力－電－熱多參量監(jiān)測深井動力災害的試驗分析

李 祁，王 皓，潘一山，徐連滿，馬 簫

(1.遼寧工程技術大學理學院，遼寧阜新 123000;2.遼寧工程技術大學沖擊地壓研究院，遼寧阜新 123000)

0 引言

隨著煤炭開采的發(fā)展和淺部可采儲量的逐年減少，深部開采成為我國大部分煤礦必須面臨的問題。深部開采處于“四高一擾動”的復雜力學環(huán)境，沖擊地壓、煤與瓦斯突出等礦山動力災害發(fā)生的頻率和強度不斷增加［1-2］。目前沖擊地壓及煤與瓦斯突出的預測方法主要有微震預測法［3-4］、聲發(fā)射監(jiān)測法［5］、電磁輻射法［6］等非接觸式方法，通過監(jiān)測煤體內部能量向外輻射的信號，監(jiān)測煤體結構中應力的變化和煤體變形破裂;鉆孔法等接觸式方法，通過檢測鉆屑量［7］、鉆孔瓦斯涌出初速度和鉆屑瓦斯解吸特征［8］等指標，反映煤體力學性質、煤層瓦斯壓力和含量及煤層應力等因素;區(qū)域預測法［9］，綜合區(qū)域地質條件和開采技術條件對煤層及煤層區(qū)域的動力災害危險性做出判斷。由于單項指標本身的局限性，動力災害機理及規(guī)律尚未清晰明確，同時受地質條件復雜性與多樣化等因素的限制，目前的預測手段準確率不高，防治措施的有效性也不十分理想。

付東波等提出了采動應力監(jiān)測理論，并在綜采工作面使用鉆孔應力傳感器，實時監(jiān)測采動影響條件下工作面前方煤巖體的應力變化，對沖擊危險工作面進行了監(jiān)測和預測［10］。潘一山等使用電荷感應儀對工作面電荷感應信號進行監(jiān)測，證實電荷感應值與煤體所處的應力水平有一定關系，電荷感應預測技術可對沖擊地壓等煤巖動力災害現(xiàn)象進行預測預報［11］。劉紀坤等對煤體瓦斯解吸過程進行了熱力學分析，認為煤與瓦斯突出是由地應力、煤層瓦斯壓力以及煤的物理力學性質等多種因素綜合作用的結果，而煤體溫度的變化與以上三種因素都存在相應關系［12］。

本研究提出使用煤體應力、電荷和溫度監(jiān)測技術，對煤體內部應力變化、瓦斯運移及煤體破裂狀況等多種信息進行持續(xù)監(jiān)測，采用三項指標綜合分析，對煤礦動力災害進行預測預報，提高煤礦動力災害預測準確性，為煤礦安全生產(chǎn)提供保障。

1 深井動力災害災變機理

動力災害從孕育到發(fā)生的過程是十分復雜的力學過程，是由發(fā)生前的準靜態(tài)平衡狀態(tài)失穩(wěn)轉變到另一個穩(wěn)定平衡狀態(tài)的動力失穩(wěn)過程。沖擊地壓、煤和瓦斯突出等動力災害孕育過程是相同的［13-14］，即采掘活動破壞了原有的力學平衡，煤層及其圍巖應力重新分布，瓦斯發(fā)生流動;在應力和瓦斯固流耦合作用下，受有效應力支配的煤層發(fā)生變形;煤層中裂紋裂隙發(fā)生發(fā)展，應力超過彈性極限，裂紋裂隙開始大量發(fā)生，裂紋發(fā)生并合密集現(xiàn)象，出現(xiàn)了局部化現(xiàn)象;至峰值強度附近，變形局部化現(xiàn)象顯著，出現(xiàn)了包括裂紋裂隙在內的變形集中區(qū);變形集中區(qū)內煤的性質呈現(xiàn)應變軟化性質，即煤抵抗外載的能力不僅不隨變形增加而增加，反而隨變形增加而降低。

沖擊地壓與煤和瓦斯突出的孕育過程是完全相似，但發(fā)生過程和能量來源有很大區(qū)別［15-16］。沖擊地壓是煤層變形系統(tǒng)整體受壓失穩(wěn)而發(fā)生的，而煤和瓦斯突出是煤層變形系統(tǒng)未到臨界穩(wěn)定情況下，在應變軟化區(qū)進行采掘工作面推進，造成圍壓與孔隙壓力抵消后剩余拉性有效應力超過煤抗拉強度，發(fā)生拉伸失穩(wěn)破壞。沖擊地壓能量主要來自煤巖系統(tǒng)在變形過程中的彈性勢能，沖擊地壓發(fā)生時剩余能量轉化為沖擊能。煤和瓦斯突出能量主要來自瓦斯壓力勢能以及在煤變形過程中和突出發(fā)生過程中轉化為瓦斯壓力勢能的煤巖彈性勢能，最后剩余能量轉化為瓦斯噴出時的動能。

2 深井動力災害預測技術

地應力變化及瓦斯運移等因素是引起動力災害發(fā)生的根本原因［17］。在工作面推進過程中，工作面前方煤層應力場重新分布、瓦斯發(fā)生流動，在此過程中伴隨能量轉換，煤體將發(fā)生破裂、煤與瓦斯之間進行熱量交換、向外輻射電荷等能量。因此通過監(jiān)測煤體應力、溫度及電荷等指標，可反映煤層內煤體應力、瓦斯等變化，對動力災害進行預測預報。

2.1 煤體應力監(jiān)測技術

掘進或回采空間形成后，工作面煤體失去應力平衡，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，煤壁中的煤體發(fā)生變形或破裂，以向新的應力平衡狀態(tài)過渡。工作面前方依次存在著三個區(qū)域，它們是松弛區(qū)、應力集中區(qū)和原始應力區(qū)［18］。煤體前方的這三個區(qū)域始終存在，并隨著工作面的推進而前移。應力集中區(qū)應力達峰值，煤體將會發(fā)生變形破裂，煤體物理力學參數(shù)、煤巖體內瓦斯壓力及瓦斯吸附解吸狀態(tài)等發(fā)生較大變化，這一系列參數(shù)和狀態(tài)的變化達到一定程度、并足以使煤巖體發(fā)生破壞失穩(wěn)和拋出，將發(fā)生動力災害，因此通過監(jiān)測煤體應力的變化狀況來預測礦井動力災害。

目前煤體應力監(jiān)測主要采用接觸式壓力傳感器［19］，包括振弦式和液壓式傳感器兩種，安裝方式采用鉆孔探入式固定安裝。本次測試使用GPD200A礦用本安型壓力傳感器，在工作面前方煤體中鉆孔，用安裝桿將探頭緩慢鉆孔內，實現(xiàn)了對工作面前方煤體應力連續(xù)、實時測量。

2.2 煤體溫度監(jiān)測技術

工作面地應力場隨著采掘面向前掘進不斷發(fā)生變化，煤體在地應力的作用下發(fā)生變形和破壞，煤體能量向外耗散，此過程不是單純的力學過程，而是熱力耦合過程，自始至終都存在溫度的變化［20］。當?shù)貞ぷ髅婷后w做正功時，地應力做功部分轉化為熱能，根據(jù)熱力學第一定律，煤體內部溫度將升高;游離瓦斯的涌出和吸附瓦斯的解吸是一個吸熱過程，將使煤體溫度降低;已有的研究結果表明瓦斯吸收的熱量要遠大于地應力做功生成的熱量。

根據(jù)現(xiàn)場資料及部分學者研究，煤與瓦斯突出前，煤體內部已開始產(chǎn)生部分微裂隙，煤體內部吸附瓦斯解吸與游離瓦斯涌出將吸收煤體內部大量熱量，導致煤體溫度降低［21］，巷道處產(chǎn)生煤壁發(fā)涼、有絲絲冷氣冒出、空氣變冷、氣溫下降等現(xiàn)象，因此可通過監(jiān)測煤體溫度信號來預測礦山動力現(xiàn)象的發(fā)生。

煤體溫度監(jiān)測使用GWP100礦用本安型溫度傳感器，其使用精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠的鉑電阻作為溫度感應元件，溫度傳感器通過安裝桿推入到鉆孔內，可連續(xù)監(jiān)測煤體溫度變化來反映鉆孔溫度變化。

2.3 煤體電荷監(jiān)測技術

煤巖體在變形破裂過程中有電荷感應信號的產(chǎn)生，電荷的產(chǎn)生是壓電效應、摩擦作用、微破裂導致裂隙尖端電荷分離、位錯、流動電勢和電場等共同作用產(chǎn)生的電荷綜合疊加的結果，主要原因是微破裂導致裂隙尖端電荷分離和摩擦作用［22-23］。煤巖變形破裂時產(chǎn)生的電荷信號包含著煤巖變形破裂力學過程的大量信息，通過對煤巖變形破裂產(chǎn)生電荷進行檢測分析就可以掌握煤巖變形破裂的力學過程。

掘進或回采空間形成后，工作面煤體失去應力平衡，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，煤壁中的煤體必然要發(fā)生變形或破裂，以向新的應力平衡狀態(tài)過渡，在此過程中會產(chǎn)生電荷分離［24］。電荷感應與煤的應力狀態(tài)和破裂程度有關，煤體應力及煤體破裂程度越高時電荷感應信號就越強，電荷感應強度和位置兩個參數(shù)綜合反映了工作面前方煤體應力的集中程度。電荷法是一種很有潛力的煤巖變形破裂的預測方法，也將是一種很有潛力的非接觸、連續(xù)、綜合的礦山動力災害監(jiān)測預警方法。

本次測試使用課題組研制的在線式煤體電荷監(jiān)測儀，其電荷傳感器具有高放大倍數(shù)、響應快速的特點，可接受到煤體中向外輻射的電荷信號。將電荷傳感器安裝在巷道煤壁處，電荷傳感器探頭正對煤壁，對工作面前方煤體電荷變化進行連續(xù)、實時監(jiān)測。

3 現(xiàn)場測試實驗結果及分析

3.1 現(xiàn)場概況

平頂山八礦戊9、10-12160工作面位于戊二下延采區(qū)西部，東與戊二下延皮帶相鄰，西至戊四采區(qū)，北為己回采的戊9、10-12180采面，南鄰己回采的戊9、10-12140采面，為孤島工作面，煤層埋藏深度為620.5～736.2m。該采面可采走向長度為1051m(機巷1047.79m，風巷 1055.37m)，南北傾斜平均寬197m，斜面積為207047m2，煤層平均為4.3m。老頂為細砂巖，直接頂為砂質泥巖，距煤層頂板2.2～8.8m為戊8煤(0.6～0.9m)，直接底為泥巖及砂質泥巖，老底為砂質泥巖及粉砂巖。局部地段受斷層影響，煤層頂?shù)装迤扑?，裂隙發(fā)育，工作面推進速度為1.5m/d。

3.2 測試方案

選擇戊9、10-12160工作面風巷，自工作面煤壁開始，每15m布置一個測點，鉆孔起底高度為1m。溫度傳感器、壓力傳感器使用安裝桿安裝于孔內，電荷傳感器置于孔口處。傳感器通過接線盒經(jīng)專用電纜連接至安裝于石門附近的分機站監(jiān)測端子，分機站通信端子經(jīng)專用電纜連接到串口服務器，串口服務器接入監(jiān)測網(wǎng)，地面的監(jiān)測機通過串口服務器連接至監(jiān)測網(wǎng)，接收煤體應力傳感器、溫度傳感器、電荷傳感器監(jiān)測的信號，監(jiān)測系統(tǒng)布置圖見圖1。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡布置圖Fig.1 The network arrangement diagram of monitoring system

3.3 測試結果及分析

選取1#～3#測點2011年5月27日～2011年6月11日期間的數(shù)據(jù)進行分析。

從圖2中可以看出，1#測點傳感器在5月28～30號之間，煤體壓力增大3MPa，兩天后壓力降低。煤體溫度在此期間降低3℃，煤體電荷在此期間連續(xù)出現(xiàn)大幅波動變化，最大變化量達7000pC;在此之后幾天時間里，煤體應力、煤體溫度與煤體電荷監(jiān)測值一直穩(wěn)定不變;自6月5日1#測點距采煤工作面5.7m，到6月10日采煤工作面推進到1#測點期間，煤體溫度呈緩慢降低趨勢，下降最大幅值為2℃，煤體電荷在6月5日連續(xù)出現(xiàn)幅度較大波動變化，此后幾天偶爾會有電荷增大現(xiàn)象且數(shù)值變化較小。

圖2 1#測點監(jiān)測結果Fig.2 Test results of measuring point 1

圖3 2#測點監(jiān)測結果Fig.3 Test results of measuring point 2

從圖3中可以看出，2#測點煤體溫度在5月27與5月28兩天時間里出現(xiàn)大幅波動下降，降溫最大值達到8℃，煤體壓力在5月28號到5月30號之間出現(xiàn)增大現(xiàn)象，煤體電荷在此期間出現(xiàn)兩次小的幅值突增現(xiàn)象;在6月5日至6月11日期間，煤體溫度持續(xù)出現(xiàn)溫度波動降低現(xiàn)象，煤體溫度下降最大差值達6℃，煤體電荷在6月5日至6月9日期間出現(xiàn)連續(xù)大幅值波動變化，最大變化量達3400pC，煤體應力從6月8日開始增大，最大值達到17MPa。

從圖4中可以看出，3#測點煤體溫度在5月27與5月28兩天時間里緩慢下降，降溫最大值達到2℃，煤體電荷在5月28號到5月29號之間連續(xù)波動變化，最大變化量達4600pC;煤體壓力在此期間穩(wěn)定不變;此后一段時間里，煤體應力、煤體溫度與煤體電荷均無變化;在6月7日至6月10日期間，煤體應力連續(xù)波動，最大幅值達12MPa，煤體電荷在6月8日至6月10日期間出現(xiàn)連續(xù)大幅值波動變化，最大變化量達3500pC。

通過八礦的戊9、10-12160工作面風巷鉆孔中的在線實測數(shù)據(jù)分析，1#～3#測點在傳感器安裝完之后，4天時間內，除3#測點煤體應力沒有變化外，其余測點的煤體應力、煤體溫度與煤體電荷均有變化，1#、2#測點距工作面的距離分別為15m、30m，位于應力增高區(qū)，孔壁周圍應力場較大，孔壁發(fā)生坍塌時，產(chǎn)生較小的沖擊，而3#測點距工作面較遠，位于應力增高區(qū)以外，因此無沖擊現(xiàn)象發(fā)生，所以3#煤體壓力傳感器測的煤體壓力無波動。煤體溫度先降低后升高，鉆孔形成后，煤體內部在大量貫通的孔隙，以及在地應力的作用下，孔壁附近煤體破裂生產(chǎn)大量裂隙裂紋，煤體中的游離瓦斯與吸附瓦斯從孔隙和裂隙裂紋中涌入鉆孔向外釋放。由熱力學定律可知，瓦斯膨脹與解吸將吸收大量熱量，因此導致孔壁周圍煤體溫度下降。在地應力作用下，鉆孔處煤體繼續(xù)坍塌密閉鉆孔，不再釋放瓦斯，溫度傳感器被封閉于孔內，無法與巷道中空氣進行熱量流通，溫度傳感器處溫度逐漸回升至原始煤體溫度?？妆诟浇后w破裂及煤體內瓦斯向孔外釋放過程中，煤體破裂、瓦斯涌出因素等產(chǎn)生大量電荷攜帶到孔口處，致使孔口處接收到大量電荷信號。

圖4 3#測點監(jiān)測結果Fig.4 Test results of measuring point 3

6月5日1#測點距采煤工作面5.7m，逐漸進入破碎區(qū)，破碎區(qū)內煤體大量破裂，煤體中的游離瓦斯與吸附瓦斯向外釋放，使1#測點處煤體溫度降低，煤體電荷輻射量增大，隨著工作面的繼續(xù)推進，煤體已完全破碎，煤體內瓦斯大部分已釋放，不再生成電荷，煤體中大量的裂隙裂縫使工作面處空氣進入到煤體中，致使煤體內部溫度降低。

2#、3#測點煤體應力、煤體溫度與煤體電荷在6月5日～6月10日期間均有異常變化，由于巷道壓縮變形空間縮小，進行巷道擴幫清底施工擾動，引起巷道圍巖應力重新分布，6月9日巷道發(fā)生一次動力現(xiàn)象，距工作面30m左右的巷道表面有煤體崩落。動力現(xiàn)象發(fā)生前，煤層發(fā)生沖擊位置煤體應力已開始產(chǎn)生較大變化，導致煤體應力、煤體溫度與煤體電荷信號異常。由此可以看出煤體溫度波動、煤體應力、煤體電荷波動與煤礦動力現(xiàn)象有關，煤體溫度波動、煤體應力、煤體電荷波動具有同步性，電荷量、溫度值、應力值不是穩(wěn)定值而是波動值，這是由于煤巖體動力學效應引起。

根據(jù)以上測試結果，可以看出，在煤體應力有明顯變化的時候，煤體輻射電荷量與煤體溫度都有明顯的變化。這說明測得的電荷感應值、煤體溫度值與煤體所受應力突變，受到?jīng)_擊是有一定關系的。因此可通過監(jiān)測煤體溫度、煤體應力、煤體電荷信號來預測礦山動力現(xiàn)象的發(fā)生。煤體應力、煤體溫度、煤體電荷測量信息相互驗證，雖然都能反映動力災害的信息，但每一種儀器監(jiān)測的物理信息又有區(qū)別，煤體應力反映的是煤巖應力的變化，但對煤巖的破裂程度和瓦斯的運移反映不出來，同時還受傳感器與圍巖的耦合程度影響;煤體溫度反映的是煤巖的破裂程度和瓦斯解吸帶來的溫度變化，但對煤巖應力的變化反映不敏感;煤體電荷反映的是煤巖的破裂程度和瓦斯的運移帶來的電荷感應變化，但對煤巖彈性應力階段的變化反映不敏感，所以煤體應力、煤體溫度、煤體電荷監(jiān)測的物理信息相互補充相互驗證，增加可靠和可信度。

4 結論

(1)含瓦斯煤體破裂過程中，導致游離瓦斯的涌出和吸附瓦斯的解吸，將會產(chǎn)生感應電荷，導致煤體溫度降低。煤體溫度波動、煤體應力、煤體電荷波動具有同步性，電荷量、溫度值、應力值不是穩(wěn)定值而是波動值。

(2)可通過監(jiān)測煤體溫度、煤體應力、煤體電荷信號來預測礦山動力現(xiàn)象的發(fā)生，在工作面應力變化平穩(wěn)時期，測點的煤體溫度、煤體應力、煤體電荷信號基本穩(wěn)定不變，而在發(fā)生礦山動力現(xiàn)象時測得的煤體溫度、煤體應力、煤體電荷信號將有波動變化。

(3)煤體應力、煤體溫度、煤體電荷測量信息相互驗證，雖然都能反映動力災害的信息，但每一種儀器監(jiān)測的物理信息又有區(qū)別，煤體應力、煤體溫度、煤體電荷監(jiān)測的物理信息相互補充相互驗證，增加可靠和可信度。

(4)動力災害發(fā)生過程中的煤體溫度、煤體電荷機理產(chǎn)生研究尚不十分明確，有待進一步研究。

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