礦井煤巖動力災(zāi)害聲發(fā)射監(jiān)測傳感器孔底安裝方法研究

李建功

(1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037； 2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400037；3.重慶大學(xué) 資源與安全學(xué)院，重慶 400044)

隨著礦井開采深度的增加，以地應(yīng)力為主導(dǎo)的各種煤巖動力災(zāi)害日益突出，因此，對深部開采條件下的煤巖動力災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)警尤為重要[1-7]。聲發(fā)射技術(shù)作為一種非接觸式連續(xù)預(yù)測技術(shù)，能夠?qū)ΦV井煤巖動力災(zāi)害進行超前監(jiān)測預(yù)警[5-15]，研究提高深部開采條件下煤巖動力災(zāi)害的預(yù)測準(zhǔn)確度，已逐漸被業(yè)內(nèi)廣泛重視。聲發(fā)射傳感器作為聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)的一個重要組成部分，其安裝效果的好壞直接影響著傳感器接收聲發(fā)射信號的能力和對噪聲的阻隔效果[16-19]。當(dāng)前聲發(fā)射傳感器的安裝主要采用孔底注漿安裝方式，但針對大角度上向孔安裝時，易受漿體與煤巖體本身特性影響而出現(xiàn)耦合不完整的現(xiàn)象，影響信號的接收和監(jiān)測效果。

基于此，提出一種聲發(fā)射傳感器孔底安裝方式，解決上向孔傳感器和煤巖體不緊密耦合導(dǎo)致監(jiān)測信號殘缺、安裝過程中無法防止傳感器在鉆孔滑落和安裝困難等問題，以彌補現(xiàn)有孔底安裝方法的不足，從而提高聲發(fā)射監(jiān)測效果。

1 煤巖體聲發(fā)射傳感器安裝方式分類

煤巖體聲發(fā)射傳感器的安裝方式主要有表面安裝、孔底安裝和波導(dǎo)器安裝等3種方式[19-20]，如圖1所示。

圖1 不同聲發(fā)射傳感器安裝方式下聲發(fā)射信號傳播示意圖

煤巖體表面安裝方式是將傳感器固定在煤巖體表面，安裝便捷，傳感器能回收利用，但由于聲發(fā)射信號傳播路徑要經(jīng)歷一個強衰減的松動圈，故其能夠接收到煤巖體內(nèi)部的聲發(fā)射信號必然很差，且受外界噪聲干擾嚴(yán)重，并且經(jīng)常會被施工人員或機械觸碰損壞，嚴(yán)重影響信號監(jiān)測效果?？椎装惭b方式是通過施工一定深度的鉆孔將聲發(fā)射傳感器埋設(shè)在煤巖體內(nèi)部，并注漿封裝，能夠很好地采集到煤巖體內(nèi)部傳播的聲發(fā)射信號，且因巷道松動圈的屏蔽作用能夠很大程度上隔絕外界干擾噪聲，具有接收信號能力強、抗干擾能力強的優(yōu)點。波導(dǎo)器安裝時，利用波導(dǎo)器的導(dǎo)波作用，在內(nèi)端通過凝固后呈彈性的材料與孔底煤巖體固定，外端安裝聲發(fā)射傳感器，信號通過波導(dǎo)器傳遞至傳感器，此種方式安裝相對便捷，傳感器能回收利用，且能夠通過波導(dǎo)器的傳遞作用有效采集到煤巖體內(nèi)部的聲發(fā)射信號，但同樣由于傳感器暴露于巷道中，因此僅適合在外界作業(yè)噪聲干擾少的監(jiān)測環(huán)境下使用。

綜上所述，煤礦井下進行聲發(fā)射監(jiān)測應(yīng)用時，為了能夠采集到煤巖體內(nèi)部有效的聲發(fā)射信號，根據(jù)監(jiān)測環(huán)境和監(jiān)測對象等，可選擇孔底安裝和波導(dǎo)器安裝2種聲發(fā)射傳感器安裝方式，且優(yōu)先選擇聲發(fā)射傳感器的孔底安裝方式。

2 聲發(fā)射傳感器孔底安裝叉式固定法

在采用聲發(fā)射傳感器孔底安裝時，要確保傳感器與煤巖體之間的良好耦合，且相對便于安裝?，F(xiàn)有聲發(fā)射傳感器孔底安裝主要采用水泥注漿固定法，如圖2所示，針對下向孔安裝時能夠保障良好的耦合效果，但針對大角度上向孔和水平孔安裝時，易受漿體與煤巖體本身特性影響出現(xiàn)耦合不緊密的現(xiàn)象，容易導(dǎo)致聲發(fā)射信號的部分丟失，影響信號接收和監(jiān)測預(yù)警的可靠性，且安裝過程中無法防止傳感器在鉆孔內(nèi)滑落。

圖2 聲發(fā)射傳感器孔底安裝水泥注漿固定法示意圖

在充分考慮聲發(fā)射傳感器的安裝耦合效果和安裝便捷性等因素情況下，設(shè)計了一種傳感器孔底叉式固定安裝方法，即通過在棒狀聲發(fā)射傳感器的前后兩端設(shè)計了一種金屬卡爪結(jié)構(gòu)(見圖3)，將卡爪的一端固定在傳感器殼體上，另一端朝鉆孔外張開，張開角度可調(diào)，適用于多種孔徑的鉆孔安裝。

圖3 聲發(fā)射傳感器孔底安裝叉式固定法示意圖

該安裝方法既能實現(xiàn)聲發(fā)射傳感器與鉆孔煤巖體的長時間緊密耦合，且隨著鉆孔變形耦合度越來越高，不僅排除了注漿方式中由于漿體的特性隨著時間的增加而出現(xiàn)與鉆孔壁耦合度降低的現(xiàn)象，也避免了注漿程序的繁瑣、難以判斷注漿是否到位，以及凝固耦合效果能否保證等問題；同時能保證傳感器在鉆孔內(nèi)不滑落，且安裝方便快捷?；诖嗽O(shè)計了一種適用于孔底叉式固定安裝的聲發(fā)射傳感器，并開發(fā)了相應(yīng)的傳感器快速輸送裝置。

傳感器孔底安裝叉式固定法的步驟：①在煤巖層中施工安裝鉆孔；②將帶卡爪結(jié)構(gòu)的聲發(fā)射傳感器通過專用輸送裝置送至孔底，使傳感器與鉆孔孔壁緊密耦合接觸；③反向旋轉(zhuǎn)抽出輸送管，并使聲發(fā)射傳感器卡爪卡住鉆孔孔壁而不滑落，然后排放好傳感器信號線；④利用礦用封孔材料將鉆孔孔口封堵，以隔絕外界噪聲干擾；⑤將安裝好的傳感器與聲發(fā)射監(jiān)測儀連接進行調(diào)試運行。

3 應(yīng)用效果考察

3.1 信號時頻特征分析

在平煤十礦己15-24080回采工作面機巷同一位置施工2個不同角度、同一深度的安裝鉆孔，分別采用水泥注漿固定法、叉式固定法2種孔底安裝方法進行聲發(fā)射傳感器安裝，對比分析工作面回采期間的聲發(fā)射信號采集效果，選取一段聲發(fā)射信號的時譜圖和頻譜圖進行對比，如圖4和圖5 所示。

(a)水泥注漿固定法

(a)水泥注漿固定法

由圖4可以看出，水泥注漿固定和叉式固定2種方法安裝的聲發(fā)射傳感器均采集到了同一震動產(chǎn)生的連續(xù)的聲發(fā)射信號，波形相似，信號豐富程度相近，信號的持續(xù)時間也均在70 ms左右，信號的最大幅值分別為1.68 V和1.60 V，較為接近，表明采用叉式固定法安裝的聲發(fā)射傳感器能夠采集到有效的聲發(fā)射信號。進一步對比分析聲發(fā)射信號的特征參數(shù)，設(shè)定統(tǒng)一的信號處理門檻值為0.1，提取的振鈴計數(shù)分別為34個和37個，能量值分別為5.12×103mV2和5.31×103mV2，可以看出，采用2種方法安裝的傳感器采集的聲發(fā)射信號的振鈴計數(shù)和能量指標(biāo)在數(shù)值上較為接近，但叉式固定法安裝的傳感器采集的聲發(fā)射信號的特征參數(shù)指標(biāo)反映情況相對更優(yōu)。

由圖5可以看出，2種方法安裝的傳感器所接收的聲發(fā)射信號頻帶寬度均為0～3 000 Hz，聲發(fā)射信號的主頻分別為800、750 Hz，比較接近，但叉式固定法安裝的傳感器采集的聲發(fā)射信號的能量分布更為集中，這也更有利于有效聲發(fā)射信號的提取。

3.2 現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

以平煤十礦己15-24080回采工作面發(fā)生的一次“以地應(yīng)力為主導(dǎo)的煤巖擠出”動力現(xiàn)象的聲發(fā)射監(jiān)測結(jié)果進行分析，如圖6所示。由圖6可以看出，2種安裝方法下傳感器接收到的聲發(fā)射信號的特征參數(shù)指標(biāo)變化趨勢基本一致，對動力現(xiàn)象均有明顯的反映，但從特征參數(shù)指標(biāo)具體數(shù)值大小來看，叉式固定法安裝的聲發(fā)射傳感器的信號接收效果略優(yōu)于水泥注漿固定法安裝的傳感器的接收效果。進一步考慮現(xiàn)場安裝環(huán)境，叉式固定方法更加便捷，避免了水泥注漿固定法的繁瑣操作。

(a)聲發(fā)射振鈴計數(shù)對比

綜上所述，聲發(fā)射傳感器孔底叉式固定法可以有效地接收工作面作業(yè)過程中的聲發(fā)射信號，既簡化了傳感器安裝工藝，又排除了水泥注漿方法中由于漿體的特性隨著時間的增加而出現(xiàn)與鉆孔壁耦合不緊密的現(xiàn)象，提高了傳感器與煤巖體耦合的時效性和穩(wěn)定性，能夠確保聲發(fā)射信號的持續(xù)有效接收。在現(xiàn)場監(jiān)測時，當(dāng)需要在大角度上向孔和水平孔內(nèi)安裝時，聲發(fā)射傳感器孔底安裝叉式固定法可以替代原先采用的水泥注漿固定法，監(jiān)測效果更優(yōu)。

4 結(jié)論

1)煤礦井下進行聲發(fā)射監(jiān)測時，根據(jù)監(jiān)測環(huán)境和監(jiān)測對象可選擇聲發(fā)射傳感器孔底安裝和波導(dǎo)器安裝2種安裝方式，且優(yōu)先選擇孔底安裝方式。

2)設(shè)計了一種聲發(fā)射傳感器孔底安裝叉式固定法，簡化了安裝工藝，實現(xiàn)了聲發(fā)射傳感器的快速有效安裝，解決了上向孔內(nèi)傳感器和煤巖體注漿耦合不緊密導(dǎo)致監(jiān)測信號殘缺、在安裝過程中無法防止傳感器在鉆孔內(nèi)滑落和安裝困難等問題，提高了傳感器與煤巖體耦合的時效性、穩(wěn)定性，以及傳感器的接收性能，確保了聲發(fā)射信號被持續(xù)有效地接收。

3)根據(jù)現(xiàn)場安裝鉆孔角度，形成了聲發(fā)射傳感器孔底安裝水泥注漿固定法和叉式固定法2種安裝方法。在大角度上向孔和水平孔內(nèi)安裝時，宜選擇聲發(fā)射傳感器孔底安裝叉式固定法；在下向孔內(nèi)安裝時，宜采用孔底安裝水泥注漿固定法。