掘進工作面煤與瓦斯突出智慧預(yù)警技術(shù)研究

摘" 要：煤與瓦斯突出災(zāi)害嚴重威脅著煤礦安全生產(chǎn)。煤與瓦斯突出監(jiān)測預(yù)警是突出有效治理的前提和基礎(chǔ)，準確、有效的煤與瓦斯突出監(jiān)測預(yù)警，一方面可以提高煤與瓦斯突出預(yù)警的準確率，防止漏報;另一方面，可以提高防突措施實施的目的性和針對性，降低額外的防突工作量，增加掘進效率和穩(wěn)定性。通過以聲發(fā)射強度、電磁輻射強度、瓦斯?jié)舛鹊戎笜诉M行預(yù)警的方法，分析石屏一礦13019上機巷掘進工作面前兆特征，并闡明聲發(fā)射強度、電磁輻射強度、瓦斯?jié)舛雀黝A(yù)警相關(guān)參數(shù)的變化規(guī)律。通過現(xiàn)場應(yīng)用及分析，實現(xiàn)煤與瓦斯突出的綜合實時監(jiān)測預(yù)警，有利于提高煤礦安全保障水平，提高煤礦采掘效率，保障煤礦的安全生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：煤與瓦斯突出;監(jiān)測預(yù)警;聲發(fā)射強度;電磁輻射強度;瓦斯?jié)舛?/p>

中圖分類號：TD713" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）26-0066-06

Abstract： Coal and gas outburst disaster is a serious threat to coal mine safety production. Coal and gas outburst monitoring and early warning is the premise and basis of effective control of coal and gas outburst. Accurate and effective coal and gas outburst monitoring and early warning can， on the one hand， improve the accuracy of coal and gas outburst early warning and prevent missing reports; on the other hand， it can improve the purpose and pertinence of outburst prevention measures， reduce additional outburst prevention workload， and increase tunneling efficiency and stability. Through the method of early warning based on the indexes of acoustic emission intensity， electromagnetic radiation intensity and gas concentration， the precursory characteristics of 13019 upper machine roadway driving in Shiping No. 1 Coal Mine are analyzed. It also expounds the change law of the early warning related parameters of acoustic emission intensity， electromagnetic radiation intensity and gas concentration. Through field application and analysis， the comprehensive real-time monitoring and early warning of coal and gas outburst is realized， which is helpful to improve the safety level of coal mine， improve the mining efficiency and ensure the safety of coal mine production.

Keywords： coal and gas outburst; monitoring and early warning; acoustic emission intensity; electromagnetic radiation intensity; gas concentration

隨著我國淺部礦產(chǎn)資源的逐年減少，煤礦開采深度逐年加大[1-2]。開采深度和開采強度的增大導(dǎo)致地應(yīng)力、地溫和瓦斯壓力不斷增加，在采掘過程中將伴隨著復(fù)雜的煤與瓦斯突出災(zāi)害，威脅著深部礦井的安全生產(chǎn)[3-6]。近年來，聲發(fā)射、電磁輻射等先進的地球物理學(xué)方法開始應(yīng)用于煤與瓦斯突出監(jiān)測預(yù)警，基于聲發(fā)射、電磁輻射和瓦斯等多源信息的綜合監(jiān)測預(yù)警已經(jīng)成為煤與瓦斯突出監(jiān)測研究的趨勢和方向[7-17]。筆者通過分析石屏一礦煤巷掘進工作面掘進過程中聲發(fā)射強度、電磁輻射強度、瓦斯?jié)舛龋ê喎Q“聲電瓦斯”;聲發(fā)射強度、電磁輻射強度，簡稱“聲電強度”）動態(tài)變化規(guī)律，探究了突出發(fā)生前兆規(guī)律并進行了現(xiàn)場應(yīng)用。

1" 工作面概況

石屏一礦位于四川省瀘州市古藺縣城東，礦井安全生產(chǎn)受煤與瓦斯突出災(zāi)害嚴重威脅，屬于煤與瓦斯突出礦井。試驗場地選址為該礦13019上機巷掘進工作面，掘進方式為炮掘，該工作面煤層傾角12～24°，平均15°，煤層厚度0.8～1.8 m，平均1.5 m。煤層原始瓦斯含量最大為13.8 m3/t，原始瓦斯壓力最大為1.45 MPa，煤層具有突出危險性。

2" 工作面儀器布置

在工作面安裝由中國礦業(yè)大學(xué)研發(fā)的聲電瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)，將聲電瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的煤巖動力災(zāi)害聲電數(shù)據(jù)采集監(jiān)測儀放置于13019上機巷回風聯(lián)絡(luò)巷距離迎頭10 m位置，通過四芯屏蔽專用電纜將該監(jiān)測儀與聲電瓦斯專用本安型監(jiān)測分站相連接。聲發(fā)射傳感器放置于13019上機巷回風聯(lián)絡(luò)距離迎頭10～20 m范圍內(nèi)，電磁輻射傳感器與聲發(fā)射傳感器距離1～3 m左右，瓦斯傳感器布置在13019上機巷回風聯(lián)絡(luò)迎頭處。聲發(fā)射、電磁輻射、瓦斯傳感器裝置布置如圖1所示。

3" 聲電瓦斯變化特征規(guī)律

3.1" 聲電強度監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)處理

煤與瓦斯突出聲電瓦斯監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的主要監(jiān)測指標有以下3項：聲發(fā)射強度、電磁輻射強度、瓦斯?jié)舛?。由于聲發(fā)射傳感器和電磁輻射傳感器都是高靈敏度傳感器，且采樣頻率高（25 kHz），分站上傳數(shù)據(jù)間隔時間短（30 s），加上井下作業(yè)工序的影響，聲電強度在短時間內(nèi)可能會出現(xiàn)較大變化，對數(shù)據(jù)分析及臨界值的設(shè)定均造成很大影響。針對此問題，采用5點平均濾噪算法，并對實時監(jiān)測聲電強度數(shù)據(jù)進行自動實時處理。圖2（a）、圖2（b）分別為濾波前后聲發(fā)射強度、電磁輻射強度變化曲線對比。采用濾波算法后，聲發(fā)射強度和電磁輻射強度局部波動變化明顯減弱，整體趨勢變化更加明顯，更加有利于煤與瓦斯突出危險性聲電強度監(jiān)測參數(shù)前兆規(guī)律的研究。

3.2" 聲電瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)變化特征

根據(jù)煤與瓦斯突出聲電瓦斯監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)掘進過程中的監(jiān)測結(jié)果，分析打鉆、耙矸機耙矸、放炮等作業(yè)工序?qū)β暟l(fā)射強度和電磁輻射強度的影響：

對于聲發(fā)射強度，掘進迎頭無作業(yè)時環(huán)境噪聲在100 mV左右。迎頭打鉆時，聲波強度出現(xiàn)顯著上升，最大值在450 mV左右，但經(jīng)過濾波處理后，聲發(fā)射強度與環(huán)境噪聲基本相同;耙矸機出矸時，聲發(fā)射強度顯著上升且出現(xiàn)劇烈波動，波動最小值稍大于200 mV，波動最大值接近500 mV。放炮前移出煤巖動力災(zāi)害聲電數(shù)據(jù)采集監(jiān)測儀后，聲發(fā)射強度顯著降低，在10 mV左右。

對于電磁輻射強度，掘進迎頭無作業(yè)時環(huán)境噪聲在5 mV左右。耙矸機出矸對電磁輻射強度的影響并不明顯。放炮后電磁輻射強度變化比較劇烈，最大強度達到360 mV左右，主要原因是放炮后由于大面積煤體破壞，大量瓦斯涌出，而電磁輻射強度與瓦斯涌出量成正相關(guān)，因此電磁輻射強度顯著升高。圖3為聲電強度變化圖。

4" 聲電瓦斯與常規(guī)指標數(shù)據(jù)對比分析

4.1" 聲電瓦斯不同時間尺度特征分析

對13019上機巷回風聯(lián)巷5月24日—6月24日的聲電瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)進行不同時間尺度的特征分析，如圖4—圖7所示。

1）不同時間尺度電磁輻射強度變化曲線（圖4）。

2）不同時間尺度聲發(fā)射強度變化曲線（圖5）。

3）不同時間尺度瓦斯?jié)舛茸兓€（圖6）。

由圖4—圖7，分析了聲電瓦斯指標在1、4、8、12、24 h等不同時間尺度下的變化規(guī)律。結(jié)果表明，隨著時間的推移，聲電瓦斯指標變化曲線變化更為平緩，對長期的宏觀變化趨勢反應(yīng)更為明顯，但對短時間趨勢不明顯。具體來說，8 h尺度是一個變化可能的分界點，8 h以前3種圖線的變化局部起伏較大，8 h以后曲線逐漸平滑，局部的起伏變化不明顯;24 h尺度曲線對聲電信號的宏觀變化趨勢具有較好的表現(xiàn)度，細節(jié)上的變化不明顯。

根據(jù)上述分析，同時考慮常規(guī)指標的測試時間間隔，確定聲電強度指標與常規(guī)指標進行對比分析的最佳時間尺度為8 h。該時間尺度下既能體現(xiàn)聲電信號的宏觀變化規(guī)律，又不遺漏太多細節(jié)變化特征。

4.2" 聲電瓦斯以及常規(guī)指標對比分析

5月24日—6月24日13 019上機巷回風聯(lián)巷掘進過程監(jiān)測的常規(guī)指標和以8 h時間尺度統(tǒng)計的聲發(fā)射強度、電磁輻射強度和瓦斯?jié)舛葘Ρ热鐖D8所示?？傮w來看，鉆屑量S值變化幅度不大，基本在1.8～2.1 kg/m之間;鉆屑瓦斯解吸指標K1值存在一定趨勢變化，變化范圍為0.21～0.45 mL·（g·min0.5）-1之間;聲發(fā)射強度、電磁輻射強度和瓦斯?jié)舛冉y(tǒng)計時間尺度為8 h，因此相比于S值和K1值存在較大的變化，并與常規(guī)指標間存在一定對應(yīng)關(guān)系。

5月29日之前，聲發(fā)射強度呈連續(xù)上升趨勢，與瓦斯?jié)舛?、鉆屑量S值趨勢變化較為一致;6月9日20：45發(fā)生一次瓦斯超限，發(fā)生瓦斯超限前，電磁輻射強度和聲發(fā)射強度在6月9日也出現(xiàn)極大值。6月13日—6月16日瓦斯?jié)舛缺３州^高水平，這一點與聲發(fā)射強度和電磁輻射強度變化趨勢較為一致。綜上分析，除了常規(guī)指標以及瓦斯?jié)舛鹊刃畔⑼?，聲發(fā)射強度和電磁輻射強度也可以很好地反映掘進工作面應(yīng)力水平及瓦斯涌出情況，是煤與瓦斯突出危險性實時監(jiān)測預(yù)警的敏感指標。

5" 結(jié)論

1）基于聲發(fā)射和電磁輻射監(jiān)測參數(shù)濾噪算法，降低了掘進工作面打鉆、耙矸機耙矸、放炮等作業(yè)工序?qū)β曤姳O(jiān)測參數(shù)的影響，使監(jiān)測參數(shù)變化趨勢更加明顯，有利于研究突出危險性發(fā)生前兆規(guī)律。

2）對聲電瓦斯監(jiān)測指標在不同時間尺度下的變化規(guī)律進行分析。結(jié)果表明，隨著時間尺度的增大，聲電瓦斯曲線變化更為平緩，對長期的宏觀變化趨勢反映更為明顯，對短時間趨勢不太明顯?？紤]到常規(guī)指標的測定時間間隔，確定了聲電指標與常規(guī)指標相比較分析的最佳時間尺度為8 h。

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第一作者簡介：王明（1986-），男，采礦工程師，宏達煤礦總工程師。研究方向為煤礦瓦斯、防火、水害等防治技術(shù)與管理等。