沖擊地壓多參量智能化監(jiān)測(cè)分析及預(yù)警研究

史志紅，鞏思園，曹遠(yuǎn)威，賀 虎

(1.中煤科工集團(tuán)北京華宇工程有限公司，北京 100120；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.江蘇徐礦能源股份有限公司，江蘇 徐州 221000；4.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

隨著礦井開(kāi)采深度和開(kāi)采強(qiáng)度的日益增加，采場(chǎng)回采過(guò)程中高原巖應(yīng)力、圍巖強(qiáng)度劣化以及長(zhǎng)時(shí)流變等問(wèn)題，導(dǎo)致礦井沖擊地壓、巖爆、頂板大面積來(lái)壓等煤巖動(dòng)力災(zāi)害顯現(xiàn)強(qiáng)度和頻次顯著增加[1，2]。目前，沖擊地壓災(zāi)害已日漸成為深部煤炭資源高效安全回采的“攔路虎”之一，而煤礦沖擊危險(xiǎn)性實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、準(zhǔn)確預(yù)警成為了治理沖擊地壓的重要手段[3-5]。因此，在智能化礦山建設(shè)的大背景下，實(shí)現(xiàn)煤礦沖擊地壓的有效、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確和智能的預(yù)警監(jiān)測(cè)逐漸成為國(guó)內(nèi)外眾學(xué)者研究的前沿課題[6]。

近年來(lái)，為實(shí)現(xiàn)礦井沖擊地壓災(zāi)害準(zhǔn)確預(yù)警和有效防治，眾多學(xué)者在沖擊地壓預(yù)警監(jiān)測(cè)理論與技術(shù)領(lǐng)域展開(kāi)了大量研究。竇林明等[7]基于理論分析和工程研究，得出根據(jù)震動(dòng)場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的多參量綜合監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)較單一監(jiān)測(cè)方法更為精準(zhǔn)科學(xué)。鞠文君等[8]對(duì)我國(guó)沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警方法與技術(shù)進(jìn)行總結(jié)，提出4種沖擊地壓礦井監(jiān)測(cè)預(yù)警模式。姜福興等[9]研發(fā)多參量沖擊地壓聯(lián)合監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)，可對(duì)礦井進(jìn)行分級(jí)預(yù)警，并提高監(jiān)測(cè)參量的同步與兼容性。王永等[10]提出并研發(fā)了沖擊地壓多參量預(yù)警平臺(tái)，平臺(tái)實(shí)效性在實(shí)際工程中得到驗(yàn)證。劉金海等[11]通過(guò)研究沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警不同方面的技術(shù)要求，闡述多聯(lián)合監(jiān)測(cè)技術(shù)可以滿足沖擊地壓預(yù)警要求，具有廣泛應(yīng)用前景。張明鵬等[12]運(yùn)用“云技術(shù)”，通過(guò)數(shù)據(jù)算法體系耦合多參量，建立智能預(yù)警沖擊風(fēng)險(xiǎn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)云同步云儲(chǔ)存。賈瑞生等[13]基于地音監(jiān)測(cè)提出前兆信息辨識(shí)模型與方法，實(shí)驗(yàn)證實(shí)該方法有效精確，可滿足監(jiān)測(cè)要求。張修峰等[14]通過(guò)研究沖擊地壓多參量聯(lián)合預(yù)警方法以及監(jiān)測(cè)平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，提高了預(yù)警準(zhǔn)確性，優(yōu)化了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的利用效果。HE等[15]綜合多個(gè)沖擊預(yù)警指標(biāo)構(gòu)建了預(yù)警模型，提高了沖擊地壓的監(jiān)測(cè)能力和預(yù)警精確度，并通過(guò)對(duì)地音事件發(fā)生頻次進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以此作為沖擊地壓預(yù)警指標(biāo)和沖擊傾向性。潘俊峰等[16]運(yùn)用三維傳感器、監(jiān)測(cè)信息自感知、模塊化處理等技術(shù)，研制了煤礦沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。蔡武等[17]通過(guò)監(jiān)測(cè)微震事件和電磁輻射，揭示沖擊地壓前兆特征參量演化特征。袁亮等[18]針對(duì)礦井沖擊礦壓預(yù)警準(zhǔn)確率低的問(wèn)題，基于云技術(shù)、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)融合等綜合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦沖擊動(dòng)力災(zāi)害在線遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、智能預(yù)警。上述研究在沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警方面取得了眾多有益的成果，但現(xiàn)有研究成果大多采用單一參量對(duì)沖擊地壓發(fā)生概率進(jìn)行預(yù)警，其準(zhǔn)確性相對(duì)較低，難以滿足采場(chǎng)對(duì)安全回采的要求；即使運(yùn)用多參量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，也僅限于多參量的簡(jiǎn)單疊加，造成監(jiān)測(cè)結(jié)果不一致、預(yù)警準(zhǔn)確率和智能化效率較低。因此，如何運(yùn)用已有監(jiān)測(cè)手段，整合多參量監(jiān)測(cè)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)沖擊地壓多參量智能預(yù)警監(jiān)測(cè)是目前亟待解決的問(wèn)題?；诖?，作者從張雙樓煤礦沖擊地壓預(yù)警角度出發(fā)，基于智能化預(yù)警平臺(tái)，建立了以鉆屑量、應(yīng)力、震動(dòng)波和地音為指標(biāo)的多參量綜合預(yù)警監(jiān)測(cè)體系，實(shí)現(xiàn)張雙樓煤礦沖擊地壓超前預(yù)警與科學(xué)解危。

1 沖擊地壓顯現(xiàn)機(jī)理

在深部高地應(yīng)力條件下，原巖處于準(zhǔn)靜水壓力狀態(tài)。井下開(kāi)采活動(dòng)、煤巖體對(duì)開(kāi)采活動(dòng)的應(yīng)力響應(yīng)等表現(xiàn)出來(lái)的割煤、移架、機(jī)械振動(dòng)、爆破、頂?shù)装迤茢?、煤體及頂板結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、瓦斯突出、煤炮、斷層滑移等礦震動(dòng)載與采場(chǎng)及巷道周?chē)后w的支承應(yīng)力疊加，一旦超過(guò)煤體的承載極限便容易產(chǎn)生煤巖動(dòng)力災(zāi)害，沖擊地壓的動(dòng)靜載疊加誘發(fā)機(jī)理可用式(1)表示。

σs+σd≥σbmin

(1)

式中，σs為煤巖體靜載應(yīng)力；σd為礦震動(dòng)載；σbmin為沖擊地壓的臨界應(yīng)力。

從力學(xué)角度講，沖擊地壓的孕育發(fā)生過(guò)程實(shí)質(zhì)上是煤巖體在力的作用下發(fā)生變形、損傷直至破壞(失穩(wěn))的過(guò)程，與煤巖變形破裂過(guò)程的應(yīng)力應(yīng)變曲線特征一致，如圖1所示。由圖1可知，煤巖變形破裂過(guò)程大體可分為四個(gè)階段：0A壓密階段；AB線性彈性階段；BC塑性應(yīng)變軟化階段；CD沖擊破壞殘余階段。當(dāng)煤巖體變形破裂到達(dá)B點(diǎn)時(shí)，試樣進(jìn)入非彈性變形階段，低能量聲發(fā)射事件開(kāi)始產(chǎn)生，即對(duì)應(yīng)礦井尺度下的低能量礦震(102～104J)；接近C點(diǎn)時(shí)，微裂紋發(fā)展成宏觀破裂，出現(xiàn)高能量聲發(fā)射事件，對(duì)應(yīng)礦井尺度下的高能量礦震(105～107J)。從細(xì)觀角度分析，BC塑性應(yīng)變軟化階段實(shí)質(zhì)上是由若干連續(xù)的應(yīng)力降曲線組成，如圖2所示，其中每次應(yīng)力降對(duì)應(yīng)的聲震微破裂現(xiàn)象均與耗散能Ud對(duì)應(yīng)的變形能釋放密切相關(guān)。

圖1 煤巖變形破裂過(guò)程的應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.1 Stress-strain curve of coal rock deformation and fracture process

圖2 塑性應(yīng)變軟化階段的“力-震-變形”耦合計(jì)算模型Fig.2 Coupling calculation model of force earthquake deformation during plastic strain softening stage

為驗(yàn)證煤巖變形破壞過(guò)程中的“力-震-變形”轉(zhuǎn)換關(guān)系，根據(jù)受載煤巖體全應(yīng)力-應(yīng)變曲線計(jì)算變形能(見(jiàn)式(2))，并采用G-R冪率方程(見(jiàn)式(3))對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。具體計(jì)算步驟為：計(jì)算變形能Uε曲線；遍歷變形能Uε曲線，當(dāng)Uε值出現(xiàn)下降時(shí)，便將其記錄為一次聲發(fā)射震動(dòng)事件，其中，下降的變形能數(shù)值為聲發(fā)射事件的能量，下降時(shí)刻為此次聲發(fā)射事件發(fā)生的時(shí)間；將計(jì)算獲得的能量釋放值進(jìn)行累加獲得累積能量釋放曲線；將能量釋放離散點(diǎn)數(shù)據(jù)作為原始統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，計(jì)算獲得G-R冪率關(guān)系曲線。計(jì)算結(jié)果表明，變形能與應(yīng)力曲線同步，其能量釋放與聲發(fā)射結(jié)果一致，并符合G-R冪率關(guān)系，進(jìn)而從變形能釋放角度驗(yàn)證了煤巖變形破壞過(guò)程中的“力-震-變形”轉(zhuǎn)換關(guān)系，如圖3所示。

圖3 煤巖變形破壞力-震-變形聲發(fā)射監(jiān)測(cè)及驗(yàn)證Fig.3 Monitoring and verification of coal rock deformation failure force seismic deformation acoustic emission

式中，ε1、ε2、ε3分別為真三軸各方向的應(yīng)變；σ1、σ2、σ3分別為真三軸各方向的應(yīng)力，在單軸試驗(yàn)中，ε2、ε3、σ2、σ3均為0。

lgN(≥lgE)=a-blgE

(3)

式中，E為聲發(fā)射能量；N(≥lgE)為大于等于該能量的事件數(shù)量；a，b為常數(shù)。

當(dāng)?shù)叵旅后w開(kāi)挖時(shí)，應(yīng)力場(chǎng)必然受到擾動(dòng)，從而誘發(fā)煤巖的微破裂。微破裂的發(fā)生伴隨著應(yīng)力、震動(dòng)和變形。因此，對(duì)于沖擊地壓的監(jiān)測(cè)預(yù)警而言，通過(guò)監(jiān)測(cè)應(yīng)力場(chǎng)、震動(dòng)場(chǎng)和位移場(chǎng)來(lái)間接獲得擾動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)信息，研究采場(chǎng)應(yīng)力演化的時(shí)空關(guān)系，進(jìn)而達(dá)到?jīng)_擊地壓預(yù)警的目的。

2 基于智能化預(yù)警平臺(tái)的多參量監(jiān)測(cè)體系

2.1 智能化預(yù)警平臺(tái)與運(yùn)行原理

沖擊地壓的多參量時(shí)空監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)體系的構(gòu)建應(yīng)以沖擊地壓前兆存在的力學(xué)基礎(chǔ)為指導(dǎo)，綜合考慮應(yīng)力、位移、聲發(fā)射及微震多參量前兆信息[19-21]。其體系思路為：以沖擊地壓存在前兆的根源——煤巖材料的非均質(zhì)性為中心，監(jiān)測(cè)煤巖變形(內(nèi)因)的局部化，采用震動(dòng)波、地音、應(yīng)力監(jiān)測(cè)以及鉆屑量監(jiān)測(cè)等方法；監(jiān)測(cè)周?chē)h(huán)境介質(zhì)信息(外因)變化，如描述煤巖體內(nèi)地球物理場(chǎng)變化的震動(dòng)波速度層析成像指標(biāo)。沖擊地壓多參量監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)體系如圖4所示。

圖4 沖擊地壓多參量監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)體系Fig.4 Schematic diagram of multi parameter monitoring and early warning indicator system for rockburst

基于多參量時(shí)空監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)體系以及物理力學(xué)原理，構(gòu)建了張雙樓煤礦沖擊地壓智能化預(yù)警平臺(tái)，預(yù)警平臺(tái)基本運(yùn)行原理如圖5所示。智能化預(yù)警平臺(tái)包括參量輸入端、模糊智能判識(shí)黑盒子運(yùn)算端與智能預(yù)警結(jié)果輸出端3個(gè)端口。其中，參量輸入端口進(jìn)行鉆屑檢測(cè)、地音值、應(yīng)力監(jiān)測(cè)量以及震動(dòng)波反演值這4個(gè)參量的輸入，數(shù)據(jù)輸入后，在模糊智能判識(shí)黑盒子端口進(jìn)行智能數(shù)據(jù)運(yùn)算。參量數(shù)據(jù)分別通過(guò)“混淆矩陣—權(quán)重矩陣—單因素評(píng)價(jià)矩陣、高斯隸屬函數(shù)—單因素評(píng)價(jià)矩陣”2條運(yùn)算線路進(jìn)行智能數(shù)據(jù)運(yùn)算處理。處理完成的運(yùn)算數(shù)據(jù)，通過(guò)智能預(yù)警結(jié)果輸出端口輸出，進(jìn)行MMDP模型以及VFPR模型運(yùn)算，輸出的4個(gè)概率預(yù)警結(jié)果：b1%，b2%，b3%，b4%。以此得出沖擊危險(xiǎn)綜合預(yù)警為無(wú)沖擊危險(xiǎn)、弱沖擊危險(xiǎn)、中沖擊危險(xiǎn)或強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)。

圖5 沖擊地壓智能化預(yù)警平臺(tái)Fig.5 Intelligent warning platform for rock burst

2.2 多參量預(yù)警模型及預(yù)警效果

2.2.1 預(yù)警指標(biāo)隸屬函數(shù)

在一定的時(shí)間內(nèi)，根據(jù)觀測(cè)到的各參量異常水平，對(duì)沖擊地壓危險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警。沖擊地壓危險(xiǎn)程度分為四級(jí)，根據(jù)不同的危險(xiǎn)程度，可采用相應(yīng)的防治措施。

為了定量化描述各預(yù)警指標(biāo)的異常水平，引入可靠性分析理論的指數(shù)分布函數(shù)，該函數(shù)描述了一種產(chǎn)品的失效：

F(t)=1-e-λt

(4)

式中，F(xiàn)(t)為失效分布函數(shù)，即產(chǎn)品壽命的分布函數(shù)；λ為產(chǎn)品的失效率，λ>0。

將產(chǎn)品的失效比喻為出現(xiàn)沖擊地壓的概率，即失效率越高，產(chǎn)品失效(沖擊地壓發(fā)生)的可能性越大。進(jìn)一步推導(dǎo)可得出適用于各指標(biāo)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換的異常指數(shù)表達(dá)式：

式中，λij(t)為相應(yīng)指標(biāo)在統(tǒng)計(jì)時(shí)間窗t內(nèi)的異常隸屬度，取值范圍為0～1，具體λij(t)的計(jì)算采用歸一化方法。

采用高斯隸屬函數(shù)，通過(guò)式(6)—式(9)進(jìn)一步計(jì)算各綜合異常指數(shù)的隸屬情況。

無(wú)危險(xiǎn)等級(jí)(None)：

弱危險(xiǎn)等級(jí)(Weak)：

中等危險(xiǎn)等級(jí)(Moderate)：

強(qiáng)危險(xiǎn)等級(jí)(Strong)：

2.2.2 預(yù)警指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

根據(jù)智能學(xué)習(xí)判識(shí)中的混淆矩陣?yán)砟罨虻卣痤A(yù)警能力R值評(píng)分法，權(quán)重計(jì)算可采用如下基本公式：

式中，R1為報(bào)準(zhǔn)率；R0為虛報(bào)率；C1為報(bào)對(duì)次數(shù)；C2為應(yīng)預(yù)報(bào)總次數(shù)；T1為預(yù)報(bào)占用時(shí)間(或面積)；T2為預(yù)報(bào)研究總時(shí)間(或面積)。

當(dāng)R=1表示全部報(bào)準(zhǔn)；當(dāng)R=-1表示全部報(bào)反；當(dāng)R=0表示預(yù)警沒(méi)有起作用。

根據(jù)二項(xiàng)分布曲線：

式中，n為應(yīng)預(yù)警總次數(shù)；k為報(bào)對(duì)次數(shù)；n-k為漏報(bào)次數(shù)；R0為虛報(bào)率，又稱占時(shí)(空)率。

令α=10%時(shí)，根據(jù)各指標(biāo)實(shí)際預(yù)警情況，可求得置信度90%下的R值臨界值，用R1-α表示。當(dāng)指標(biāo)實(shí)際計(jì)算獲得的R值大于R1-α?xí)r，即認(rèn)為R值有1-α的置信度。至于其預(yù)警效能的大小，仍以R值本身數(shù)值的大小為準(zhǔn)。

為了綜合反映各指標(biāo)的預(yù)警效能，可認(rèn)為指標(biāo)預(yù)警高危險(xiǎn)等級(jí)的R值越大，說(shuō)明該指標(biāo)預(yù)警效能越高，可構(gòu)建式(12)對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)分：

Rij=0.75×RDij+0.5RCij+0.25×RBij

(12)

式中，RDij、RCij和RBij分別為以強(qiáng)危險(xiǎn)、中等危險(xiǎn)和弱危險(xiǎn)等級(jí)作為異常判據(jù)時(shí)計(jì)算得出的R值。

進(jìn)而可歸一化得出各指標(biāo)的權(quán)重：

2.2.3 多參量智能化預(yù)警模型

基于模糊綜合評(píng)價(jià)理論，并結(jié)合上述預(yù)警指標(biāo)體系、隸屬函數(shù)、權(quán)重計(jì)算等，可建立模糊智能綜合預(yù)警模型，主要包括6個(gè)步驟：

1)建立預(yù)警指標(biāo)因子矩陣：W={W1，W2，…，Wn}。

2)建立危險(xiǎn)等級(jí)隸屬矩陣：V={v1，v2，v3，v4}={無(wú)，弱，中，強(qiáng)}。

3)建立單因素評(píng)價(jià)矩陣R。矩陣中分量rij指第i個(gè)預(yù)警指標(biāo)屬于第j個(gè)危險(xiǎn)等級(jí)的隸屬程度。

4)計(jì)算權(quán)重矩陣：A={a1，a2，…，an}。

5)確定各沖擊危險(xiǎn)等級(jí)的隸屬概率大小：B=A·R={b1，b2，b3，b4}。

6)確定最終沖擊危險(xiǎn)等級(jí)。聯(lián)合采用最大隸屬度原則(MMDP)與可變模糊特征識(shí)別模型(VFPR)確定。

其中，j=1，2，3，4；v1=0.125，v2=0.375，v3=0.625和v4=0.875。

式中，nV為沖擊危險(xiǎn)等級(jí)數(shù)量，nV=4；Bmax=max{bi}；Bsecond=maxj≠i{bj}。

判別準(zhǔn)則如下：當(dāng)Vc=+∞，MMDP準(zhǔn)則完全有效；當(dāng)1≤Vc<+∞，MMDP準(zhǔn)則非常有效；當(dāng)0.5≤Vc<1，MMDP準(zhǔn)則有效；當(dāng)0

3 多參量預(yù)警模型現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 工程地質(zhì)概況

張雙樓煤礦位于徐州市沛縣，礦井采用立井多水平開(kāi)拓，現(xiàn)主采9#煤層，煤層埋深平均為770 m。以張雙樓煤礦74104工作面為研究對(duì)象，通過(guò)布置在工作面的鉆屑檢測(cè)系統(tǒng)、礦山震動(dòng)波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和地音監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取一系列礦壓數(shù)據(jù)，運(yùn)用沖擊地壓智能化預(yù)警平臺(tái)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊智能判識(shí)，結(jié)合多參量智能化預(yù)警模型，最終準(zhǔn)確預(yù)警沖擊危險(xiǎn)等級(jí)，從而達(dá)到準(zhǔn)確預(yù)警沖擊地壓的目的。

3.1.1 鉆屑監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)

在張雙樓煤礦74104工作面煤層中施工直徑為42 mm的鉆孔，采用智能化鉆屑監(jiān)測(cè)設(shè)備根據(jù)排出的煤粉鉆屑量變化規(guī)律以及鉆孔施工過(guò)程中的動(dòng)力效應(yīng)鑒別沖擊危險(xiǎn)。

沖擊危險(xiǎn)鉆屑臨界值判定：基于工作面實(shí)際地質(zhì)條件，在工作面前方220 m范圍，距巷道底板0.5～1.0 m范圍內(nèi)布置8～12 個(gè)鉆孔，其中鉆孔直徑?42 mm，鉆孔深度為10 m，鉆孔間距10～20 m，通過(guò)記錄每孔每米鉆粉量，繪制正常鉆粉量變化曲線，然后采用加權(quán)平均法對(duì)鉆粉量進(jìn)行均一化處理，并以此作為標(biāo)準(zhǔn)鉆粉量，基于此確定沖擊地壓發(fā)生及危險(xiǎn)程度的煤粉量臨界值。其中需要額外說(shuō)明的是，在鉆孔施工的過(guò)程中，若出現(xiàn)卡鉆或吸鉆等現(xiàn)象，表明沖擊地壓發(fā)生的可能性較高。鉆屑量監(jiān)測(cè)曲線如圖6所示?？芍?，煤粉量均在臨界值以下，單一鉆屑法評(píng)估沖擊地壓危險(xiǎn)性等級(jí)為無(wú)沖擊地壓危險(xiǎn)。

圖6 鉆屑量監(jiān)測(cè)曲線Fig.6 Monitoring curve of drilling cuttings

3.1.2 雙源震動(dòng)波CT探測(cè)評(píng)價(jià)

選取張雙樓煤礦74104工作面2020年7月1日—7月27日微震有效數(shù)據(jù)，根據(jù)74104工作面震源分布情況，74104工作面的礦震信號(hào)主要集中分布在74104工作面超前區(qū)域，工作面兩巷超前區(qū)域震源集中程度大，其震源集中分布情況主要與工作面回采擾動(dòng)區(qū)域吻合。根據(jù)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)計(jì)，本時(shí)間段內(nèi)發(fā)生的最大能量的礦震信號(hào)為8.95×103J，震源位于74104材料巷。結(jié)合74104工作面震源分布以及微震圖例分析，微震程度屬于等級(jí)2，單一震動(dòng)波監(jiān)測(cè)評(píng)估沖擊地壓危險(xiǎn)性等級(jí)為低沖擊地壓危險(xiǎn)。

3.1.3 地音監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)

張雙樓煤礦根據(jù)采掘工作面的實(shí)際情況，制定了針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)布置方案，通過(guò)在井下采區(qū)布置ARES-5/E地音監(jiān)測(cè)通道，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面回采范圍內(nèi)的地音事件的監(jiān)測(cè)。為實(shí)現(xiàn)對(duì)采掘工作面不間斷連續(xù)監(jiān)測(cè)一般應(yīng)在采掘工作面前方巷道內(nèi)各安裝2個(gè)傳感器，分別距離工作面60 m和110 m左右；在掘進(jìn)工作面應(yīng)安裝2個(gè)傳感器，分別距離掘進(jìn)工作面30 m和70 m左右。

基于74104回采工作面當(dāng)前推進(jìn)速度、地質(zhì)條件、回采工藝等因素，得到74104回采工作面地音事件頻次預(yù)警閥值為1×103個(gè)/h，地音事件能量預(yù)警閾值為5.0×106J/h。然而，在工作面回采過(guò)程中能量異常指數(shù)為2，頻次異常指數(shù)為3，單一地音法評(píng)價(jià)沖擊地壓危險(xiǎn)性等級(jí)為高沖擊地壓危險(xiǎn)。

3.1.4 應(yīng)力監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)

張雙樓煤礦安裝了兩套KJ743應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)74104回采工作面的應(yīng)力變化進(jìn)行了實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。在工作面兩巷布置應(yīng)力傳感器，每巷10組，傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至兩巷分站。在分站經(jīng)過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)化后經(jīng)工業(yè)環(huán)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)至地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)能夠反映工作面兩巷應(yīng)力變化情況，對(duì)沖擊地壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警。

在74104工作面兩巷150 m范圍內(nèi)布置應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)設(shè)備，每組測(cè)點(diǎn)布置深、淺各一個(gè)測(cè)力計(jì)以及應(yīng)力傳感器，鉆孔距底板1.0 m，其中淺部監(jiān)測(cè)點(diǎn)深度8 m，深部監(jiān)測(cè)點(diǎn)深度12 m。同一組內(nèi)相鄰監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距2.0 m，相鄰監(jiān)測(cè)點(diǎn)組間距15 m。為保證監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，首個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)距工作面前方50 m，應(yīng)力計(jì)變化曲線如圖7所示。通過(guò)對(duì)74104工作面兩巷應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)深淺基點(diǎn)應(yīng)力值與臨界值進(jìn)行對(duì)比，以此判定沖擊地壓顯現(xiàn)程度。由圖7可以看出，7#淺基點(diǎn)應(yīng)力值為9.1 MPa，超過(guò)淺基點(diǎn)應(yīng)力臨界值9 MPa；3#和8#深基點(diǎn)應(yīng)力值分別為11.2 MPa和11.1 MPa，也大于深基點(diǎn)臨界值11 MPa，單一應(yīng)力監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)沖擊地壓危險(xiǎn)性等級(jí)為中沖擊地壓危險(xiǎn)。

圖7 應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)曲線Fig.7 Stress online monitoring curve

綜上所述，當(dāng)采用鉆屑監(jiān)測(cè)、震動(dòng)波探測(cè)、地音監(jiān)測(cè)以及應(yīng)力監(jiān)測(cè)對(duì)工作面沖擊地壓危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)估時(shí)，相應(yīng)的單一沖擊地壓危險(xiǎn)性評(píng)估等級(jí)分別為無(wú)、低、高以及中。可見(jiàn)，采用單參量對(duì)沖擊地壓危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)估時(shí)，其評(píng)估結(jié)果存在較大差異，不能準(zhǔn)確及時(shí)的對(duì)沖擊地壓進(jìn)行預(yù)警預(yù)測(cè)，對(duì)工作面人員、設(shè)備安全造成極大威脅。

3.2 多參量預(yù)警效果分析

由于在沖擊地壓顯現(xiàn)的復(fù)雜性以及單參量監(jiān)測(cè)結(jié)果的偶發(fā)性，導(dǎo)致單參量指標(biāo)無(wú)法對(duì)沖擊地壓發(fā)生程度以及時(shí)間做出及時(shí)準(zhǔn)確的預(yù)警，對(duì)礦井人身及財(cái)產(chǎn)安全造成極大隱患。因此，運(yùn)用張雙樓煤礦沖擊地壓智能預(yù)警平臺(tái)，結(jié)合“混淆矩陣—權(quán)重矩陣—單因素評(píng)價(jià)矩陣、高斯隸屬函數(shù)—單因素評(píng)價(jià)矩陣”對(duì)張雙樓煤礦74104工作面多參量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與模糊智能綜合評(píng)價(jià)，模糊智能綜合評(píng)價(jià)得出：鉆屑檢測(cè)評(píng)價(jià)無(wú)沖擊地壓危險(xiǎn)權(quán)重為0%，震動(dòng)波探測(cè)評(píng)價(jià)低沖擊地壓危險(xiǎn)權(quán)重為8%，地音監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)高沖擊地壓危險(xiǎn)權(quán)重為67%，應(yīng)力監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)中沖擊危險(xiǎn)權(quán)重為25%。綜合權(quán)重占比判定為強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)性。最終，通過(guò)對(duì)鉆屑量、地音值、應(yīng)力監(jiān)測(cè)值以及震動(dòng)波反演值四個(gè)參量進(jìn)行權(quán)重計(jì)算與模糊評(píng)價(jià)方法對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)，得到74104工作面回采期間預(yù)警結(jié)果為強(qiáng)危險(xiǎn)性。

智能多參量預(yù)警結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)情況的對(duì)比：在工作面回采過(guò)程中，張雙樓煤礦地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，共發(fā)生有感礦震69次，其中，震級(jí)在1～2級(jí)的礦震6次，2～3級(jí)礦震18次，3級(jí)以上礦震45次。礦震實(shí)際發(fā)生情況與智能多參量預(yù)警結(jié)果基本吻合。智能多參量沖擊地壓預(yù)警體系實(shí)現(xiàn)了工作面回采期間沖擊地壓的及時(shí)可靠預(yù)警。

4 結(jié) 論

1)在智慧礦山理念背景下，闡述了沖擊地壓的顯現(xiàn)機(jī)理，并以“應(yīng)力場(chǎng)-能量震動(dòng)場(chǎng)-變形場(chǎng)”為監(jiān)測(cè)預(yù)警框架，提出了應(yīng)力、震動(dòng)波、地音和壓力為參量的預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用預(yù)警指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算方法，建立了多參量智能化沖擊地壓預(yù)警模型，避免了單一參量監(jiān)測(cè)的滯后性和偶然性。

2)通過(guò)在74104工作面布置鉆屑、礦山震動(dòng)波、應(yīng)力和地音等監(jiān)測(cè)設(shè)備，得到了基于各指標(biāo)的沖擊地壓顯現(xiàn)臨界值，為后續(xù)建立多參量智能化沖擊地壓預(yù)警體系并準(zhǔn)確預(yù)警提供了可靠的實(shí)踐依據(jù)。

3)建立了沖擊地壓智能綜合監(jiān)測(cè)預(yù)警模型，以鉆屑量、地音值、應(yīng)力值、震動(dòng)波反演值等多參量指標(biāo)作為模型輸入，采用模糊綜合評(píng)判模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)張雙樓煤礦74104工作面沖擊地壓危險(xiǎn)程度的準(zhǔn)確及時(shí)預(yù)警。