深部開采煤巖動力災害綜合預警指標建立及效果考察＊

楊 威 曹 旭 張小剛 王啟飛

（中國礦業(yè)大學（北京）資源與安全工程學院，北京市海淀區(qū)，100083）

隨著對能源需求量的增加和開采強度的不斷加大，淺部資源日益減少，國內外礦山都相繼進入深部開采區(qū)域，深部開采與淺部開采煤巖體具有明顯不同的力學特征，深部巖體因其所處的地球物理環(huán)境變得更為復雜，進而深部巖體的受力及其作用過程所屬的力學系統(tǒng)不再是淺部工程圍巖所屬的線性力學系統(tǒng)。受深部巖體的受力及其作用過程非線性系統(tǒng)的影響，深部工程巖體產生煤與瓦斯突出、沖擊地壓等煤巖動力災害也體現了明顯的非線性力學特征。深部開采煤巖動力災害發(fā)生的時間、地點、區(qū)域、震源等具有隨機性、復雜多樣性和突發(fā)性，同時煤與瓦斯突出、沖擊地壓等煤巖動力災害機理尚不明確，使得煤巖動力災害的預測工作變得更為困難復雜。

煤巖動力災害預測工作的關鍵在于預測方法的選擇。國內外學者經過多年研究，提出了諸多預測方法。目前國內關于煤與瓦斯突出、沖擊地壓等煤巖動力災害的預測主要采用鉆屑解吸指標值、鉆屑量、鉆孔瓦斯涌出初速度等常規(guī)預測指標或這些指標的組合，這些方法多屬于靜態(tài) （不連續(xù)）的，存在工程量大、作業(yè)時間長、準確性不高等問題，且大多數指標臨界值僅適用于煤礦淺部開采煤巖動力災害預測。深部開采與淺部開采煤巖體具有明顯不同的力學特征，且深部開采煤巖動力災害發(fā)生頻率和強度明顯增加，致災機理和影響因素變得尤為復雜。因此，對于深部開采條件的煤巖動力災害防治，現有的理論、方法與技術可能會部分或全部失效。

與指標預測法相比，連續(xù)預測法具有非接觸、連續(xù)性、不干擾煤礦正常生產等優(yōu)點，逐漸發(fā)展成為煤巖動力災害預測方法的主流。連續(xù)預測方法主要有電磁輻射、微震、聲發(fā)射和瓦斯動態(tài)涌出方法等。目前，煤礦使用的煤巖動力災害連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)一般均為專用監(jiān)測系統(tǒng)，其預測指標單一、使用范圍有限，且存在漏報、可靠性低等問題。將多種方法相結合的多參量預測系統(tǒng)可以提高預測預報的準確性，減少漏報率。然而，每一種預測指標都有其特有的預測機制，將多種單項指標預測法耦合在同一監(jiān)測系統(tǒng)中，便會產生各指標重要度如何選取及其臨界值如何確定等問題。因此，亟待提出一種能確定不同指標重要度和臨界值的多參量綜合指標預測方法。

本文根據彈塑脆性模型，提出一種基于電磁輻射、微震和聲發(fā)射的綜合預測指標方法，并利用平煤十礦深部開采現場預測結果對綜合指標加以驗證。

1 綜合指標分級預警模型的建立

1.1 煤巖動力災害判定依據

根據煤巖材料的彈塑脆性模型，當煤巖體上所受的應力超過了其強度極限，或者當煤巖體的變形超過了最大變形時，煤巖體被破壞。如果z （t）是觀測到的實際變形值，ε0為初始應變，εl為極限應變，則危險程度zε將由下式確定：

當ε （t）＜ε0時，

當ε （t）≥ε0時，

式中：zε（t）——某時刻煤巖破壞的危險性，其確定了在ε軸上某時刻的變形ε （t）與破壞點之間的距離。

煤巖動力災害現象是煤巖體在內外物理化學及應力綜合作用下快速破裂的結果，是典型的不可逆能量耗散過程。在這些過程中，煤巖體自外界獲得的能量和地層形成過程中存儲的能量將以各種形式被耗散，如彈性能、壓縮氣體的膨脹能、熱能、聲能和電磁能等形式。而煤巖變形破壞的ε （t）與電磁輻射、微震及聲發(fā)射等信號幅值、事件數成正比，則采用電磁輻射、微震和聲發(fā)射等方法確定煤巖破壞的危險性也可采用公式 （3）的方式，即：

當C （t）≥C0時，

式中：zc（t）——利用電磁輻射、微震或聲發(fā)射等指標預測某時刻煤巖破壞的危險性；

C （t）——任一時刻指標值；

Cl——臨界值；

C0——初始值。

本文試驗系統(tǒng)分析的是煤巖動力災害的實時危險性，采用的指標均為電磁輻射、微震或聲發(fā)射的信號幅值。

1.2 單項指標法

根據現場監(jiān)測結果可知，同一時刻可能出現4種信號的某幾種或全部，也有可能單獨出現一種信號。當4種信號單獨出現時，采用單項指標預警方法。對于其中任一指標，其危險指數W （t）由式（4）確定：

式中：W （t）——單項指標的危險指數，其值在01之間；

A0——指標幅值的平均值；

A （t）——t時刻指標的幅值；

Amax——指標幅值的最大值。

t時刻指標危險指數值W （t）越大，表明此時刻危險程度越大，危險程度可劃為安全 （0≤W（t）＜0.25）、較安全 （0.25≤W （t）＜0.5）、較危險 （0.5≤W （t）＜0.75）和危險 （0.75≤W（t）≤1）4個級別。

1.3 綜合指標法

當某一時刻同時出現4種信號中的某幾種或全部時，應采用綜合指標預警方法。綜合指標計算公式由式 （5）確定：

式中：W綜（t）——t時刻綜合指標危險指數；

n——t時刻煤巖動力災害指標同時出現的數目；

Wi（t）——t時刻第i 個指標的危險指數，其值按式 （4）計算；

fi（t）——t時刻第i 個指標的權重。當0≤Wi（t）＜0.25時，fi（t）為0.25；當0.25≤Wi（t）＜0.5時，fi（t）為0.5；當0.5≤Wi（t）＜0.75時，fi（t）為0.75；當0.75≤Wi（t）≤1時，fi（t）為1。

根據綜合指標法，得出t時刻綜合指標危險指數W綜（t），根據W綜（t）值的大小也將危險程度分為安全 （0≤Wi（t）＜0.25）、較安全 （0.25≤Wi（t）＜0.5）、較危險 （0.5≤Wi（t）＜0.75）和危險 （Wi（t）≥0.75）4 個級別，其判定標準根據相應礦井的具體條件和現場試驗進行確定。

當單項指標和綜合指標危險程度安全時，采掘工作可正常進行；危險程度較安全時，采掘過程中，應加強煤巖動力災害危險的監(jiān)測預報；危險程度較危險時，進行采掘工作的同時，應加強區(qū)域防治措施，同時進行監(jiān)測預報，當監(jiān)測預報結果達到安全程度時方可進行掘進；危險程度危險時，采取區(qū)域防治措施后，經過檢驗認為措施有效后，再次采取局部防治措施，同時進行監(jiān)測預報，當監(jiān)測預報結果達到安全程度時方可進行掘進。

2 現場測試結果及效果考察

2.1 工程概況

平頂山礦區(qū)具有開采深度大、煤層群開采、瓦斯含量高、煤層透氣性低和保護層可采區(qū)域范圍小等特點。目前大多數礦井開采深度大于600m，最深已達1100m 以上。未來10年內，平頂山礦區(qū)大量的礦井均要進入近千米采深的行列。開采深度的加大，使礦井地應力增高，礦壓顯現加劇，煤與瓦斯突出、沖擊地壓等煤巖動力災害危險性顯著增加。平頂山十礦是一個高瓦斯嚴重突出的深部開采礦井，丁組、戊組、己組煤層均發(fā)生了煤與瓦斯突出，這與其所處的構造位置有著密切關系。平煤十礦丁組和戊組煤層發(fā)生的40次煤與瓦斯突出，有39次屬于壓出，這反映了構造應力的強烈作用。選取丁5.6-21180機巷掘進工作面和丁5.6-21170回采工作面為現場測試地點，現場測點布置見圖1。

丁5.6-21180機巷位于十礦-320水平北翼東區(qū)丁組下山西翼，工作面東靠丁組軌道下山、運輸機下山及瓦斯抽放巷；西距中區(qū)丁組軌道60 m；南臨丁5.6-20170 采空區(qū)，北部未開采。丁5.6-21170采煤工作面位于十礦北翼丁一采區(qū)，屬-320水平丁組下山東翼第五階段。采煤工作面西靠丁組軌道巷、帶式輸送機巷及瓦斯抽放巷，東至十二礦北風井保護煤柱，南鄰丁5.6-21150 采空區(qū)，北部未開采。所采煤層 （丁5.6煤層）厚度1.6～2.6m，一般在2.6m 左右。工作面煤層結構單一，厚度未定，煤層傾角6～12°，一般在10°左右。軟煤的堅固性系數0.34～0.4，煤的破壞類型Ⅱ、Ⅲ，瓦斯放散初速度6.84～7.53L／min。煤層 瓦 斯 含 量8 ～16 m3／t，絕 對 瓦 斯 涌 出 量6m3／min，工作面瓦斯壓力1.7 MPa。

圖1 現場測點布置圖

煤巖動力災害測試系統(tǒng)為自主研發(fā)的ZDKT-1煤巖動力災害實驗模擬系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了電磁輻射、微震、聲發(fā)射等多種監(jiān)測指標。電磁輻射接收天線為正交分布的兩個磁棒天線，能夠接收環(huán)境中兩個方向的電磁輻射。微震傳感器采用由COLIBRYS 公司生產的SF1500MEMS 電容性加速度計，頻率響應在全范圍內為DC1500 Hz，對弱信號可以提高到5000Hz。聲發(fā)射傳感器采用美國聲學物理公司 （PAC公司）生產的諧振響應傳感器。信號采集系統(tǒng)使用美國國家儀器公司 （NI）的cRIO-9074嵌入式機器控制與監(jiān)控系統(tǒng)采集數據，系統(tǒng)采樣頻率為3kHz，具有高容量、低功耗、400Hz工業(yè)級即時處理等優(yōu)點，能夠完整準確采集煤樣沖擊破壞過程中電磁輻射、微震、聲發(fā)射等信號數據。

本系統(tǒng)安裝有3個探頭，即探頭A、探頭B和探頭C。探頭A 布置在丁5.6-21180掘進工作面機巷，傳感器放置在風筒的另一側，距離掘進頭30m，隨著巷道掘進移動，傳感器與巷道平行，距巷道底板1.2 m，距巷道側壁120 mm。探頭B和探頭C布置在丁5.6-21170回采工作面，其中探頭B布置在風巷，距離回風巷道口100m，位置固定不變，傳感器與巷道平行距巷道底板1.2m，距巷道側壁120mm。探頭C 布置在機巷，距離開切眼30m，隨著回采進度移動，傳感器與巷道平行，距巷道底板1.2m，距巷道側壁120mm。

2.2 現場測試結果

2011年10月-2012年10月測試期間，丁5.6-21180掘進工作面多次發(fā)生礦震，并伴有較強的煤炮聲，出現噴孔、瓦斯忽大忽小等動力現象。2012年4月17 日16點班發(fā)生響煤炮時，噴出瓦斯量最大為128m3，噴出煤量2.6t，圖2為當時測得的電磁輻射、微震和聲發(fā)射信號。其中縱軸代表的是采集信號經過放大后的電壓幅值。從圖2可以看出，煤炮會導致煤體承受強烈的動載荷作用，響煤炮過程中微震、低頻電磁輻射和聲發(fā)射3種信號同時產生，且3種信號都具有孤立突發(fā)性。

圖2 響煤炮時刻煤巖動力災害前兆信號

2011年10月-2012年10月平煤十礦現場監(jiān)測電磁輻射、微震和聲發(fā)射三項指標數據分別統(tǒng)計篩分，得出發(fā)生煤巖動力現象時的各指標幅值的最大值Amax和平均值A0，見表1。

表1 平煤十礦煤巖動力災害各單項指標最大值和平均值統(tǒng)計表 mV

2.3 效果考察

煤巖動力災害的單項指標和綜合指標效果考察可按照三率法確定：

（1）預測危險率，即：

式中：η1——預測危險率，%；

n——預測有危險次數，次；

N——預測總次數，次。

（2）預測危險準確率，即：

式中：η2——預測危險準確率，%；

n1——在預測有危險次數中，真正有危險的次數 （其中包括實際發(fā)生了煤與瓦斯突出征兆，采取措施后未發(fā)生災害），次。

（3）預測無危險準確率，即：

式中：η3——預測無危險準確率，%；

n2——預測無危險次數中果真無危險的次數，次；

n3——預測無危險次數，次。

預測危險率η1代表預測有危險區(qū)段的比例大小，η1越小，需要采取措施的范圍越小。因此，在保證預測突出危險準確的前提下，η1越小越好，預測無突出危險率應達到100%，預測危險的準確率達到60%，此時的臨界指標即可滿足現場要求。按照上文各單項指標最大值和平均值，采用單項指標和綜合指標對平煤十礦丁5.6-21180掘進工作面和丁5.6-21170 回采工作面進行煤巖動力災害預測，表2為2012年11月12月單項指標和綜合指標現場考察結果。

從表2 可以看出，單項指標預測危險率在42%50%之間，預測危險準確率在56%67%之間。相比之下，綜合指標的預測危險率降低至39%，預測危險準確率增大至71%，綜合指標預測下需要采取的災害防治措施區(qū)域相對較小，采取不必要的措施也會相應減少。且綜合指標預測危險的準確率超過60%，預測無危險準確率達到100%。由此可知，綜合指標預警技術提高了預測的準確性，減少不要的預測措施，增大了預警系統(tǒng)的可靠性。

表2 單項指標和綜合指標效果考察表

3 結論

（1）根據煤巖材料的彈塑脆性模型得出了煤巖動力災害的判定依據，利用電磁輻射、微震和聲發(fā)射的信號幅值可以實時預測煤巖動力災害的危險性。

（2）提出了煤巖動力災害的綜合指標分級預警模型，對煤巖動力災害實行安全、較安全、較危險和危險四級監(jiān)測預警，并針對不同的危險等級提出相應防治措施。

（3）煤巖動力災害的綜合指標分級預警模型在平煤十礦進行了應用，相比單項指標預測法，綜合指標預測危險率減小至39%，預測危險準確率增大至71%，提高了預測預報的準確性和可靠性，減少漏報率，可在全國類似礦井深部開采中推廣應用，諸如新汶、義馬、老虎臺等受煤巖動力災害威脅的礦區(qū)。

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