李建功

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037；3.重慶大學(xué) 資源與安全學(xué)院，重慶 400044)

隨著我國(guó)礦井逐漸向深部延伸，深部開采條件下煤與瓦斯突出、沖擊地壓等煤巖動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生機(jī)理愈加復(fù)雜，瓦斯、地應(yīng)力及煤體結(jié)構(gòu)等對(duì)動(dòng)力災(zāi)害的作用以及各因素之間的耦合關(guān)系也更加復(fù)雜，尤其是以地應(yīng)力為主導(dǎo)的煤巖瓦斯動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生頻率和災(zāi)害程度將急劇增加[1-7]。目前普遍采用的反映瓦斯解吸特征的K1值、Δh2和鉆屑量S等接觸式預(yù)測(cè)指標(biāo)在礦井深部開采條件下的敏感性出現(xiàn)了較大變化，預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性相對(duì)降低，出現(xiàn)了低指標(biāo)下發(fā)生動(dòng)力災(zāi)害的情況；加之這些預(yù)測(cè)方法是點(diǎn)監(jiān)測(cè)，占用作業(yè)時(shí)間，受人為因素影響較大，不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)連續(xù)性監(jiān)測(cè)[8-9]。因此，急需尋求一種可以對(duì)深部開采條件下煤巖瓦斯動(dòng)力災(zāi)害進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)、智能化準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的非接觸式連續(xù)預(yù)測(cè)技術(shù)。煤巖動(dòng)力災(zāi)害聲發(fā)射預(yù)測(cè)技術(shù)[5-16]是一種具有廣泛應(yīng)用前景的非接觸式連續(xù)預(yù)測(cè)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力災(zāi)害的實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)預(yù)警，無(wú)需人工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，尤其適用于以地應(yīng)力為主導(dǎo)的煤巖瓦斯動(dòng)力災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)警。

平煤礦區(qū)開采深度已達(dá)800～1 100 m，應(yīng)力主導(dǎo)型煤巖瓦斯動(dòng)力災(zāi)害越發(fā)顯現(xiàn)，常規(guī)的接觸式預(yù)測(cè)指標(biāo)對(duì)深部開采條件下此類災(zāi)害的敏感性變?nèi)酰瑸?zāi)害預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性降低，缺乏更為有效的災(zāi)害預(yù)測(cè)手段。在此背景下，鑒于平煤礦區(qū)深部開采地應(yīng)力主導(dǎo)型煤巖瓦斯動(dòng)力災(zāi)害的特點(diǎn)，以平煤十礦己15-24080采面為研究地點(diǎn)，采用聲發(fā)射監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)對(duì)工作面應(yīng)力演化作用下煤巖體釋放的前兆信息進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，研究建立適用于深部礦井應(yīng)力主導(dǎo)型煤巖瓦斯動(dòng)力災(zāi)害的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)預(yù)警方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井工作面應(yīng)力主導(dǎo)型動(dòng)力災(zāi)害的連續(xù)監(jiān)測(cè)預(yù)警，為礦井安全生產(chǎn)提供可靠保障。

1 試驗(yàn)地點(diǎn)概況

平煤股份十礦是煤與瓦斯突出礦井，是河南省礦井絕對(duì)瓦斯涌出量最大的礦井，主采的丁組、戊組、己組三組煤均為突出煤層，迄今為止共發(fā)生有記錄的煤與瓦斯突出50次。所發(fā)生的煤與瓦斯突出大多發(fā)生在地質(zhì)構(gòu)造破壞帶、斷層和突出條帶內(nèi)，突出點(diǎn)多表現(xiàn)為地應(yīng)力異常且未得到充分的釋放，煤層埋藏深、煤層瓦斯壓力大，煤層賦存異常以及瓦斯賦存不均衡等現(xiàn)象。目前十礦己組、戊組三水平埋深900 m左右，隨著采掘深度的不斷加大，地應(yīng)力不斷增加，以地應(yīng)力為主導(dǎo)的煤巖瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象日趨顯現(xiàn)。

平煤股份十礦己15-24080回采工作面(圖1)位于十礦己四采區(qū)，地面標(biāo)高+150～+270 m，工作面標(biāo)高-460.8～-629.5 m，埋深631～900 m，有效走向長(zhǎng)1 579 m，傾斜長(zhǎng)205.3～219.8 m，平均215 m，主采己15煤層，外段己15與己16合層，煤層厚度1.6～2.6 m，平均2.2 m，煤層傾角10～37 °，平均24 °。己15煤層直接頂為4.6～14 m的砂質(zhì)泥巖含薄層狀碳質(zhì)泥巖，上為大于18 m的細(xì)至中粒砂巖，直接底為0～7.5 m的泥巖，東薄西厚，其下為1.2～1.6 m的己16煤層；己16煤層直接底為1.1～1.5 m的泥巖，其下為2.2～2.9 m的己17煤層，再下為大于20 m的砂質(zhì)泥巖及灰?guī)r。己15煤為塊狀硬煤及粉狀軟煤，軟煤的堅(jiān)固性系數(shù)0.2～0.6，煤的破壞類型Ⅱ、Ⅲ，瓦斯放散初速度6.84～7.53 L/min，采面里段己15煤層原始瓦斯壓力2.23 MPa，瓦斯12.37 m3/t，外段己15-16合層區(qū)，煤層原始瓦斯壓力2.4 MPa，瓦斯含量19.83 m3/t。工作面構(gòu)造復(fù)雜，無(wú)線電波坑透法勘探有21處異常區(qū)域，機(jī)、風(fēng)巷掘進(jìn)期間揭露的落差大于1.0 m的斷層共有8條。工作面采用走向長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化采煤方法，全部垮落法管理頂板。

圖1 己15-24080回采工作面工程平面圖

該工作面具有采深大、瓦斯大、應(yīng)力高、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜等特點(diǎn)，且工作面機(jī)、風(fēng)巷掘進(jìn)和回采期間，在鉆孔瓦斯涌出初速度q、鉆屑量S等常規(guī)突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)指標(biāo)未超標(biāo)情況下(q值處于2.5 L/min左右，S值處于3.8 kg/m左右)仍發(fā)生響煤炮、噴孔、卡鉆、瓦斯涌出異常、片幫等現(xiàn)象，反映出這些常規(guī)指標(biāo)對(duì)動(dòng)力現(xiàn)象的反應(yīng)不夠敏感，已經(jīng)不能及時(shí)、準(zhǔn)確可靠地反映工作面前方存在的突出危險(xiǎn)。

2 聲發(fā)射監(jiān)測(cè)預(yù)警工藝

2.1 聲發(fā)射監(jiān)測(cè)預(yù)警原理

煤巖瓦斯動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生都有一個(gè)從量變到質(zhì)變的過程，即煤(巖)從微小破裂到破壞的過程。在該過程中，煤巖變形、破裂、破壞時(shí)應(yīng)變能的釋放會(huì)以應(yīng)力波的形式在煤巖體中傳播，即煤巖體聲發(fā)射現(xiàn)象。通過在采掘工作面安裝聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集、分析煤巖體內(nèi)的聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)指標(biāo)變化特征、規(guī)律、趨勢(shì)和災(zāi)害前兆信息，實(shí)現(xiàn)煤巖動(dòng)力災(zāi)害的連續(xù)監(jiān)測(cè)預(yù)警。

2.2 聲發(fā)射實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)建

采用中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司自主研發(fā)的YSFS(A)型礦井動(dòng)力災(zāi)害聲發(fā)射實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(圖2)在己15-24080采面構(gòu)建聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)形成一個(gè)地面與井下相交互的多通道并行的實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，由井下聲發(fā)射監(jiān)測(cè)主機(jī)對(duì)聲發(fā)射傳感器采集的海量聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行原位處理，處理結(jié)果經(jīng)安全監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)傳輸至地面上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面煤巖動(dòng)力災(zāi)害的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、超前預(yù)警，有效克服傳統(tǒng)預(yù)測(cè)方法“短兵相接”、點(diǎn)預(yù)測(cè)、工程量大和人為因素多等缺點(diǎn)。

圖2 YSFS(A)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)搭建示意圖

利用聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)連續(xù)跟蹤監(jiān)測(cè)己15-24080采面回采，實(shí)時(shí)捕捉工作面回采過程中出現(xiàn)的煤巖瓦斯動(dòng)力災(zāi)害的聲發(fā)射前兆信息，分析聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)指標(biāo)變化，對(duì)工作面動(dòng)力災(zāi)害進(jìn)行實(shí)時(shí)判識(shí)預(yù)警。

2.3 聲發(fā)射傳感器安裝工藝

聲發(fā)射傳感器安裝效果的好壞直接影響著傳感器接收聲發(fā)射信號(hào)的能力和噪音的阻隔效果[6]。中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司在多年的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用研究中，形成了波導(dǎo)器安裝方式和孔底安裝方式2類聲發(fā)射傳感器的安裝方式。波導(dǎo)器安裝方式安裝便捷，能回收利用，適合在外界作業(yè)噪聲干擾少的空間環(huán)境下使用?？椎装惭b方式需要施工一定深度的鉆孔，將聲發(fā)射傳感器安裝在煤巖體內(nèi)部，孔口進(jìn)行隔噪處理，能夠很大程度上隔絕外界干擾噪聲，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)安裝鉆孔角度的不同，形成了水泥注漿固定安裝方法和叉式固定安裝方法，如圖3所示。

圖3 聲發(fā)射傳感器孔底安裝方式

根據(jù)己15-24080采面的煤層賦存情況，分別在機(jī)巷采用上向孔叉式固定孔底安裝方法，在風(fēng)巷采用下向孔水泥注漿孔底安裝方法，距離工作面前方50 m位置處各超前預(yù)埋1個(gè)聲發(fā)射傳感器，聲發(fā)射傳感器隨著采面的推進(jìn)按30 m一個(gè)監(jiān)測(cè)循環(huán)同步超前安裝。

2.4 聲發(fā)射特征參數(shù)指標(biāo)選取

聲發(fā)射信號(hào)是一種脈沖式波形信號(hào)，其特征參數(shù)指標(biāo)較多，如振鈴計(jì)數(shù)、事件數(shù)、能量、振幅、信號(hào)持續(xù)時(shí)間等。通過對(duì)己15-24080采面作業(yè)過程中聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)變化規(guī)律綜合分析[8,12]確定了振鈴計(jì)數(shù)與能量?jī)蓚€(gè)敏感指標(biāo)預(yù)測(cè)該工作面煤巖瓦斯動(dòng)力災(zāi)害。通過振鈴計(jì)數(shù)的變化可以看出工作面煤巖體的活動(dòng)性情況，通過能量指標(biāo)的變化可以看出煤巖體活動(dòng)過程中的能量釋放情況。因此現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)中，采用聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)和能量?jī)蓚€(gè)指標(biāo)相結(jié)合的方法對(duì)該工作面的煤巖瓦斯動(dòng)力災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警。

3 煤巖瓦斯動(dòng)力災(zāi)害聲發(fā)射前兆模式及判識(shí)預(yù)警方法

聲發(fā)射是煤巖變形和破裂過程中產(chǎn)生的應(yīng)力波現(xiàn)象，煤巖變形和破裂的進(jìn)程與應(yīng)力大小、煤巖強(qiáng)度等有著密切關(guān)系。通過對(duì)聲發(fā)射信號(hào)變化規(guī)律的分析，不僅可以掌握工作面應(yīng)力活動(dòng)情況，而且可以進(jìn)一步提取動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生的前兆模式，建立煤巖動(dòng)力災(zāi)害聲發(fā)射判識(shí)方法，進(jìn)而超前預(yù)測(cè)動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生。

3.1 煤巖瓦斯動(dòng)力災(zāi)害聲發(fā)射前兆模式

3.1.1 煤樣受載破壞聲發(fā)射前兆模式

不同煤巖材料，其組成、結(jié)構(gòu)不同，在外界作用下發(fā)生破壞失穩(wěn)過程中聲發(fā)射的演化特征也不同。在實(shí)驗(yàn)室開展了煤樣單軸壓縮破壞過程的聲發(fā)射演化特征研究[6,17-18]。煤樣取自平煤十礦己15-24080工作面，按照國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)試樣制作標(biāo)準(zhǔn)，沿垂直層理方向加工成φ50 mm×100 mm圓柱體試樣，試樣兩端不平行度小于0.05 mm。采用TAW2000微機(jī)控制巖石三軸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單軸壓縮，加載速率為0.005 mm/min，同步進(jìn)行聲發(fā)射監(jiān)測(cè)。煤樣破壞過程的聲發(fā)射特征參數(shù)演化曲線和應(yīng)力演化曲線如圖4和圖5所示。

圖4 平煤十礦己15煤層1#煤試樣單軸壓縮聲發(fā)射指標(biāo)演化曲線

圖5 平煤十礦己15煤層2#煤試樣單軸壓縮聲發(fā)射指標(biāo)演化曲線

通過圖4和圖5可以看出，隨著應(yīng)力的增加，聲發(fā)射活動(dòng)性逐步增加，聲發(fā)射特征參數(shù)不斷增加，在應(yīng)力峰值附近達(dá)到最大；之后聲發(fā)射活動(dòng)性逐步減弱，聲發(fā)射特征參數(shù)也逐漸降低，直至煤樣發(fā)生破壞。

因此，平煤十礦己15煤層的煤樣破壞過程中聲發(fā)射整體表現(xiàn)為“上升-峰值-下降”的演化特征。煤巖破壞過程中聲發(fā)射特征參數(shù)不斷增加，煤樣破壞發(fā)生在聲發(fā)射特征參數(shù)變化曲線的下降段，也就是說煤樣發(fā)生破壞前的聲發(fā)射前兆模式可以表述為指標(biāo)“先上升后下降”的模式。

3.1.2 工作面煤巖瓦斯動(dòng)力災(zāi)害聲發(fā)射前兆模式

對(duì)己15-24080工作面發(fā)生的兩次應(yīng)力主導(dǎo)型煤巖擠出動(dòng)力災(zāi)害進(jìn)行分析。兩次災(zāi)害發(fā)生區(qū)域埋深約700 m，均位于礦山CT應(yīng)力分布中的高應(yīng)力水平區(qū)域，且循環(huán)內(nèi)區(qū)域驗(yàn)證時(shí)鉆孔瓦斯涌出初速度q和鉆屑量S均未超標(biāo)，瓦斯涌出比較平穩(wěn)，無(wú)明顯異常。災(zāi)害發(fā)生后，工作面均出現(xiàn)了不同程度的煤巖擠動(dòng)外移、劈裂、片幫、底鼓(見圖6)，并伴隨瓦斯涌出超限現(xiàn)象。

圖6 災(zāi)害發(fā)生區(qū)域的部分現(xiàn)場(chǎng)圖片

兩次災(zāi)害發(fā)生前后的聲發(fā)射特征參數(shù)指標(biāo)變化曲線如圖7所示。由圖可以看出，兩次動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生前均存在明顯的聲發(fā)射前兆特征。災(zāi)害發(fā)生前，兩個(gè)聲發(fā)射特征參數(shù)指標(biāo)均出現(xiàn)較大幅度的波動(dòng)，數(shù)值均顯著高于正常情況下指標(biāo)所處水平，整體上均呈逐漸升高的趨勢(shì)，且動(dòng)力災(zāi)害均發(fā)生在聲發(fā)射指標(biāo)整體演化曲線的下降階段。聲發(fā)射前兆模式同樣可以表述為指標(biāo)“先上升后下降”的前兆模式，這也與3.1.1節(jié)所述實(shí)驗(yàn)室煤樣加載試驗(yàn)所反映出的聲發(fā)射前兆模式一致。

圖7 己15-24080回采工作面災(zāi)害發(fā)生前后聲發(fā)射特征參數(shù)變化曲線圖

3.2 動(dòng)力災(zāi)害聲發(fā)射判識(shí)預(yù)警方法

通過大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)大于50個(gè)或能量指標(biāo)大于5×103mV2時(shí)，工作面有煤巖擠動(dòng)外移、劈裂、底鼓等動(dòng)力現(xiàn)象發(fā)生。鑒于動(dòng)力現(xiàn)象發(fā)生前均存在明顯的指標(biāo)上升趨勢(shì)的前兆特征，應(yīng)采用“靜態(tài)臨界值與動(dòng)態(tài)趨勢(shì)預(yù)警”相結(jié)合的方式進(jìn)行動(dòng)力災(zāi)害聲發(fā)射判識(shí)預(yù)警，即當(dāng)聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)或能量指標(biāo)超過給定臨界值時(shí)，要結(jié)合指標(biāo)動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)進(jìn)行災(zāi)害的綜合判識(shí)預(yù)警。

對(duì)圖7中的聲發(fā)射特征參數(shù)指標(biāo)進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，在聲發(fā)射指標(biāo)變化曲線的上升段，當(dāng)聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)大于50個(gè)或能量指標(biāo)大于5×103mV2時(shí)，出現(xiàn)了3個(gè)不同峰值階段，且相鄰峰值間的增長(zhǎng)幅度均超過50%。因此，根據(jù)以上表述的煤巖瓦斯動(dòng)力災(zāi)害聲發(fā)射預(yù)警方法及前兆模式，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的聲發(fā)射指標(biāo)大小及工作面實(shí)際發(fā)生的動(dòng)力現(xiàn)象，綜合分析給出平煤十礦己15-24080工作面煤巖瓦斯動(dòng)力災(zāi)害聲發(fā)射判識(shí)預(yù)警準(zhǔn)則，如表1所示。

表1 己15-24080回采工作面煤巖瓦斯動(dòng)力災(zāi)害聲發(fā)射判識(shí)預(yù)警準(zhǔn)則

4 應(yīng)用效果

聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在己15-24080工作面構(gòu)建運(yùn)行后，工作面常規(guī)預(yù)測(cè)指標(biāo)q(最大1.7 L/min)、S(最大3.5 kg/m)均未出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象，在應(yīng)用初期超前監(jiān)測(cè)預(yù)警了多次應(yīng)力主導(dǎo)的煤巖擠出伴隨瓦斯大幅超限災(zāi)害。聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)出的超前預(yù)警信號(hào)為工作面應(yīng)力主導(dǎo)型煤巖瓦斯動(dòng)力災(zāi)害防治措施的超前安排提供了有力的依據(jù)[6,8,19]，有效彌補(bǔ)了礦井工作面災(zāi)害預(yù)測(cè)手段的不足。之后，礦方將聲發(fā)射監(jiān)測(cè)指標(biāo)確定為評(píng)判工作面是否具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性的主要指標(biāo)，當(dāng)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)出災(zāi)害預(yù)警信息后，己15-24080工作面通過及時(shí)采取深孔爆破、超前排放、注水等解危措施，及時(shí)消除了工作面的突出災(zāi)害隱患，工作面沒有再發(fā)生煤與瓦斯突出等煤巖瓦斯動(dòng)力災(zāi)害，產(chǎn)量也逐漸達(dá)到6萬(wàn)t/月，增加近3倍，確保了工作面的安全高效回采。

5 結(jié)論

1)應(yīng)力主導(dǎo)型煤巖瓦斯動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生前，聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)和能量指標(biāo)整體上均呈逐漸升高的趨勢(shì)，且動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生在聲發(fā)射指標(biāo)整體演化曲線的下降階段。聲發(fā)射前兆指標(biāo)呈現(xiàn)為“先上升后下降”的模式。

2)提出“靜態(tài)臨界值與動(dòng)態(tài)趨勢(shì)預(yù)警”相結(jié)合的煤巖瓦斯動(dòng)力災(zāi)害聲發(fā)射判識(shí)預(yù)警方法，確定聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)和能量?jī)蓚€(gè)特征參數(shù)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)預(yù)警臨界值，建立了工作面應(yīng)力主導(dǎo)型煤巖瓦斯動(dòng)力災(zāi)害聲發(fā)射判識(shí)預(yù)警準(zhǔn)則。

3)構(gòu)建的己15-24080回采工作面地面與井下相交互的多通道并行的智能化煤巖瓦斯動(dòng)力災(zāi)害聲發(fā)射實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)深部礦井應(yīng)力主導(dǎo)型煤巖瓦斯動(dòng)力災(zāi)害的超前監(jiān)測(cè)預(yù)警，提高了災(zāi)害預(yù)警的準(zhǔn)確性和可靠性，為深部開采條件下礦井煤巖瓦斯動(dòng)力災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)警提供了有效的技術(shù)手段。