基于地音監(jiān)測的工作面開切眼期間沖擊危險性評價

邢麟楠

（1.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013）

由于煤礦生產(chǎn)的需要，必須不斷完成開拓巷道、采準(zhǔn)巷道和回采巷道等掘進部署。對于沖擊地壓礦井，當(dāng)掘進工序相互擾動而造成采掘空間周圍應(yīng)力疊加時，容易誘發(fā)沖擊地壓。在工作面切眼貫通期間，巷道對掘與交叉不可避免，在此過程進行沖擊危險性的準(zhǔn)確評價，對指導(dǎo)沖擊解危工作具有重要意義[1]。

沖擊危險性評價方法包括綜合指數(shù)法等多因素綜合評價方法和基于地音等監(jiān)測的沖擊危險性評價方法等[2-9]。多因素綜合評價方法雖然選取的評價指標(biāo)較為全面，但無法實現(xiàn)實時評價，且各評價指標(biāo)關(guān)聯(lián)度尚需進一步研究。地音監(jiān)測方法通過捕捉?jīng)_擊地壓發(fā)生前煤巖體破裂所產(chǎn)生的前兆信息，可以實現(xiàn)對掘進工作面的超前區(qū)域及迎頭后方圍巖的微裂隙擴展過程及沖擊危險程度的實時精細化監(jiān)測和準(zhǔn)確評價[10-12]。為此，以某礦沖擊危險性工作面切眼貫通為背景，借助地音監(jiān)測系統(tǒng)對切眼貫通期間地音異?；顒拥谋O(jiān)測與評估，構(gòu)建了基于地音監(jiān)測數(shù)據(jù)的沖擊危險性評價方法，實踐表明具有良好的應(yīng)用效果。

1 工作面概況

某礦二水平南一區(qū)21 層一段工作面平均埋深420 m，設(shè)計走向長度660 m，傾向長度55～124 m，所采煤層煤厚2.80～4.11 m，煤層傾角28°～36°。工作面切眼位于工作面開采境界最南部，斷面為矩形，凈高3.7 m，凈寬2.5 m，總長58 m。切眼施工工藝采用機械化綜掘，支護方式頂板采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護，錨桿間排距為1 m×0.9 m，錨索布置在巷道中間每3 m 1 對，兩幫鋪網(wǎng)。二水平南一區(qū)21 層一段工作面頂?shù)装鍘r性見表1。

表1 二水平南一區(qū)21 層一段工作面頂?shù)装鍘r性Table 1 Lithology of roof and floor of working face of section 1, floor 21, south zone 1, level 2

二水平南一區(qū)21 層一段工作面具有弱沖擊危險性，為了減小上下巷同時掘進造成的應(yīng)力集中，切眼貫通采取了沖擊地壓防治措施。工作面貫通前，下巷超前上巷掘進，由下向上施工切眼。當(dāng)下巷掘進至距離切眼盡頭20 m 時，停止上巷作業(yè)直至切眼貫通。工作面上下巷道布置有ARES-5/E 地音監(jiān)測系統(tǒng)，其中下巷布置有1#、2#地音探頭，上巷布置有3#、4#地音探頭，對工作面切眼貫通期間進行地音實時監(jiān)測。ARES-5/E 地音監(jiān)測系統(tǒng)布置方案圖如圖1。

圖1 ARES-5/E 地音監(jiān)測系統(tǒng)布置方案圖Fig.1 Layout of ARES-5/E ground acoustic emission monitoring system

通過統(tǒng)計地音事件頻次、能量等地音參量，找出地音活動規(guī)律，結(jié)合采掘情況評價監(jiān)測區(qū)域的沖擊危險等級。當(dāng)系統(tǒng)評價結(jié)果超出設(shè)定的危險等級時，立即停掘并進行解危卸壓。

2 基于地音監(jiān)測的沖擊地壓危險性評價技術(shù)

2.1 危險性評價指標(biāo)

煤巖體是典型的非均勻性材料，其內(nèi)部含有大量微裂紋、孔隙、節(jié)理裂隙等，在受載的不同階段會產(chǎn)生豐富的地音信號。地音監(jiān)測系統(tǒng)通過信號采集器接收采掘工作面微破裂發(fā)出的震動波，經(jīng)過信號處理，最后得到包括能量、頻次等表征煤巖體破裂程度的評價指標(biāo)。通過現(xiàn)場實踐表明，地音能量強度及頻次的變化，可以很好反映煤巖體內(nèi)應(yīng)力及沖擊地壓危險性的變化。

評價地音危險狀態(tài)受開采與非開采狀態(tài)影響。井下生產(chǎn)對地音數(shù)據(jù)的具有顯著影響，因此在采用地音法進行沖擊危險性評價時，首先需要確定評價時間段是屬于工作班還是非工作班，否則評價時容易出現(xiàn)較大的偏差。因此，結(jié)合生產(chǎn)狀態(tài)可以將地音能量和頻次細化為4 個指標(biāo)：工作班地音活動頻次PAZW、非工作班地音活動頻次PAZN、工作班間班地音能量強度PEZW 和非工作班地音能量強度PEZN。

2.2 沖擊危險性評價模型

在地音監(jiān)測沖擊危險性評價指標(biāo)確定之后，嘗試使用閾值法構(gòu)建危險評價模型，包括對PAZW、PAZN、PEZW、PEZN 4 個指標(biāo)設(shè)定不同的評價門檻，發(fā)現(xiàn)其評價結(jié)果具有隨機性，不具指導(dǎo)生產(chǎn)的能力，必須探索新的方法。由于地音活動與煤巖體破裂階段有關(guān)，地音前期的活動情況往往預(yù)示著后期的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，在采用地音法進行沖擊危險性評價時，可通過地音活動的變化規(guī)律來實現(xiàn)，該思想也是波蘭煤礦采用地音法評價與預(yù)測沖擊地壓的基礎(chǔ)[13]。地音異常系數(shù)k 是衡量一段時間內(nèi)地音活動異常程度的參數(shù)，以工作班地音頻次異常系數(shù)kazw為例，評價指標(biāo)值按如下表示：

以此類推，可計算得到其余的3 個指標(biāo)：非工作班地音活動頻次異常系數(shù)kazn、工作班間班地音能量強度異常系數(shù)kezw、非工作班地音能量強度異常系數(shù)kezn。

根據(jù)二水平南一區(qū)21 層一段工作面切眼貫通期間沖擊事件發(fā)生前地音的活動規(guī)律，按當(dāng)前班地音活動的地音異常指數(shù)大小將地音危險等級劃分為a、b、c、d 4 個等級。沖擊危險等級劃分標(biāo)準(zhǔn)見表2。表2 中地音異常指數(shù)k 取Max｛kazw，kazn，kezw，kezn｝。

表2 沖擊危險等級劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Classification standard of impact hazard level

3 地音監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

提取2017 年12 月至2018 年2 月工作面切眼貫通期間地音數(shù)據(jù)，通過對各地音探頭能量與頻次的地音異常指數(shù)的變化趨勢進行統(tǒng)計分析，結(jié)合井下沖擊顯現(xiàn)情況，能夠得出沖擊發(fā)生前地音前兆規(guī)律和沖擊危險性評價的準(zhǔn)確度。

3.1 沖擊地音前兆信息判別

1）地音能量和頻次的持續(xù)增長預(yù)示著沖擊危險增加[14-15]。切眼周邊煤巖體在掘進時所受的原巖應(yīng)力狀態(tài)被打破，壓力升高區(qū)的煤巖體從塑性變形到失穩(wěn)破壞過程中，煤巖體內(nèi)裂隙擴展加快，地音能量與頻次增加。若單個地音通道連續(xù)至少2 d 的危險等級達到d，可判定該探頭前后70 m 范圍內(nèi)存在沖擊危險。2017 年12 月31 日05：21：58 在下巷掘進工作面附近發(fā)生1 起沖擊事件，2017 年12 月31 日沖擊顯現(xiàn)位置如圖2。利用微震監(jiān)測系統(tǒng)定位的震源位置為下巷切眼口前方10 m，能量為2.5×105J。據(jù)下巷中部作業(yè)工人反映事件發(fā)生時有非常大的煤炮聲，風(fēng)流逆流，煤塵增大。1#地音探頭活動情況如圖3。由于地音監(jiān)測系統(tǒng)1#地音探頭已持續(xù)2 d 危險等級為d，故切眼掘進頭已停掘。

圖2 2017 年12 月31 日沖擊顯現(xiàn)位置Fig.2 Location of impact appearance on December 31, 2017

圖3 1#地音探頭活動情況（2017 年12 月）Fig.3 Activity of 1# ground acoustic emission probe

2）地音能量和頻次的突然增長代表著沖擊危險增加。相向掘進過程中，相互擾動導(dǎo)致煤巖體應(yīng)力集中程度增加，當(dāng)局部煤巖體應(yīng)力疊加迅速時，內(nèi)部裂隙急劇擴展與貫通，煤巖體突然失穩(wěn)破壞。若鄰較近2 個地音探頭在最近1 個班同時危險等級突然達到d，判定這2 個探頭的有效監(jiān)測區(qū)域存在沖擊危險。例如2018 年1 月7 日15:31:40 發(fā)生在上巷掘進頭附近的1 起沖擊事件，沖擊顯現(xiàn)位置如圖4。當(dāng)時掘進工作面正在頂板施工支護錨桿，工作面突然有強烈震感，頂板掉渣嚴重，部分已打好的錨桿托盤和螺帽松動脫離。1#、3#探頭的地音能量和頻次突然增加，2018 年1 月的1#、3#地音探頭活動情況分別如圖5、圖6。

圖4 2018 年1 月7 日沖擊顯現(xiàn)位置Fig.4 Location of impact appearance on January 7, 2018

圖5 1#地音探頭活動情況（2018 年1 月）Fig.5 Activity of 1# ground acoustic emission probe

圖6 3#地音探頭活動情況（2018 年1 月）Fig.6 Activity of 3# ground acoustic emission probe

3）地音能量和頻次由高降低并不意味著掘進工作面的危險程度降低，當(dāng)?shù)匾艋顒映掷m(xù)沉寂也預(yù)示著沖擊危險的增加。煤巖體作為1 種典型的非均勻連續(xù)介質(zhì)，受載后表現(xiàn)一定的承載能力，通過變形等方式儲存外界傳遞的能量，當(dāng)達到極限形變時，煤巖體失穩(wěn)破壞，內(nèi)部儲存的能量突然釋放，導(dǎo)致沖擊地壓的發(fā)生。例如在工作面切眼貫通末期，3#地音探頭接收的能量持續(xù)沉寂3 d 后，在切眼與上巷的交叉位置發(fā)生了1 次沖擊事件，2018 年1 月7 日沖擊顯現(xiàn)位置如圖7，2018 年2 月的3#地音探頭活動情況如圖8。

圖7 2018 年1 月7 日沖擊顯現(xiàn)位置Fig.7 Location of impact appearance on January 7, 2018

圖8 3#地音探頭活動情況（2018 年2 月）Fig.8 Activity of 3# ground acoustic emission probe

3.2 地音對沖擊危險性評價的準(zhǔn)確率

沖擊地壓危險性評價的準(zhǔn)確率是衡量地音危險性評價優(yōu)劣的1 個重要標(biāo)準(zhǔn)，對于井下發(fā)生沖擊顯現(xiàn)并且地音系統(tǒng)給出d 級預(yù)警的現(xiàn)象，定義為地音報準(zhǔn)；井下發(fā)生沖擊顯現(xiàn)而地音系統(tǒng)沒有給出d 級預(yù)警的現(xiàn)象，定義為地音漏報；井下未發(fā)生沖擊顯現(xiàn)而地音系統(tǒng)給出d 級預(yù)警的現(xiàn)象，定義為地音誤報。

通過統(tǒng)計得出的工作面切眼掘進期間地音預(yù)警情況見表3。

表3 工作面切眼掘進期間地音預(yù)警情況Table 3 Ground acoustic emission early warning during cutting excavation of working face

地音報準(zhǔn)率、漏報率、誤報率的計算方法如下：

式中：aB為地音報準(zhǔn)率；aL為漏報率；aW為誤報率；Nb為地音報準(zhǔn)次數(shù)；Nl為漏報次數(shù)；Nw為誤報次數(shù)；Ny為地音預(yù)警次數(shù)。

根據(jù)表3，由式（2）～式（4）可得：地音報準(zhǔn)率為66.6%，漏報率16.7%，誤報率16.7%，實踐表明地音監(jiān)測對現(xiàn)場沖擊危險具有較好的評價效果。

4 結(jié) 語

1）地音前期的活動情況往往預(yù)示著后期的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，通過地音異常系數(shù)衡量一段時間內(nèi)地音活動的異常程度，并按當(dāng)班地音活動的地音異常指數(shù)大小將地音危險等級劃分為a、b、c、d 4 個等級。

2）地音系統(tǒng)的單通道活動持續(xù)增長或持續(xù)沉寂、2 個或以上通道活動突然增長預(yù)示著沖擊危險的增加，可以作為沖擊地壓發(fā)生前的地音前兆信息。

3）地音報準(zhǔn)率是衡量沖擊危險性評價準(zhǔn)確率的1 個重要標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計數(shù)據(jù)得出工作面切眼掘進期間地音報準(zhǔn)率為66.6%，漏報率16.7%，誤報率16.7%，實踐表明地音監(jiān)測系統(tǒng)對沖擊危險性評價具有較好效果。