煤礦靜載型沖擊地壓地音監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)

王 傳 朋

(1.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；2.天地科技股份有限公司，北京 100013)

0 引 言

隨著淺部煤炭資源逐漸枯竭，我國(guó)煤炭地下開采深度正在沿著8～12 m/a的速度向深部延伸，國(guó)有大中型煤礦的平均開采深度已經(jīng)超過800 m[1]，相較于淺部煤層開采，深部開采帶來高地溫、高地壓、巷道難支護(hù)等突出問題，尤其是由淺部向深部延伸過程中，圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)的靜載逐漸增加，造成局部區(qū)域高應(yīng)力集中，一旦失穩(wěn)可能引發(fā)沖擊地壓災(zāi)害，造成人員傷亡。煤礦沖擊地壓指的是煤礦井巷或工作面周圍煤巖體由于彈性變形能的瞬間釋放產(chǎn)生突然、劇烈破壞的動(dòng)力現(xiàn)象，常伴有煤巖體瞬間位移、拋出，巨響及氣浪等，其突然、能量釋放、氣浪等動(dòng)力顯現(xiàn)特點(diǎn)，極易引發(fā)人員傷亡，造成沖擊地壓事故。翟明華等[2]總結(jié)山能集團(tuán)沖擊地壓礦井顯現(xiàn)特征，提出“分類-評(píng)價(jià)-解危-預(yù)警-檢驗(yàn)-支護(hù)-管理”的“七模塊”分類治理防控體系。文獻(xiàn)[3-6]梳理前人在沖擊地壓研究取得的成績(jī)，從理論、監(jiān)測(cè)與預(yù)警裝備、防治技術(shù)及法律法規(guī)與標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建等方面進(jìn)行了總結(jié)。譚云亮等[7]提出了煤巖組合沖擊能速度指數(shù)和卸圍壓沖擊能速度指數(shù)2個(gè)新預(yù)警指標(biāo)。潘俊鋒等[8-13]提出煤礦沖擊地壓?jiǎn)?dòng)理論和深部開采巷道沖擊地壓動(dòng)靜載荷分源防控方法，立足沖擊地壓孕育機(jī)理、能量判據(jù)及發(fā)生特點(diǎn)，將其分為2類：動(dòng)靜載型和靜載型，并得出：動(dòng)靜載型沖擊地壓因瞬時(shí)加載特點(diǎn)，煤巖體塑性變形時(shí)間短，較難預(yù)警；相反，靜載型沖擊地壓的沖擊煤巖體塑性變形時(shí)間長(zhǎng)且充分，而巖體中隨機(jī)發(fā)射的地音信號(hào)與巖體中的應(yīng)力水平及其增長(zhǎng)有關(guān)，因此可采用地音監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行靜載型沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警。竇林名等[14]研究了沖擊地壓危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的地音法，并提出8個(gè)與開采有關(guān)的沖擊地壓地音監(jiān)測(cè)技術(shù)參數(shù)。夏永學(xué)等[15-16]通過對(duì)大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)地音數(shù)據(jù)分析，獲得了頂板斷裂型、采動(dòng)高應(yīng)力型和斷層活化型沖擊地壓的典型地音前兆模式。孫書亮等[17]介紹了地音監(jiān)測(cè)預(yù)警在華豐煤礦的沖擊地壓的監(jiān)測(cè)預(yù)警情況。陸闖等[18]根據(jù)地音預(yù)警時(shí)效性和實(shí)用性制定了預(yù)警規(guī)則，提出使用不同滑動(dòng)時(shí)步n和預(yù)警閾值DEV0組合優(yōu)化預(yù)警模型的思想。劉金海[19]分析了震動(dòng)場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)聯(lián)合監(jiān)測(cè)技術(shù)和“全頻廣域”震動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)，其中地音監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)是重要的參數(shù)。上述針對(duì)沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警理論、技術(shù)與應(yīng)用的研究取得不少階段性成果，也有專門對(duì)煤礦沖擊地壓地音監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用研究，但較少有“理論依據(jù)+技術(shù)應(yīng)用+效果評(píng)價(jià)”全面闡述煤礦沖擊地壓地音監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)的研究。筆者系統(tǒng)地研究了煤礦靜載型沖擊地壓地音監(jiān)測(cè)預(yù)警理論、技術(shù)，建立了煤礦沖擊地壓地音監(jiān)測(cè)預(yù)警模型，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

1 靜載型沖擊地壓地音預(yù)警原理

采用剛性壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)煤巖試件進(jìn)行加載時(shí)，在試件表面安裝聲發(fā)射傳感器，在得到試件全應(yīng)力-應(yīng)變曲線的同時(shí)采集試件微破裂釋放的聲發(fā)射信號(hào)，如圖1所示。

圖1 煤巖體全應(yīng)力-應(yīng)變曲線與聲發(fā)射頻次關(guān)系Fig.1 Relationship between full stress-strain curve and acoustic emission frequency of coal and rock

根據(jù)煤巖體的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線與聲發(fā)射頻次關(guān)系，可把加載過程劃分為4個(gè)階段：OA段為原生裂縫閉合階段，產(chǎn)生較少的聲發(fā)射事件；AB段試件進(jìn)入線彈性變形階段，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，充分體現(xiàn)出煤巖體試件的抗壓特性，內(nèi)部產(chǎn)生少量聲發(fā)射事件；BC段試件進(jìn)入彈塑性變形階段，由彈性變形逐漸轉(zhuǎn)向塑性變形，B點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為試件的屈服強(qiáng)度，C點(diǎn)達(dá)到應(yīng)力峰值，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為試件的最大承載能力，該階段試件內(nèi)部裂紋形成速度增快，密度加大，釋放大量聲發(fā)射事件；CD段為應(yīng)變軟化階段，應(yīng)力繼續(xù)增大，此階段內(nèi)巖石的微裂縫逐漸貫通，失穩(wěn)破壞，巖石承載能力大幅度降低，釋放大量聲發(fā)射事件。靜載型沖擊地壓的發(fā)生是圍巖支護(hù)體受到的載荷超過其承載能力后，積聚在圍巖或煤巖體的大量彈性能瞬間向自由面釋放的結(jié)果。在靜載型沖擊地壓發(fā)生前沖擊煤巖體受頂?shù)装鍘r層的夾持作用，工作面推進(jìn)，上覆頂板產(chǎn)生位移，形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，大量靜載作用在煤巖體上，使其積聚大量彈性能，此時(shí)的沖擊煤巖體經(jīng)歷了上述實(shí)驗(yàn)室試件加載過程中的原生裂縫閉合階段、線彈性階段及彈塑性變形階段，當(dāng)載荷超出圍巖支護(hù)體的極限承載能力時(shí)沖擊地壓發(fā)生，微震事件呈現(xiàn)低頻高能的特征，之后沖擊煤巖體進(jìn)入應(yīng)變軟化階段。

沖擊煤巖體進(jìn)入彈塑性變形階段至達(dá)到極限承載能力會(huì)釋放大量的高頻低能地音事件，利用該特點(diǎn)可探索靜載型沖擊地壓的監(jiān)測(cè)預(yù)警。

2 靜載型沖擊地壓地音預(yù)警技術(shù)

在大尺度的采場(chǎng)中，多數(shù)情況下煤巖體均處在原生裂縫閉合、線彈性變形及彈塑性變形階段，賦存的彈性能達(dá)不到支護(hù)結(jié)構(gòu)的極限承載能力，不會(huì)發(fā)生沖擊地壓。隨著工作面的推進(jìn)，煤巖體內(nèi)能量進(jìn)入積蓄-釋放-再積蓄-再釋放的循環(huán)。

采用高精度地音傳感器采集煤巖體上述3個(gè)階段釋放的高頻低能地音事件的頻次及釋放能量，建立基于地音監(jiān)測(cè)指標(biāo)變化率的煤礦沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警模型。

根據(jù)監(jiān)測(cè)區(qū)域顯現(xiàn)及地質(zhì)條件自由選取i(考慮到對(duì)比基數(shù)及代表性，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)一般選擇10)。根據(jù)地音傳感器安裝環(huán)境的不同，監(jiān)測(cè)目標(biāo)的不同，設(shè)定不同的預(yù)警指標(biāo)PE、PN，兼顧2個(gè)指標(biāo)持續(xù)時(shí)長(zhǎng)，建立煤礦靜載型沖擊地壓地音監(jiān)測(cè)預(yù)警模型，計(jì)算出傳感器周圍煤巖體靜載型沖擊危險(xiǎn)等級(jí)，煤礦靜載型沖擊危險(xiǎn)等級(jí)地音監(jiān)測(cè)預(yù)警模型見表1。

表1 煤礦靜載型沖擊危險(xiǎn)等級(jí)地音監(jiān)測(cè)預(yù)警模型Table 1 Monitoring and warning model of static loading rock burst in coal mine

3 地音監(jiān)測(cè)預(yù)警影響因素

回采工作面的地音傳感器一般安裝在工作面超前支承壓力影響范圍內(nèi)(圖2)，掘進(jìn)工作面的地音傳感器安裝在其后方采動(dòng)影響范圍內(nèi)(圖3)。

圖2 回采工作面地音傳感器安裝Fig.2 Installation of acoustic emission sensor in mining face

圖3 掘進(jìn)工作面地音傳感器安裝Fig.3 Installation of acoustic emission sensor in excavating face

以上區(qū)域正常施工時(shí)機(jī)械、人為活動(dòng)等干擾因素多，極易導(dǎo)致監(jiān)測(cè)預(yù)警結(jié)果出現(xiàn)偏差。因此，為了降低干擾，提高監(jiān)測(cè)區(qū)域信噪比，提出以下安裝應(yīng)對(duì)措施。

3.1 地音傳感器安裝方式

為了降低巷道人為噪聲干擾，在巷道幫部掏槽鉆孔(圖4)，孔底施工全長(zhǎng)錨固的錨桿，且保證錨桿錨固端深入原巖區(qū)，地音傳感器垂直巷道幫部安裝在孔底錨桿端頭，采用?20 mm的錨桿端部螺紋固定，擴(kuò)槽采用隔音棉填充，抑制本底噪聲，提升信噪比。為了降低塑性區(qū)錨桿桿體自振帶來小能量事件漏檢，盡可能實(shí)施巷道幫部塑性區(qū)預(yù)注漿，保證安裝錨桿的波導(dǎo)性良好。

圖4 地音傳感器巷道安裝Fig.4 Installation of acoustic emission sensor in entry

3.2 區(qū)別對(duì)待生產(chǎn)班與檢修班的地音數(shù)據(jù)

生產(chǎn)班時(shí)，機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)，工人施工，人員流動(dòng)等干擾源嚴(yán)重影響地音監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量，檢修班時(shí)則較少。因此，要把生產(chǎn)班與檢修班的數(shù)據(jù)區(qū)分開，也要把生產(chǎn)班非生產(chǎn)時(shí)間進(jìn)行記錄分析，避免生產(chǎn)班與檢修班過渡時(shí)段內(nèi)，本底噪聲環(huán)境的變化造成預(yù)警指標(biāo)的不準(zhǔn)確，引起誤報(bào)。

3.3 加強(qiáng)數(shù)據(jù)甄別

建立監(jiān)測(cè)區(qū)域井上、井下施工信息共享機(jī)制，確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析人員實(shí)時(shí)掌握傳感器周邊施工信息，剔除施工帶來的干擾，避免將干擾信號(hào)當(dāng)作有益信號(hào)，引起錯(cuò)誤預(yù)警。

4 靜載型沖擊地壓地音預(yù)警應(yīng)用

4.1 應(yīng)用條件

某礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力6.0 Mt/a，205工作面運(yùn)輸巷埋深531～731 m，煤層傾角1°～5°，煤層平均厚度19～28 m，采用分層綜放開采，目前開采首分層，設(shè)計(jì)采高3.8 m，放煤高度11.4 m，巷道左鄰204工作面采空區(qū)，之間留寬44 m保護(hù)煤柱，中間為204工作面泄水巷(圖5)。直接頂為厚3～9 m(平均厚6 m)薄層泥巖，節(jié)理發(fā)育，穩(wěn)定性差；基本頂為厚10～24 m(平均厚17 m)粗砂巖，致密堅(jiān)硬，為中等穩(wěn)定性巖層；煤層底板為厚1～3 m泥巖，遇水易膨脹，穩(wěn)定性較差；煤層及其頂?shù)装寰哂兄械葲_擊傾向性，該掘進(jìn)工作面施工期間具有中等沖擊危險(xiǎn)。

圖5 205工作面運(yùn)輸巷位置Fig.5 Location of haulage entry in No.205 working face

4.2 地音監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝方案

該礦2019年11月引進(jìn)波蘭Centrum Transferu Technologii Emag Sp.z.o.o生產(chǎn)的ARES-5/E地音監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。按照掘進(jìn)工作面地音傳感器的安裝方式(圖2、圖3)，在205工作面運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面后方采空區(qū)側(cè)30 m處布設(shè)1臺(tái)地音傳感器(編號(hào)G14)，與其相距40 m處布設(shè)1臺(tái)地音傳感器(編號(hào)G13)，依據(jù)傳感器在煤巖體常規(guī)監(jiān)測(cè)范圍150 m估算，該安裝方式可實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)采動(dòng)影響范圍內(nèi)高頻低能地音事件全覆蓋。當(dāng)掘進(jìn)推進(jìn)40 m時(shí)，將G13號(hào)地音傳感器挪移到掘進(jìn)工作面后方30 m處，以此類推，始終保持掘進(jìn)采動(dòng)影響在傳感器監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)。

4.3 靜載型沖擊危險(xiǎn)地音監(jiān)測(cè)預(yù)警模型

該礦以地音事件頻次、能量偏差及指標(biāo)持續(xù)時(shí)長(zhǎng)為預(yù)警指標(biāo)，分別以工作班及小時(shí)建立了靜載型沖擊地壓危險(xiǎn)等級(jí)監(jiān)測(cè)預(yù)警模型。

4.3.1 工作班預(yù)警模型

該礦選擇當(dāng)前班地音活動(dòng)(頻次、能量)偏差值作為預(yù)警指標(biāo)，設(shè)定25%、100%、200%三個(gè)偏差值為標(biāo)準(zhǔn)值，將所有偏差值劃分在-100%～25%、25%～100%、100%～200%以及≥200%四檔內(nèi)，前后班次的偏差值在相同檔級(jí)內(nèi)認(rèn)為不變，由低檔級(jí)跳躍到高檔級(jí)認(rèn)為上升，反之認(rèn)為下降。當(dāng)?shù)匾艋顒?dòng)的偏差值持續(xù)上升，預(yù)示著沖擊危險(xiǎn)狀態(tài)的增加，偏差值的持續(xù)下降則代表沖擊危險(xiǎn)狀態(tài)下降；并就地音活動(dòng)偏差值驟增、驟降以及波動(dòng)引起偏差值檔級(jí)的跳躍等特殊變化模式建立相應(yīng)預(yù)警模型。

根據(jù)初始班偏差值進(jìn)行歸一化處理，確定初始班危險(xiǎn)等級(jí)，并基于上述原則，建立地音評(píng)價(jià)沖擊危險(xiǎn)模型，見表2—表6，依此可確定當(dāng)前班的沖擊危險(xiǎn)等級(jí)。

表2 當(dāng)前班次PE、PN上升至25%～100%的沖擊危險(xiǎn)等級(jí)劃分Table 2 Classification of rock-burst level when PE and PN of current shift rise to 25%～100%

表3 當(dāng)前班次PE、PN上升至100%～200%的沖擊危險(xiǎn)等級(jí)劃分Table 3 Classification of rock-burst level when PE and PN of current shift rise to 100%～200%

表4 當(dāng)前班次PE、PN上升至大于200%的沖擊危險(xiǎn)等級(jí)劃分Table 4 Classification of rock-burst level when PE and PN of current shift rise up to 200%

表5 PE、PN特殊上升模式時(shí)的沖擊危險(xiǎn)等級(jí)劃分Table 5 Classification of rock-burst level in PE and PN special ascending mode

表6 PE、PN特殊下降模式時(shí)的沖擊危險(xiǎn)等級(jí)劃分Table 6 Classification of rock-burst level in PE and PN special descending mode

4.3.2 小時(shí)預(yù)警模型

該礦小時(shí)沖擊危險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型是在班危險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型的基礎(chǔ)上，縮小了數(shù)據(jù)分析的時(shí)間窗，提高了對(duì)異常數(shù)據(jù)的靈敏度。小時(shí)危險(xiǎn)等級(jí)將所有偏差值劃分在-100%～100%、100%～200%、200%～300%以及≥300%四檔內(nèi)。取前1班危險(xiǎn)等級(jí)為初始小時(shí)沖擊危險(xiǎn)等級(jí)，若當(dāng)前班次內(nèi)某小時(shí)沖擊危險(xiǎn)等級(jí)大于初始小時(shí)沖擊危險(xiǎn)等級(jí)時(shí)，按表7進(jìn)行小時(shí)沖擊危險(xiǎn)等級(jí)劃分。

表7 基于每小時(shí)地音事件PE、PN的沖擊危險(xiǎn)等級(jí)Table 7 Rock-burst level based on hourly PEand PN

4.4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2019年12月29日8時(shí)，205運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面G14地音傳感器監(jiān)測(cè)指標(biāo)異常指數(shù)明顯升高，且持續(xù)不降，至13時(shí)上升到d級(jí)，響應(yīng)預(yù)警模型，迅速將井下205運(yùn)輸巷施工人員撤出，見表8、表9。12月30日5點(diǎn)，G13地音傳感器監(jiān)測(cè)指標(biāo)異常指數(shù)在2 h內(nèi)由b升到d，見表10和表11。2019年12月30日9時(shí)36分，205運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面發(fā)生沖擊地壓，里程600～670 m發(fā)生大范圍底鼓，底鼓量為 0.3～1.0 m，帶式輸送機(jī)旁出現(xiàn)寬約5 cm的地縫，掘進(jìn)工作面頂板冒落或片幫，產(chǎn)生較大的聲響和沖擊，瞬時(shí)改變工作面風(fēng)壓，掘進(jìn)工作面往外200 m巷道內(nèi)充滿煤塵。因提前預(yù)警，及時(shí)撤出沖擊顯現(xiàn)區(qū)域人員，本次沖擊地壓未造成人員傷亡。

表8 G14地音傳感器沖擊危險(xiǎn)變化小時(shí)預(yù)警Table 8 Rock burst risk changing based on G14 sensor under hour warning

表9 G14地音傳感器沖擊危險(xiǎn)變化工作班預(yù)警Table 9 Rock burst risk changing based on G14 sensor under shift warning

表10 G13地音傳感器沖擊危險(xiǎn)變化小時(shí)預(yù)警Table 10 Rock burst risk changing based on G13 sensor under hour warning

表11 G13地音傳感器沖擊危險(xiǎn)變化工作班預(yù)警Table 11 Rock burst risk changing based on G13 sensor under shift warning

沖擊地壓發(fā)生時(shí)地音監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖6所示，地音監(jiān)測(cè)系統(tǒng)每1 min上傳1次采集的地音事件頻次及當(dāng)前分鐘內(nèi)能量總值。

圖6 地音監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)Fig.6 Real time on-line monitoring of acoustic emission monitoring system

地音監(jiān)測(cè)指標(biāo)變化趨勢(shì)如圖7、圖8所示。綜上分析：G14地音傳感器距離205運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面30 m，對(duì)本次沖擊地壓提前24 h出現(xiàn)異常反應(yīng)，提前19 h發(fā)出撤人預(yù)警；G13地音傳感器距離205運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面70 m，對(duì)本次沖擊地壓提前9 h出現(xiàn)異常反應(yīng)，提前5 h發(fā)出撤人預(yù)警。

圖7 G13號(hào)傳感器生產(chǎn)班地音指標(biāo)變化Fig.7 Changing of acoustic emission indexes of No.G13 sensor

圖8 G14號(hào)傳感器檢修班地音指標(biāo)變化Fig.8 Changing of acoustic emission indexes of No.G14 sensor

5 結(jié) 論

1)通過分析煤巖體全應(yīng)力-應(yīng)變曲線與聲發(fā)射頻次關(guān)系，建立了采場(chǎng)煤巖體靜載條件下的地音事件響應(yīng)特征，從理論上闡釋了地音監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行靜載型沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警的關(guān)鍵依據(jù)。

2)針對(duì)井下復(fù)雜的開采條件，分析影響地音監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的主要因素，提出了地音傳感器合理安裝方式。

3)結(jié)合靜載型沖擊地壓孕育機(jī)理與特點(diǎn)，立足地音事件頻次、能量偏差及持續(xù)時(shí)長(zhǎng)，建立了靜載型沖擊地壓地音預(yù)警模型，在某礦205運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面施工中實(shí)現(xiàn)了靜載型沖擊地壓提前19 h預(yù)警。