很多情况不能达到研究应用要求的信号识别和信号评估的能力。基于波形的分析

目前在应用意义上全波形声发射仪器已经可以完全实现参数声发射仪器的全部功能。许多研究应用场合观察声发射信号时域波形已经足够好的直观简洁地实现了信号识别和信号评估的要求。在现代波形分析技术的基础上，人们在声发射信号分析方面也采用了模式识别、人工神经网络、灰色关联分析和模糊分析等先进的技术，许多过去认为很困难甚至不可能实现的声发射信号识别和评估的任务现在都可轻松实现。声发射源的定位

声发射源的定位是声发射信号处理的一项基本内容。目前多通道全波形声发射仪器已经可以同时实现实时定位、实时波形显示、实时少通道频域分析（FFT、小波等）。更多更好实时分析功能实现有待于计算机处理能力提高和更好分析软件开发。目前多通道全波形声发射仪器的实时分析能力和强大的事后分析能力已经能够满足已知绝大多数声发射应用场合，很多情况有明显提高，还有一些过去认为很困难甚至不可能实现的声发射测试任务现在也可实现。岩石ＡＥ发生与破坏过程的关系

(图中：纵座标为AE次数，横座标为载荷P＝i×2.5KN)区段A-B：为现存裂纹闭合相关的阶段区段B-C：为纯弹性变形阶段区段C-D：为非弹性变形阶段区段D-E：宏观破裂-破坏阶段AE发生的位置

岩石的ＡＥ是岩石在变形过程中由于微破裂使积聚的能量突然释放而产生的一种弹性波。随着开采诱发的应力增加,局部微破裂也相应增加，并且在岩体内部某些区域形成微破裂集聚，称之为“集聚区”或严重损伤区。该区域的裂纹密度明显大于其背景区域，由声发射仪能测试到“集聚区”较高的ＡＥ事件频率。AE发生的位置1968年Scholz就在单轴压缩的情况下,对园柱形试件进行了三维空间的震源的确定，证实这些震源在临断层生成之前沿该面有集中的趋势；在低应力级时，AE的震源几乎均匀分布到试件的所有部位，但是随着破坏的临近，分布于整个试样的AE活动就减少了。AE的震源位置相对于破坏面而更加集中，Scholz发表了相同的看法。但是,Mogi采用更为完善的试验技术进行了相当大量的试验后，有力地证实了这一看法。这种现象表明，根据捕捉AE震源分布的集中过程，就有可能预测将要到来的破坏位置单轴压缩条件下岩石的AE试验采场冒顶声发射监测技术研究

1、基于声发射监测的采场安全等级划分

自然界的岩体结构非常复杂，它涉及的工程地质条件及岩体性质参数是多变的，甚至是随机的，难以用确定的模型描述，特别是矿山开采的地压问题更是一个动态的过程,它与矿山开采的工程活动密切相关。以往所用的线性、连续的、可微的经典理论与实际情况相差甚远，许多现象无法解释。事实上，地压活动既不是来自严格的周期性,也不是来自均匀分布的随机性。一个地压活动区，应视为条件复杂的开放系统，它与周围环境不断交换物质和能量，它们之间存在相互联系的制约的关系。1、基于声发射监测的采场安全等级划分地压灾害的孕育和发生是十分复杂的。这种复杂性来自岩体赋存环境、工程地质条件的复杂多变以及矿山开采造成的影响，这些因素相互耦合在一起，导致的随时间变化表现出强烈的非线性和不确定性的功能作用,使地压活动表现出非常复杂的演化行为。1、基于声发射监测的采场安全等级划分

研究岩体变形非稳定性问题,目的在于对这种非稳定性问题进行预测,以便提前采取积极的措施,预防安全事故的发生。而以上的分析表明，由于地压灾害的复杂性，从目前的技术发展水平，利用现有的地压观测手段还很难对地压灾害发生的时间作出准确的预报。为此，我们提出了一种基于声发射监测的采场安全分级方法。

1、基于声发射监测的采场安全等级划分岩体声发射是岩体在自然营力和开采应力作用下产生变形破坏过程中应变能释放现象，它综合反映了应力场、地质构造、岩性特征、地下水及开采活动的影响，因此，建立以声发射监测参数为主的顶板安全性动态分级方法,能很好地跟踪采场顶板安全性动态变化过程，及时为矿山生产提供安全预报信息。

1、基于声发射监测的采场安全等级划分采场安全等级划分方法与标准

顶板岩体破坏冒落过程实质上是顶板在受力过程中由微破裂到宏观破坏的发展过程，顶板岩体的力学系统的变化，必然产生声发射现象,声发射信息在一定程度上综合反映了岩体结构特征及其所处的应力状态。因此,声发射参数是评价采场安全程度的有效指标。美国矿务局(USBM)的雷沃劳尔(Revalor,1990)和罗威尔(Rowell,1991)的研究表明，在声发射能量分布中,高能事件占35%以上的低事件率就预示采场工作面已接近危险状态。根据理德(Ryder)的研究，采矿引起的声发射事件至少可分为两类，第一类为级别C事件，它是由于矿山空洞附近的材料受局部挤压而产生,材料破坏后的应变软化特征和系统刚度控制了岩体的破坏：第二类为级别S事件,它是沿已有软弱面剪切滑移或完整岩石的平面域上的不稳定剪切滑移而产生的。级别S事件释放的能量较C事件大得多,所以对应的破坏发生范围也大得多。前者主要以声发射事件率表现，后者则明显表现为能量释放的特征。

采场顶板安全等级划分具体实施

通过对测试声发射参数及现场稳定性程度的对比分析,制定的基于声发射监测参数的采场安全等级划分标准如下:(1)声发射事件率分级法(c─法);(2)m─值法

(3)声发射参数多指标分级方法(1)声发射事件率分级法(c─法)

针对具体采场的工程地质条件，可选用不同的声发射参数来评价采场的安全级别，有断层和无断层通过的采场声发射特征有明显的不同，后者主要表现为级别c事件,声发射事件率表现为主要特征，因此，可采用声发射事件率作为安全级别评价指标。

(2)m─值法

测试结果分析表明,产生采场顶板冒落时的m值较小。m值较大时一般不产生顶板冒落,而对于发生岩体破坏时的m值而言,m值大时，一般小规模的破坏相继产生,而m值较小时，岩体破坏前小规模的破裂少，产生冒落规模较大，说明m值的变化过程可反映采场顶板的安全程度。

式中：n──振幅大于或等于Am的AE事件总数；

Σ(nilogAi)──所有n次AE事件的振幅和。

(3)声发射参数多指标分级方法

虽然不同地质条件下的采场声发射特征有所不同,表征一个声发射的各个参数所表现的影响程度各异，但是，它们是岩体在变形破坏过程中的一个综合反映，所以，如果将这些指标综合考虑进一个采场安全评价体系中,则更能体现采场在力场中的变形破坏特征，参考声发射参数单指标所处地位各异的特点，在声发射参数多指标分级方法中，主要考虑三个分级指标，即：声发射事件率C(次／分)、高能事件率的比率E(%)以及m值的大小，采用评分方法进行安全等级划分。同时，根据测点所处工程地质条件的不同，对各参数的评分取不同的权值。

顶板安全等级多指标划分标准

评价因素安全等级Ⅰ级Ⅱ级Ⅲ级C(次/分)数值评分(有断层)标准(无断层)<5.025455.0-10.1733>10.0713E(%)数值评分(有断层)标准(无断层)<30.0452530.-35.3317>35.0137M值数值评分标准>3.8303.2-3.820<3.210总分71-10031-700-30采场安全等级划分方法及工程意义

矿岩从稳定到破坏，可分为三个发展阶段,即稳定阶段、破坏发展阶段及危险阶段,相应地,将采场顶板安全等级划分为三级:Ⅰ级：顶板处于相对安全状态；

Ⅱ级：中等安全,顶板岩体开始产生破裂,节理裂隙扩展,并有可能发展为岩体冒落；

Ⅲ级：不安全状态，破坏现象加剧，随时有可能产生冒顶、片帮。

采场安全分级的工程意义

分级方法采场安全等级以声发射参数为基础的单因素与多因素分级Ⅰ级Ⅱ级Ⅲ级安全性好，不许要支护，可进行正常的采矿作业安全性差，顶板支护后，可进行作业，应随时加强顶板处理安全性差，应停止采矿作