任 勇,夏永學,張修峰

(1.煤炭科學研究總院開采設計研究分院,北京 100013;2.天地科技股份有限公司開采設計事業(yè)部,北京 100013; 3.新汶礦業(yè)集團華豐煤礦,山東泰安 271400)

基于地音活動規(guī)律的沖擊危險性評價技術

任 勇1,2,夏永學1,2,張修峰3

(1.煤炭科學研究總院開采設計研究分院,北京 100013;2.天地科技股份有限公司開采設計事業(yè)部,北京 100013; 3.新汶礦業(yè)集團華豐煤礦,山東泰安 271400)

基于ARES-5/E地音監(jiān)測系統(tǒng),研究了華豐煤礦 1410工作面高能事件發(fā)生前地音變化規(guī)律,獲得了沖擊危險性增加或降低時地音的基本活動形式;基于沖擊礦壓與地音的相關性研究,初步建立了華豐煤礦地音評價沖擊礦壓的適用性標準。

沖擊礦壓;地音監(jiān)測;活動規(guī)律;評價標準

地音是煤巖體破裂釋放的能量以彈性波形式向外傳遞過程中所產生的聲學效應。在礦山,地音是由地下開采活動誘發(fā)的,其震動能量一般為 0～103J;震動頻率高,大約 150～3000Hz。[1]大量科學研究表明地音是煤巖體內應力釋放的前兆,地音信號的多少、大小等指標反映了巖體受力的情況。利用地音現(xiàn)象與煤巖體受力狀態(tài)的關系,可以監(jiān)測到局部范圍內未來幾天可能發(fā)生的動力現(xiàn)象。地音監(jiān)測就是應用監(jiān)測網絡對現(xiàn)場主要生產空間進行實時監(jiān)測,通過統(tǒng)計地音事件、能量釋放率、延時等一系列地音參量,找出地音活動規(guī)律,以此判斷巖體受力狀態(tài)和破壞進程,評價巖體的穩(wěn)定性,進而判斷沖擊危險程度。經過長期監(jiān)測后,可預測下一時段內監(jiān)測區(qū)域危險等級,從而實現(xiàn)沖擊危險性評價和預警[2-4]。

地音監(jiān)測應用于煤礦沖擊礦壓預測預報時,受環(huán)境干擾和地音活動異常復雜的影響還存在許多困難。但是,地音監(jiān)測作為沖擊礦壓研究領域最有發(fā)展前景的技術已被普遍接受。本文依托國家重點基礎研究發(fā)展計劃 (973)子課題《深部煤礦動力災害的綜合防治理論與解危方法》,利用ARES-5/E監(jiān)測系統(tǒng)對華豐煤礦地音活動規(guī)律和沖擊礦壓危險性評價進行了研究,本文系項目的部分研究成果。

1 工作面及地音監(jiān)測系統(tǒng)簡介

新汶華豐煤礦 1410工作面采用綜合機械化放頂煤回采工藝,開采煤層為四煤,煤層埋深近1000m,平均厚度為 6.2m,傾角 32°,堅固性系數為 1.5。頂板為粉砂巖、中砂巖;底板為粉細砂巖。現(xiàn)場和實驗室的研究結果表明,煤層和頂板均具有沖擊傾向性。1410工作面傾向長度為 130m,工作面上平巷靠近 1409采空區(qū),開采受下方六煤遺留煤柱和斷層等因素的影響。

為監(jiān)測與預報煤礦沖擊礦壓,該礦于 2008年從波蘭引進了 ARES-5/E地音監(jiān)測系統(tǒng) (見圖 1)。該系統(tǒng)是采用地音監(jiān)測法進行礦井沖擊危險性評估的專用設備,能夠對監(jiān)測區(qū)域范圍內的地音事件進行實時監(jiān)測。布置在井下的地音探頭監(jiān)測到地音事件并將其處理為模擬信號,然后經過井下發(fā)射器處理后,由通訊電纜傳輸至地面。系統(tǒng)可以監(jiān)測震動頻率為28～1500Hz、能量小于 1000J的地音事件。

圖1 ARES-5/E系統(tǒng)結構

ARES-5/E井下傳感器對地音事件進行實時監(jiān)測,并將監(jiān)測得到的數據發(fā)送到井下發(fā)射器內;發(fā)射器對監(jiān)測信號進行放大、過濾后,將其轉化為電壓信號后傳送到地面中心站;地面中心站會對接收到的信號進行分類、統(tǒng)計,并將其轉化為數字信號,然后發(fā)送到系統(tǒng)分析軟件內;最終,由系統(tǒng)分析軟件根據實時監(jiān)測數據對監(jiān)測區(qū)域的沖擊危險性進行綜合評價,并給出相應統(tǒng)計圖表[5-6]。

ARES-5/E地音監(jiān)測系統(tǒng)在采煤面和掘進面共布置 6個地音探頭,其中采煤面 4個,用于監(jiān)測采煤工作面附近地音活動的變化情況;掘進面 2個,用于監(jiān)測掘進頭附近地音活動的變化情況。地音探頭的布置如圖 2所示,探頭隨采掘工作面的推進不定期向前挪動。

圖 2 1410工作面地音探頭布置

2 地音數據處理

2.1 數據預處理

研究中數據選取范圍為各探頭的實際監(jiān)測區(qū)域,即選取探頭 50m監(jiān)測半徑內的地音數據。采用綜合數據分析法進行數據預處理,步驟如下:

(1)選取監(jiān)測區(qū)域內的微震事件數據,并按其發(fā)生時間進行排序。

(2)調取原始地音統(tǒng)計數據,結合現(xiàn)場實際噪音情況對其進行降噪處理。

(3)計算每小時和每班的地音活動次數及其釋放能量,并繪制震級大于 0.9級微震事件發(fā)生前10個班地音活動次數和能量隨時間變化曲線。

(4)分析班地音活動次數與能量的變化趨勢與微震事件或沖擊現(xiàn)象之間的關系。

2.2 危險指標選取

地音評價主要是基于地音活動和地音能量的變化?？刹捎靡韵?8個指標來確定地音活動和能量的偏差[7]:

(1)開采期間,每班次的平均活動情況——PAZ W。

(2)非開采期間,每班次的平均活動情況——PAZN。

(3)開采期間,每小時的平均活動情況——PAG W。

(4)非開采期間,每小時的平均活動情況——PAGN。

(5)開采期間,每班次的能量強度——PEZ W。

(6)非開采期間,每班次的能量強度——PEZN。

(7)開采期間,每班次的平均能量強度——PEG W。

(8)非開采期間的平均能量強度——PEGN。

對于一個給定的時間單元 T,例如 1個工作循環(huán),公式中的每個參數取小時參數之和,強度和能量偏差采用如下公式計算:

OAZ W為開采期間,每班次的平均活動能量的偏差值。對于其他指標,以此類推,分別求得 b～h所對應的 7個偏差值,定義為:OAZN,OAG W, OAGN,OEZ W,OEZN,OEG W,OEGN。

3 地音活動與沖擊礦壓相關性分析

沖擊礦壓是高能量微震事件發(fā)生所導致,因此,可通過分析高能量微震事件發(fā)生前地音活動規(guī)律來研究其與沖擊礦壓的相關性。采用地音活動和能量偏差作為 2個指標,分別代表地音活動和能量的變化情況。通過分析高能微震事件發(fā)生前 10個班的變化曲線可知,不小于 0.9級的微震事件發(fā)生前地音活動主要有以下形式:

形式1 地音活動或能量的偏差持續(xù)增長大于2個班,且當前班達到了較大值。分析圖 3可得,高能事件發(fā)生前第 5個班開始,能量一直處于上升的趨勢,事件發(fā)生前 1班達到最大值。

形式2 地音活動或能量的偏差增長到較高的水平后突然出現(xiàn)下降,下降時間不超過 2個班,然后又出現(xiàn)增長。高能事件發(fā)生前,能量偏差從 3班前的一個峰值點 (>100%)出現(xiàn)一個突然的下

圖3 地音活動與能量的變化曲線

降,持續(xù)時間僅為 1個班,隨后又增長到一個較高的值,活動偏差的變化也符合這一規(guī)律,見圖 4。

圖4 地音活動與能量的變化曲線

形式 3 地音活動或能量的偏差至少持續(xù)3個班大于 100%。能量偏差持續(xù)增長了 5個班次,在連續(xù) 4個班達到 100%以上后發(fā)生高能微震事件,見圖5。

圖5 地音活動與能量的變化曲線

基于上述分析,初步建立適用于華豐煤礦的沖擊危險性地音評價標準。標準中按當前班地音活動和能量偏差值大小分為 3個區(qū)間,在此僅列出評價結果發(fā)生變化時地音活動和能量的變化規(guī)律,不在表格之內均視為危險等級維持不變。將沖擊危險等級分為 4個等級,a級為無沖擊危險,b級為弱沖擊危險,c級為中等沖擊危險,d級為強沖擊危險。危險等級的變化判斷依據見表 1,表 2,表 3。

表1 當前班 -100%≤DEV<100%時,危險等級變化的判斷依據

表 2 當前班 100%≤DEV<200%時,危險等級變化的判斷依據 (f≥b)

表3 當前班DEV≥200%時,危險等級變化的判斷依據(f≥c)

如果某個小時內的沖擊危險性大于其所在班次開始的沖擊危險性,此時應進行單位小時的沖擊危險性評價,將OAG W,OEG W或者OAGN,OEGN分別與表 4進行對比分析,可進行每個小時內的沖擊危險性評價。

表 4 小時活動次數及能量釋放的沖擊危險性評價標準

4 結論

本文基于華豐煤礦 1410工作面ARES-5/E地音監(jiān)測系統(tǒng),研究了高能事件發(fā)生前地音的變化規(guī)律,研究表明:

(1)沖擊礦壓發(fā)生前,地音的變化規(guī)律是很復雜的,但地音異常很可能預示著沖擊危險性的增加,研究獲得了沖擊危險性增加時地音活動的 5種基本形式:地音事件或能量的偏差持續(xù)增長大于 2個班,且當前偏差達到了較大值;地音事件或能量的偏差在增長到較高的水平 (一般 DEV>100%)后突然出現(xiàn)下降,下降時間不超過 2個班,然后又出現(xiàn)增長;地音事件或能量的偏差持續(xù)增長大于或等于 2個班后,突然迅速減小,然后又增長到較大值;地音事件或能量的偏差至少持續(xù) 3個班大于100%;地音事件或能量的偏差達到了較大的值(DEV>200%)。

(2)地音活動和能量的驟降并不意味著沖擊危險等級的降低,也有可能是因為能量轉移而不斷累積。沖擊危險性降低時的地音活動規(guī)律包含 2種情況:地音活動比較平靜,事件數和能量持續(xù)保持在較低的水平,處于能量穩(wěn)定釋放狀態(tài);地音事件和能量持續(xù)降低超過 2個班。

(3)初步確定了華豐煤礦地音評價沖擊礦壓的適用性標準。

[1]齊慶新,竇林名 .沖擊地壓理論與技術 [M].徐州:中國礦業(yè)大學出版社,2008.

[2]竇林名,何學秋.沖擊地壓理論與防治技術 [M].徐州:中國礦業(yè)大學出版社,2001.

[3]鄧志剛,任 勇,毛德兵.波蘭 EMAG礦壓監(jiān)測系統(tǒng)功能及應用 [J].煤炭科學技術,2008.

[4]竇林名,何學秋,Bernard Drzezls.沖擊礦壓危險性評價的地音法 [J].中國礦業(yè)大學學報,2000.

[5]鄧志剛,任 勇,王傳朋,等 .微震地音數據綜合分析法初探 [J].煤礦開采,2010,15(1):8-10,14.

[6]孫書亮,王元杰,喬中棟,等 .地音監(jiān)測技術在沖擊礦壓預測預報中的應用 [J].煤礦開采,2009,14(5):80-82.

[7]齊慶新,李首濱,王淑珅.地音監(jiān)測技術及其在礦壓監(jiān)測中的應用研究 [J].煤炭學報,1994(6).

[責任編輯:王興庫]

Evaluation Technology of Rock-burstDanger Based on Earth Acoustic Data

REN Yong1,2,XIA Yong-xue1,2,ZHANG Xiu-feng3

(1.Mining&DesigningBranch,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China; 2.Mining&DesigningDepartment,Tiandi Science&Technology Co.,Ltd,Beijing 100013,China; 3.Huafeng Colliery,XinwenMining Group,Taian 271400,China;)

Based on ARES-5/E monitoring system,this paper analyzed rule of earth acoustic variation before high-energy matters occurred in 1410Mining Face.Basic activity rule of earth acoustic when rock-burst danger increased or reduced was obtained.Based on relationship of rock-burst and earth acoustic,a setof earth acoustic standard of rock-burst danger forHuafeng Collierywas primarily set up.

rock-burst;earth acoustic monitor;activity rule;evaluation standard

TD324.1

A

1006-6225(2010)06-0090-03

2010-07-16

國家重點基礎研究發(fā)展計劃 (973)項目子課題《深部煤礦動力災害的綜合防治理論與解危方法》(2010CB226806)

任 勇 (1978-),男,山西長治人,工程師,從事沖擊礦壓防治技術研究。