掘進(jìn)工作面突出危險(xiǎn)性聲發(fā)射預(yù)測(cè)技術(shù)

趙 晶王栓林

（1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100013；2.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（煤炭科學(xué)研究總院），北京市朝陽(yáng)區(qū)，100013）

掘進(jìn)工作面突出危險(xiǎn)性聲發(fā)射預(yù)測(cè)技術(shù)

趙 晶1，2王栓林1，2

（1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100013；2.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（煤炭科學(xué)研究總院），北京市朝陽(yáng)區(qū)，100013）

通過(guò)實(shí)例分析了基于聲發(fā)射實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)設(shè)置2個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)斷面，結(jié)合巷道掘進(jìn)過(guò)程中錨桿支護(hù)及松動(dòng)圈發(fā)育范圍，通過(guò)在一定深度的鉆孔中安裝聲發(fā)射傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)巷道噪音濾除和原始煤巖聲發(fā)射信號(hào)的采集，設(shè)定一定的初始參考臨界值，并對(duì)聲發(fā)射的大、小事件數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合常規(guī)測(cè)試鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值和鉆屑量S值進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)一步驗(yàn)證聲發(fā)射技術(shù)用于防突實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)的可行性，并根據(jù)監(jiān)測(cè)預(yù)警提前采取相應(yīng)的防突措施，實(shí)現(xiàn)了礦井的安全生產(chǎn)。

掘進(jìn)工作面 突出危險(xiǎn)性 聲發(fā)射 鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)值 鉆屑量 監(jiān)測(cè)預(yù)警

隨著礦井開(kāi)采強(qiáng)度和深度的加大，煤與瓦斯突出礦井的數(shù)量也在大量增加，突出機(jī)理方面的研究從單因素向多因素發(fā)展，廣泛認(rèn)同煤與瓦斯突出的綜合作用學(xué)說(shuō)，即突出是由地應(yīng)力、瓦斯壓力和煤體物理結(jié)構(gòu)等因素綜合作用導(dǎo)致的力學(xué)失穩(wěn)。依據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中突出預(yù)測(cè)技術(shù)廣泛采用鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)、鉆屑量、鉆孔瓦斯涌出初速度及瓦斯放散初速度等靜態(tài)指標(biāo)預(yù)測(cè)法，需要打鉆施工進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試周期長(zhǎng)、誤差高且耗時(shí)費(fèi)力。

聶百勝等認(rèn)為煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)發(fā)展趨勢(shì)是連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，即采用聲發(fā)射技術(shù)定位、電磁輻射技術(shù)連續(xù)預(yù)測(cè)、瓦斯動(dòng)態(tài)涌出量準(zhǔn)確預(yù)警。文光才等對(duì)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)不同堅(jiān)固性系數(shù)煤巖體發(fā)生動(dòng)力災(zāi)害的適用條件進(jìn)行了研究。張偉民等通過(guò)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)工作面突出危險(xiǎn)性實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)研究，提出了聲發(fā)射信號(hào)相對(duì)變化率指標(biāo)NE。鄒銀輝等對(duì)聲發(fā)射連續(xù)監(jiān)測(cè)的濾噪工藝進(jìn)行了探討。王栓林等利用時(shí)間序列建立突出危險(xiǎn)前兆信息獲取模型，并基于綜合指標(biāo)G對(duì)突出危險(xiǎn)性進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤預(yù)測(cè)?？到|通過(guò)聲發(fā)射預(yù)測(cè)扭轉(zhuǎn)構(gòu)造帶的突出危險(xiǎn)性，并確定參考臨界值。

目前在突出聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方面均處于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)階段，聲發(fā)射指標(biāo)及其臨界值等多方面均處于探討階段，且由于受產(chǎn)業(yè)政策調(diào)整、煤炭產(chǎn)能過(guò)剩、煤層氣開(kāi)發(fā)利用、煤與瓦斯共采等影響，礦井實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中堅(jiān)持先抽后掘，抽采達(dá)標(biāo)后才進(jìn)行采掘活動(dòng)，多種原因造成突出危險(xiǎn)性聲發(fā)射監(jiān)測(cè)全面推廣難度較大。本文主要針對(duì)甘肅海石灣煤礦利用聲發(fā)射實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行掘進(jìn)工作面的突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)的試驗(yàn)研究，并通過(guò)與常規(guī)測(cè)試的鉆屑解吸指標(biāo)和鉆屑量進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)一步驗(yàn)證聲發(fā)射技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)突出的系統(tǒng)可行性。

1　監(jiān)測(cè)原理和監(jiān)測(cè)方法

1.1 突出預(yù)測(cè)的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)原理

在煤巖受力破壞，裂紋不斷擴(kuò)展的過(guò)程中，以彈性波的形式釋放應(yīng)變能的現(xiàn)象即為聲發(fā)射，多數(shù)學(xué)者對(duì)煤巖聲發(fā)射特性開(kāi)展大量研究，包括含水率和溫度對(duì)聲發(fā)射的影響，但大多均側(cè)重于實(shí)驗(yàn)室研究。煤與瓦斯突出機(jī)理方面研究較多，普遍認(rèn)為突出是由于煤巖力學(xué)系統(tǒng)的失穩(wěn)形成的，在突出的過(guò)程當(dāng)中會(huì)有大量的煤巖斷裂破碎脫離原始煤體，并伴隨有煤巖斷裂形成的煤炮聲，這種煤炮聲就是聲發(fā)射的一種表現(xiàn)形式。在突出發(fā)生之前，微小斷裂擴(kuò)展的過(guò)程當(dāng)中會(huì)有大量的前兆信息，這種前兆信息可以通過(guò)捕捉煤巖斷裂的聲發(fā)射信息來(lái)進(jìn)行描述，因此可以用監(jiān)測(cè)到的聲發(fā)射信息來(lái)對(duì)煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性進(jìn)行預(yù)測(cè)，其具體的監(jiān)測(cè)流程見(jiàn)圖1。

1.2 聲發(fā)射參數(shù)的選用

常用的聲發(fā)射參數(shù)主要包括過(guò)程參數(shù)和狀態(tài)參數(shù)。過(guò)程參數(shù)又包括累積參數(shù)和統(tǒng)計(jì)參數(shù)，累積參數(shù)有累積事件數(shù)和累積能量等，統(tǒng)計(jì)參數(shù)有振幅分布、頻率分布等；狀態(tài)參數(shù)有聲發(fā)射事件率等。煤與瓦斯突出聲發(fā)射預(yù)測(cè)中通常采用累積參數(shù)中的大事件數(shù)、小事件數(shù)，其中大事件指大型煤巖體破壞斷裂信號(hào)，小事件指煤巖體的微觀破碎信號(hào)。在實(shí)際使用過(guò)程中，需要對(duì)聲發(fā)射的各種參數(shù)進(jìn)行選擇、數(shù)據(jù)分析，并建立預(yù)測(cè)模型，本次選用聲發(fā)射的大事件數(shù)、小事件數(shù)與常規(guī)鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1和鉆屑量S值進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

圖1　聲發(fā)射監(jiān)測(cè)突出的流程

1.3 聲發(fā)射傳感器安裝

聲發(fā)射傳感器要盡量安裝在原始煤層當(dāng)中，煤巷掘進(jìn)過(guò)程中會(huì)在巷道周?chē)纬梢欢ǚ秶乃蓜?dòng)圈，安裝聲發(fā)射傳感器需要避開(kāi)煤幫的破碎區(qū)域。具體安裝方法是垂直巷幫施工鉆孔，在鉆孔內(nèi)安裝聲發(fā)射信號(hào)傳導(dǎo)桿，并保持與鉆孔孔底緊密接觸，再在孔口安裝聲發(fā)射傳感器，見(jiàn)圖2。

圖2　聲發(fā)射傳感器安裝方法

1.4 監(jiān)測(cè)分析方法

通過(guò)24 h實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)，對(duì)比礦井鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值和鉆屑量S值來(lái)驗(yàn)證和分析發(fā)生煤與瓦斯突出的可能性，以及時(shí)采取消突措施，并通過(guò)調(diào)節(jié)傳感器的電位器來(lái)調(diào)節(jié)靈敏度，進(jìn)而確定出符合礦井實(shí)際條件的防突預(yù)測(cè)臨界指標(biāo)。

2　監(jiān)測(cè)實(shí)例分析

2.1 試驗(yàn)工作面

甘肅海石灣煤礦產(chǎn)能是150萬(wàn)t/a，為煤與瓦斯突出礦井，選擇6222工作面作為突出預(yù)測(cè)的試驗(yàn)工作面。6222工作面位于二采區(qū)西部，礦井西部的邊緣地帶，開(kāi)采2#煤層。2#煤層厚5.2～11 m，平均8.65 m，煤層傾角7°～15°，平均11°。煤層偽頂為炭質(zhì)泥巖，厚0～0.4 m，呈片狀、鱗片狀，局部夾有煤線(xiàn)；直接頂為細(xì)砂巖，較致密堅(jiān)硬；老頂多為油頁(yè)巖或含油質(zhì)粉砂巖，厚5～7 m；直接底多為灰白色含礫粉、細(xì)砂巖或鮞狀細(xì)砂巖，含有煤屑和炭化的植物根痕，膠結(jié)致密、堅(jiān)硬；老底為灰白色細(xì)砂巖或含礫細(xì)砂巖，厚度變化大，一般在10 m左右。

工作面地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，2#煤層起伏較大，裂隙發(fā)育，包括兩條較大的斷層，CH4含量在4～7 m3/t之間，屬于瓦斯地質(zhì)復(fù)雜地帶。

2.2 監(jiān)測(cè)布置方案

根據(jù)目標(biāo)監(jiān)測(cè)巷道的瓦斯地質(zhì)資料，選擇在6222工作面運(yùn)輸巷進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布置，距離掘進(jìn)工作面15～20 m的位置布置兩個(gè)監(jiān)測(cè)斷面。6222工作面設(shè)2個(gè)斷面，每個(gè)斷面安裝2個(gè)聲發(fā)射傳感器并連接智能分站到監(jiān)控系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)記錄和上傳。聲發(fā)射監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置如圖3。

圖3　聲發(fā)射監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置

為盡量避開(kāi)巷道兩幫的圍巖松動(dòng)圈，減小信號(hào)損失，同時(shí)減少巷道內(nèi)機(jī)械噪音、放炮等外界因素的影響，選擇在垂直巷幫施工鉆孔，鉆孔直徑為42 mm，深度為2 m。

2.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)24 h實(shí)時(shí)監(jiān)控，監(jiān)測(cè)6222工作面運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面的2個(gè)斷面，共4個(gè)聲發(fā)射傳感器，預(yù)設(shè)聲發(fā)射事件數(shù)報(bào)警閾值為大事件數(shù)80次，小事件數(shù)500次，能量2000 J。2#煤層為突出危險(xiǎn)煤層，6222運(yùn)輸巷掘進(jìn)過(guò)程中煤炮聲較為頻繁，礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)顯示的瓦斯?jié)舛韧ǔＬ幱?.4%～0.5%的較高范圍。

2015年4月22日之前6222運(yùn)輸巷掘進(jìn)過(guò)程中僅工作面放炮時(shí)出現(xiàn)零星的大事件，但4月22 日19∶44開(kāi)始出現(xiàn)大量的大事件，并且傳感器出現(xiàn)報(bào)警，相應(yīng)的小事件數(shù)也增加。聲發(fā)射事件數(shù)監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)如圖4所示。由圖4可以看出，4月27日凌晨開(kāi)始出現(xiàn)較多的大事件數(shù)，小事件數(shù)密集，此時(shí)6222工作面運(yùn)輸巷由于放炮誘發(fā)掘進(jìn)頭的小型動(dòng)力現(xiàn)象壓出，壓出煤量3 t，進(jìn)而連續(xù)發(fā)生由掘進(jìn)工作面正前至后巷長(zhǎng)達(dá)8 m的冒頂，相應(yīng)的CH4濃度達(dá)到16.9%，CO2濃度5.1%。通過(guò)聲發(fā)射傳感器的提前預(yù)警，井下人員全部安全撤離掘進(jìn)工作面，后續(xù)通過(guò)施工超前排放孔和瓦斯抽放等措施消除其突出危險(xiǎn)性。

圖4　聲發(fā)射事件數(shù)監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)

而在期間現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的K1值和最大鉆屑量S值曲線(xiàn)如圖5所示。由圖5可知，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)與聲發(fā)射監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)較為一致，進(jìn)一步驗(yàn)證聲發(fā)射監(jiān)測(cè)的合理和可靠性。

圖5　K　1值和最大鉆屑量S值測(cè)試曲線(xiàn)

3　結(jié)論

（1）掘進(jìn)工作面突出危險(xiǎn)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)預(yù)警達(dá)到了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警的目的，其準(zhǔn)確性通過(guò)與常規(guī)瓦斯解吸指標(biāo)和鉆屑量的對(duì)比分析進(jìn)一步得以驗(yàn)證。

（2）設(shè)定的報(bào)警閾值較為合理，但是作為聲發(fā)射突出敏感指標(biāo)的臨界值需要數(shù)據(jù)分析和濾噪方面進(jìn)行深入研究。

（3）為保護(hù)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)傳感器，設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)斷面布置離掘進(jìn)工作面有15～20 m的距離，有一定滯后，有待改進(jìn)監(jiān)測(cè)方法和安裝工藝。

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（責(zé)任編輯 張艷華）

Prediction technology of outburst-hazard acoustic emission at driving work faces

Zhao Jing1，2，Wang Shuanlin1，2
（1.Mine Safety Technology Branch of China Coal Research Institute，Chaoyang，Beijing 100013，China；2.State Key Laboratory of Efficient Exploitation and Utilization of Coal Resources （China Coal Research Institute），Chaoyang，Beijing 100013，China）

Some examples suggested that based on acoustic emission monitoring technology two monitoring cross-sections were set up.Considering bolts support and loose circle development during tunnel driving，installing acoustic emission sensor in boreholes at certain depth could realize noise filtering in roadways and collection of original acoustic emission signal of coal and rock.Setting certain initial reference values and analyzing statistically the number of acoustic emission，associated with comparison of drilling cuttings gas desorption index K1 and the amount of drilling cuttings S，further validated feasibility of applying acoustic emission technology into outburst prevention and prediction and achieved safety production of mines on the basis of corresponding outburst prevention action.

driving work face，outburst hazard，acoustic emission，drilling cuttings gas desorption index，amount of drilling cuttings，monitoring and early warning

TD713

A

趙晶（1979-），男，山西原平人，工程師，碩士，主要從事煤礦瓦斯治理與利用工程技術(shù)方面的科研和管理工作。