创刊于1987年, 双月刊
主管:

江西理工大学

主办:

江西理工大学
江西省有色金属学会

ISSN:1674-9669
CN:36-1311/TF
CODEN YJKYA9

深井矿山岩爆的预测预报及其防治技术

李雪珍, 张学焱, 马师, 黄永刚, 饶运章

李雪珍, 张学焱, 马师, 黄永刚, 饶运章. 深井矿山岩爆的预测预报及其防治技术[J]. 有色金属科学与工程, 2016, 7(4): 109-113. DOI: 10.13264/j.cnki.ysjskx.2016.04.019
引用本文: 李雪珍, 张学焱, 马师, 黄永刚, 饶运章. 深井矿山岩爆的预测预报及其防治技术[J]. 有色金属科学与工程, 2016, 7(4): 109-113. DOI: 10.13264/j.cnki.ysjskx.2016.04.019
LI Xuezhen, ZHANG Xueyan, MA Shi, HUANG Yonggang, RAO Yunzhang. Prediction and prevention technology of rock burst in deep mines[J]. Nonferrous Metals Science and Engineering, 2016, 7(4): 109-113. DOI: 10.13264/j.cnki.ysjskx.2016.04.019
Citation: LI Xuezhen, ZHANG Xueyan, MA Shi, HUANG Yonggang, RAO Yunzhang. Prediction and prevention technology of rock burst in deep mines[J]. Nonferrous Metals Science and Engineering, 2016, 7(4): 109-113. DOI: 10.13264/j.cnki.ysjskx.2016.04.019

深井矿山岩爆的预测预报及其防治技术

基金项目: 

国家高技术研究发展计划(863计划)项目 2012AA061901

详细信息
    通讯作者:

    饶运章(1963-),男,教授,博导,主要从事采矿工程、爆破工程和环境岩土等方面的研究,E-mail: raoyunzhang@sohu.com

  • 中图分类号: TD324

Prediction and prevention technology of rock burst in deep mines

  • 摘要: 在深井矿山中,岩爆的发生极大地威胁着井下人员设备材料的安全,对岩爆的预测预报变得越来越重要.文中在总结国内外学者在岩爆研究成果的基础上,对岩爆的发生机理及其常用岩爆判据进行研究分析,指出当前的岩爆判据大体上都是围绕着岩体的物理力学性质、受力状态以及储能情况等3个方面进行研究分析的. 利用单一判别指标进行岩爆预测会存在一定的局限性,应综合考虑多种判别指标进行岩爆的预测预报. 最后介绍了实际矿山中几种常用的岩爆预测预报方法及其防治技术,对矿山岩爆的预测预报及其防治具有一定的指导作用.
    Abstract: In the deep mining, the occurrence of rock burst has been greatly threatening the safety of underground personnel and equipment and material. It becomes more and more important to predict the rock burst. On the basis of summarizing domestic and foreign scholars research results in rock burst, the mechanism and the commonly used criterion of the rock burst were studied to indicate that the current criterion of rock burst was substantially focusing on three aspects, namely the physical and mechanical properties of rock mass, strained condition and the energy storage condition. With the limitation of using a single evaluation index to predict rock burst, a variety of evaluation indexes for the prediction of rock burst should be considered. In the end, several common methods used in rock burst prediction and prevention techniques in an actual mining were discussed, which had a guiding significance for the prediction and prevention of rock burst.
  • 矿井通风系统可靠性的高低对矿井安全生产有着直接的影响.国内外自20世纪80年代以来,已取得了初步的研究成果[1-4].但由于问题本身的复杂性,还有许多问题尚未解决.矿井通风系统可靠性研究应在充分考虑以下几个特点的基础上进行.

    (1)矿井通风系统是由风机、分支和通风构筑物三者组成的有机整体,在讨论矿井通风系统可靠性时,应充分考虑各单元的特点以及各单元之间的相互联系和相互制约;

    (2)各通风构筑物单元在使用过程中的可靠性是相对的、动态变化的,其在某一时刻的可靠度不仅依赖于当时构筑物所处的状态,也与预计的剩余服役期有关;

    (3)各分支的风量在系统结构不变时,不仅与风阻和风压有关,而且与风机和通风构筑物当时所处的状态有关.

    分支可靠性定义为:在矿井通风网络结构不变的条件下,在规定的时间内某一分支i的风量值能够保持在一个合理的范围之内的概率,称为该分支的可靠度,记为Ri.并相应地称该分支在任意时刻能保持其风量值在一个合理的范围之内的概率为该分支的有效度,记为Ai.

    Qi(t)表示实际情况下第i分支在t时刻的风量值,Qi(0)表示在风机和通风构筑物都稳定可靠的前提下第i分支的风量值.根据安全规程规定或分支用风需求确定两个风量限定值Wi(1)和Wi(2),当第i分支满足

    (1)

    则第i分支正常,否则第i分支为不正常.因此第i分支的有效度Ai可表示为

    (2)

    通常,矿井通风网络的分支可靠度不仅是指风流的稳定程度或抗干扰能力,它与下列因素密切相关:①风流稳定性,角联网络分支造成的风流反向的可能性,风机的不稳定运行,井下提升运输设备因素等对风流运动的瞬时扰动现象;②调节设施工作的可靠性以及失效状态可能产生的危害程度和范围;③分支中的有毒性、窒息性和爆炸性气体与粉尘含量,一旦超限将使局部网络暂时失效;④漏风情况,风流的质量状况以及气候条件等.

    由文献[5-8]可推导出,Qi(t)保持在闭区间[Qi(0)-Wi(1),Qi(0)+Wi(2)]内的概率(即第i分支的可靠度)为

    (3)

    (4)

    (5)

    Ri值即为在综合考虑了分支风阻的随机扰动及通风构筑物的可靠性等因素后,第i条分支的风量保持在[Qi(0)-Wi(1),Qi(0)+Wi(2)]范围内的概率,即第i条分支的可靠度.

    可用一般可修系统的可靠性计算方法来评价风机的可靠性[9-12].

    对于单台风机若其寿命遵从指数分布1-e-λtt≥0,故障后的修理时间也遵从指数分布1-e-μtt≥0.当两个随机变量相互独立,且故障部件修复后的寿命分布与新部件相同时,单台风机的有效度为

    (6)

    对于主扇,根据矿山安全规程的要求,都需要设备用风机(一般只有电机备用).可将主扇单元看作用两个相同型号部件组成的冷储备系统,若这两台风机寿命和故障后修理时间均服从负指数分布,则主扇单元的有效度为

    (7)

    一般情况下,若某矿备有n台相同型号的主扇,正常情况下需要k台主扇工作,当工作的某台主扇发生故障后,则将剩余的n-k台中的某台启动,此时可将主扇单元视为k/n(G)表决系统,若每台主扇的寿命分布和故障后的修理时间分布均服从负指数分布,则主扇单元的有效度为

    (8)

    通风构筑物的类别不同,其可靠度的定义和计算方法亦不同.

    对于风门、挡风墙、风帘截断风流的通风构筑物,其主要功能就是将风流截断,阻止风流通过.其可靠度定义为:对于截断风流的通风构筑物,在某一时刻t完成截断风流的能力,称为该构筑物在t时刻的可靠度.若Rs1(t)表示这类构筑物在t时刻的可靠度,则有

    (9)

    式(9)中,Qi(t)为截断风流的通风构筑物在t时刻的漏风量,m3/s;QSj(t)为截断风流的通风构筑物入风侧的设计风量,m3/s.其值为网络解算所得的风量值,此值不随构筑物的服役期t的变化而变化,而只与t时通风系统的网络结构有关.

    新建截断风流的通风构筑物总有一定的漏风量,其值可通过实测而得,以Qi(0)表示.则新建截断风流的通风构筑物的可靠度为

    (10)

    该通风构筑物在使用过程中,随着其服役期t的增长,由于不断受到外部环境及构筑物本身的逐渐老化等因素的影响,在不维修的情况下,其漏风量会逐渐增加.在t时构筑物的漏风量Qi(t)可以按式(11)评估

    (11)

    式(11)中,Ci(t)是与构筑物在服役期内的经历有关的系数.

    风桥等通过风流的通风构筑物的功能就是要使风流顺利地通过.可将其可靠度定义为:对于通过风流的通风构筑物在某一时刻t,其能使风流顺利通过的能力称为该构筑物在t时刻的可靠度.若以RS2(t)表示这类构筑物在t时刻的可靠度,则有

    (12)

    式(12)中,Qi(t)为通过风流的通风构筑物入风侧的风量,m3/s,即为网络解算所得之风量值;Q0(t)为该通风构筑物出风侧的风量值,m3/s.

    新建构筑物在风流通过的过程中总有一定的损失,即有

    (13)

    即其风量损失为

    (14)

    在不维修的情况下,随着构筑物服役期t的增长,QS(t)逐渐增大.QS(t)可以实测,也可以按式(15)评估

    (15)

    式(15)中,CS(t)是与构筑物在使用期内的经历等因素有关的系数.

    对于风窗等调节风流的通风构筑物,其可靠度定义为:对于调节风流的通风构筑物在某时刻t,其能通过的风量符合设计要求的程度,称为该构筑物的可靠度.并以RS3(t)表示.据此定义有

    (16)

    式(16)中,Qp(t)为t时刻该类构筑物的实际过风量,m3/s;Qd为设计构筑物的过风量,m3/s.Qp(t)值可以实测获得,也可利用与式(15)相似的公式评估而得.

    对于某一矿井通风网络,以m表示其节点个数,P表示其通路矩阵,A表示其关联矩阵,I为单位矩阵.若令C=A+I,取矩阵C中元素Cm1的余子式,并采用逻辑乘和逻辑加的运算方法对这一余子式展开,则得到从起始节点(进风井口)到终止节点(排风井口)的全部有向通路.

    若以pij描述分支ej是否在第i通路上,并令

    (17)

    则可求得该矿井通风网络的通路矩阵为

    (18)

    式(18)中,k为该网络的通路数;n为该网络的分支数.

    若以Rnet表示矿井通风网络的可靠度,则有

    (19)

    式(19)中,pi表示矿井通风网络的第i条通路.

    式(19)是网络可靠度的计算式,它与网络中进风点和出风点间的最小通路密切相关.但由于最小通路间的不相斥性,具有大量公共边,使得网络可靠度的计算相当困难.为了改进算法,采用不交型布尔代数算法.通过不交型布尔代数的化简、展开吸收、归并等运算,使得最小通路间不含有公共边.这样对于通路,可按互不相容事件求概率,得到网络可靠度.

    采用一个可行的状态S=(RQH),使得S在满足按需分风和经济性的条件下,可靠度达到最大,这个问题可用下列非线性规划进行描述[13].

    (20)

    式(20)中,S1S2分别为固定风量分支集和风机分支集;bij为该网络回路矩阵B中的元素;Ei为第i台风机的目标流线分支集;Hfi为第i台风机的压力上限值.

    式(20)的目标函数比较复杂,直接求解困难较大,应设法把目标函数进行简化.由式(4)和式(5)不难看出,要使得每个Ri都尽可能的大,只有让均值μ*i尽可能地接近Qi(0),让方差σ*i尽可能小,而由μj(1)、μj(2)、σj(1)和σj(2)的不确定性,也只有让每个αijβij的绝对值尽可能地小才行.根据已有研究结果[7-8],矿井通风网络的阻力定律、风量平衡定律和风压平衡定律可以综合写成下面的方程组.

    (21)

    由隐函数存在定理知,如矿井通风网络处于平衡状态S0的Jacobi行列式不为零,即

    (22)

    则式(21)在S0的某一邻域内存在唯一的连续偏导数解[14].

    (23)

    由此可知,当J的绝对值充分大时,可使每个αijβij的绝对值尽可能地小.式(20)的目标函数可以改为对J进行极大化.各分支风量一定时,调节各分支的风阻极大化J的优化模型如下:设已知各分支的风量为Q1(0),Q2(0),…,Qn(0),至少存在一棵生成树,使其所有余树枝风量不为零.从经济方面考虑,约定风机的压力上限分别为Hf1Hf2,…,HfF,则这时的优化模型为

    (24)

    式(24)中,ΔRj为分支j的风阻增量;JR1,ΔR2,…,ΔRn)为Jacobi行列式;S3为不可调分支[15]集;EiS2同前,M=106,且

    (25)

    (26)

    (27)

    (28)

    (29)

    图 1为某矿井通风网络,10条分支,6个节点.风机工作方式为抽出式,型号为4-72-11№20,转速为315r/min,风流上行流动.各分支对应的风阻值(N·s2/m8)为式(30),该风机的H-Q特性方程为式(31),分支4、8、9为固定风量分支,该网络无火灾时的风量分配为式(32)

    (30)

    (31)

    (32)
    图  1  某矿井通风网络示意图

    现分析火灾时各分支的风流稳定性.选一棵生成树,如图 2所示(实线部分).取Wi(1)=0.2Qi(0),Wi(2)=0.3Qi(0),μi(1)=μi(2)=0,σi(1)=0.04,σi(2)=1,i=1,2,…,10.上机计算求得各分支可靠度

    (33)
    图  2  图 1网络的生成树

    由可靠度知分支5风流最不稳定,分支9风流最稳定;固定风量分支中,分支4最不稳定,分支9最稳定.

    当分支7发生火灾时,主干分支中的风量增加,旁侧分支中的风量减小甚至反向.与主干分支相交的分支4、6、8、9中,由可靠度可知分支4风流首先反向,分支6次之,分支8再次之,这与分支可靠度是对应的.解算结果证明由分支可靠度来判断风流稳定性是正确的.尽管分支5没有反向,但它的风流稳定程度受干扰最大,例如当Δt=1300℃时,分支5中风量变化率为401.40%,其他分支中风量变化率值均小于它.实际上,风流稳定性是风向和风量稳定性的总称.

  • [1] 彭振斌, 方建勤, 颜荣贵, 等. 硬岩矿山深井岩爆预测方法的研究[J]. 矿冶工程, 2003, 23(5): 8-11. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-KYGC200305002.htm
    [2] 李夕兵, 姚金蕊, 宫凤强. 硬岩金属矿山深部开采中的动力学问题[J]. 中国有色金属学报, 2011, 21(10): 2551-2563. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZYXZ201110023.htm
    [3] 王斌, 李夕兵, 马春德, 等. 岩爆灾害控制的动静组合支护原理及初步应用[J]. 岩石力学与工程学报, 2014, 33(6): 1169-1178. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSLX201406010.htm
    [4] 董陇军, 李夕兵, 李萍萍. 深井开采灾害应对决策技术综述[J]. 有色金属, 2009, 61(1): 116-120. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YOUS200901028.htm
    [5] 杨健, 武雄. 岩爆综合预测评价方法[J]. 岩石力学与工程学报, 2005, 24(3): 411-416. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSLX20050300A.htm
    [6] 许东俊, 章光, 李廷芥, 等. 岩爆应力状态研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2000, 19(2): 169-172. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSLX200002009.htm
    [7] 徐林生, 王兰生, 李永林. 岩爆形成机制与判据研究[J]. 岩土力学, 2002, 23(3): 300-303. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX200203009.htm
    [8]

    TAN Y, YIN Y, GU S, et al. Multi-index monitoring and evaluation on rock burst in Yangcheng mine[J]. Shock and Vibration, 2015(1): 1-5. http://cn.bing.com/academic/profile?id=1516347609&encoded=0&v=paper_preview&mkt=zh-cn

    [9]

    ZHANG Y B, YU G Y, TIAN B Z, et al. Review of the research progress of rock burst[J]. Applied Mechanics and Materials, 2015, 716/717: 410-413. http://cn.bing.com/academic/profile?id=2083314575&encoded=0&v=paper_preview&mkt=zh-cn

    [10] 钱七虎. 岩爆、冲击地压的定义、机制、分类及其定量预测模型[J]. 岩土力学, 2014(1): 1-6. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX201401001.htm
    [11] 饶运章, 徐灵彬. 某铜矿逆断层对围岩稳定性影响数值分析[J]. 有色金属科学与工程, 2012,3(6):55-60. http://ysjskx.paperopen.com/oa/DArticle.aspx?type=view&id=201206011
    [12] 饶运章, 钟健, 桂旺华, 等. 龙门山矿区套孔应力解除法测定原岩应力[J]. 有色金属科学与工程, 2013,4(3):68-72. http://ysjskx.paperopen.com/oa/DArticle.aspx?type=view&id=201303014
    [13] 杨莹春, 诸静. 一种新的岩爆分级预报模型及其应用[J]. 煤炭学报, 2000, 25(2): 169-172. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MTXB200002012.htm
    [14]

    FRID V, VOZOFF K. Electromagnetic radiation induced by mining rock failure[J]. International Journal of Coal Geology, 2005(1/2): 57-65. http://cn.bing.com/academic/profile?id=2054812462&encoded=0&v=paper_preview&mkt=zh-cn

    [15] 宫凤强, 李夕兵. 岩爆发生和烈度分级预测的距离判别方法及应用[J]. 岩石力学与工程学报, 2007, 26(5): 1012-1018. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSLX200705021.htm
    [16] 徐林生, 王兰生. 二郎山公路隧道岩爆发生规律与岩爆预测研究[J]. 岩土工程学报, 1999, 21(5): 569-572. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTGC199905009.htm
    [17] 王迎超, 靖洪文, 张强, 等. 基于正态云模型的深埋地下工程岩爆烈度分级预测研究[J]. 岩土力学, 2015(4): 1189-1194. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX201504039.htm
    [18] 郭晓朋. 深井孤岛工作面不同采动阶段冲击地压预测与防治[J]. 煤炭与化工, 2015(1):32-36. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HHGZ201501010.htm
    [19] 姜繁智, 向晓东, 朱东升. 国内外岩爆预测的研究现状与发展趋势[J]. 工业安全与环保, 2003,29(8):19-22. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GYAF200308007.htm
    [20] 袁海波. 深埋长大公路隧洞岩爆预测及防治措施[J]. 山西建筑, 2015(8):183-184. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JZSX201508098.htm
    [21] 张镜剑, 傅冰骏. 岩爆及其判据和防治[J]. 岩石力学与工程学报, 2008(10): 2034-2042. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSLX200810011.htm
    [22] 唐礼忠, 王文星. 一种新的岩爆倾向性指标[J]. 岩石力学与工程学报, 2002(6): 874-878. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSLX200206024.htm
    [23] 杨凡杰, 周辉, 卢景景, 等. 岩爆发生过程的能量判别指标[J]. 岩石力学与工程学报, 2015(增刊1):2706-2714. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSLX2015S1015.htm
    [24] 邵良杉, 徐波. 基于Fisher判别分析的冲击地压危险性等级预测[J]. 金属矿山, 2015(1):138-144. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JSKS201501033.htm
    [25] 张子健, 纪洪广, 张月征, 等. 基于声发射试验与线弹性能判据的玲南金矿岩爆研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2015(增刊1):3249-3255. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSLX2015S1080.htm
    [26] 刘建坡, 李元辉, 张凤鹏, 等. 基于声发射监测的深部采场岩体稳定性分析[J]. 采矿与安全工程学报, 2013(2): 243-250. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-KSYL201302013.htm
    [27] 尚晓吉, 张志镇, 田智立, 等. 基于声发射测试的岩爆倾向性预测研究[J]. 金属矿山, 2011(8): 56-59. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JSKS201108018.htm
    [28]

    ZHANG Z, GAO F, SHANG X. Rock burst proneness prediction by acoustic emission test during rock deformation[J]. Journal of Central South University, 2014(1): 373-380. http://cn.bing.com/academic/profile?id=2254836463&encoded=0&v=paper_preview&mkt=zh-cn

    [29] 笪盍, 沈万君, 康德安, 等. 深部岩爆的声发射监测及数值模拟[J]. 金属矿山, 1994(10):26-29. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JSKS410.008.htm
    [30] 邓飞, 罗福友, 罗福龙, 等. 砂岩单轴压缩变形规律及声发射特性[J]. 有色金属科学与工程, 2014,5(1):77-81. http://ysjskx.paperopen.com/oa/DArticle.aspx?type=view&id=201401015
    [31] 李桂云, 李金良, 赵晓举, 等. 深部巷道岩爆预测及防治技术[J]. 河南理工大学学报(自然科学版), 2006(4): 266-269. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JGXB200604002.htm
    [32]

    LI Z, ZHU L, YIN W, et al. Study on monitoring rock burst through drill pipe torque[J]. Shock and Vibration, 2015(1): 1-8. http://cn.bing.com/academic/profile?id=1576438774&encoded=0&v=paper_preview&mkt=zh-cn

    [33] 王勇. 浅谈冲击地压的防治与救援[J]. 山东煤炭科技, 2015(6):1-2. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MTSD201506001.htm
    [34]

    LI Z L, DU L M, WANG G F, et al. Risk evaluation of rock burst through theory of static and dynamic stresses superposition[J]. Journal of Central South University, 2015(2): 676-683. http://cn.bing.com/academic/profile?id=2166465590&encoded=0&v=paper_preview&mkt=zh-cn

    [35] 邓飞, 韩晓亮, 罗福友, 等. 不同含水状态砂岩损伤分析研究[J]. 有色金属科学与工程, 2014, 5(6): 95-99. http://ysjskx.paperopen.com/oa/DArticle.aspx?type=view&id=201406016
计量
  • 文章访问数:  56
  • HTML全文浏览量:  37
  • PDF下载量:  1
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2015-09-06
  • 发布日期:  2016-08-30
  • 刊出日期:  2016-07-31

目录

/

返回文章
返回