沖擊地壓聲-能信息時(shí)空分布特征及預(yù)測分析*

王　鵬，陳　通，司俊鴻，宋　超

(1.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安710065；2.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

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沖擊地壓聲-能信息時(shí)空分布特征及預(yù)測分析*

王鵬1，2，陳通1，司俊鴻1，宋超1

(1.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安710065；2.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

華亭煤礦沖擊傾向性強(qiáng)、危害性大，要實(shí)現(xiàn)沖擊地壓超前預(yù)報(bào)，必須對其前兆信息進(jìn)行采集和分析。通過在250103工作面兩幫布置地音監(jiān)測系統(tǒng)，捕捉?jīng)_擊地壓發(fā)生全過程的聲-能信息，結(jié)合來壓步距、推進(jìn)距離，對其表現(xiàn)的4個(gè)階段：貧寂期、活躍期、突變期、回穩(wěn)期進(jìn)行時(shí)空特征分析。統(tǒng)計(jì)聲-能歷史樣本數(shù)據(jù)并發(fā)現(xiàn)，地音信息小事件異常值占6.72%，大事件異常值占5.68%，能量異常值占5.29%，符合正態(tài)分布預(yù)測模型。利用層次分析法及循環(huán)滾動法，得出地音監(jiān)測信息綜合指標(biāo)及判斷準(zhǔn)則。實(shí)踐表明：所采用的地音監(jiān)測系統(tǒng)及預(yù)測方法能夠?qū)崟r(shí)捕捉聲-能信息并有效刻畫沖擊地壓傾向性狀態(tài)，對沖擊事件的發(fā)生起到準(zhǔn)確辨識及超前預(yù)報(bào)的作用。

沖擊地壓；聲-能信息；時(shí)空特征；沖擊判據(jù)

0　引　言

隨著中國礦井開采強(qiáng)度及深度的提高，開采地質(zhì)條件日趨復(fù)雜，所帶來的深部礦井安全問題將愈加明顯，沖擊地壓就是其中的災(zāi)害之一。采用有效的監(jiān)測手段和預(yù)測方法，是防治沖擊地壓的關(guān)鍵。目前，監(jiān)測沖擊地壓的方法有許多種，如微震法[1]、地音法[2]、壓力監(jiān)測[3]、地應(yīng)力監(jiān)測[4]、電磁輻射和鉆屑法[5-6]。其中，微震法對破裂事件的空間定位與應(yīng)力分布區(qū)域不是通過監(jiān)測而是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定，且不可能根據(jù)小事件預(yù)測大事件，巖層斷裂不一定遵循先小事件后大事件的規(guī)律；壓力監(jiān)測法不能對煤巖體破壞做連續(xù)長期監(jiān)測與預(yù)報(bào)；應(yīng)力監(jiān)測法測量數(shù)據(jù)是一個(gè)相對應(yīng)力，還不能做到對煤巖層原巖應(yīng)力的測量；電磁輻射監(jiān)測法受地下水和電磁環(huán)境干擾，所得監(jiān)測結(jié)果有較大誤差；而鉆屑量法受操作人員的影響以及不能連續(xù)監(jiān)測，從而導(dǎo)致有用信息遺漏而出現(xiàn)漏報(bào)[7]。

大量試驗(yàn)研究表明，不同條件下巖石變形的4個(gè)階段[8]：孔隙裂隙壓密階段、彈性變形至微彈性裂隙穩(wěn)定發(fā)展階段、非穩(wěn)定破裂發(fā)展階段、破裂后階段均伴有聲發(fā)射現(xiàn)象的發(fā)生[9-11]。采用地音監(jiān)測，不僅在時(shí)間上起到即時(shí)預(yù)測，而且在空間上達(dá)到從區(qū)域預(yù)測到點(diǎn)預(yù)測，能夠逐級排除和確認(rèn)沖擊危險(xiǎn)[12]。因此，通過建立地音監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)地音信息的有效捕捉及分析[13-15]，以此動態(tài)刻畫巖體內(nèi)部微裂紋產(chǎn)生或發(fā)展的狀態(tài)及所釋放的彈性能，為預(yù)測沖擊地壓發(fā)生提供可能?；诖?，文中以地音監(jiān)測所得聲-能信息為表征量，通過聲-能信息時(shí)空特征分析，得出基于地音聲-能信息沖擊地壓預(yù)測模型，并將其成功應(yīng)用于華亭煤礦，取得了良好的預(yù)測效果。

1　聲-能信息捕捉過程

1.1監(jiān)測系統(tǒng)

地音監(jiān)測系統(tǒng)主要采用KJ110N型礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)及GDD-1礦用礦壓動態(tài)傳感器來實(shí)現(xiàn)地音信息采集，整個(gè)系統(tǒng)采用井下-地面-遠(yuǎn)程三級網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。井下傳感器以具有高速處理功能的多通道智能分站為基本單元，采用CAN總線的傳輸方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并依抗干擾能力強(qiáng)的光纖為傳輸介質(zhì)，確保數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性。數(shù)據(jù)存儲方面，采用狀態(tài)變化實(shí)時(shí)存儲技術(shù)，在滿足誤差的范圍內(nèi)，最大限度的節(jié)約存儲空間。GDD-1礦用礦壓動態(tài)傳感器采集的地音信息表征如下

1)小事件數(shù)—煤(巖)產(chǎn)生微小破碎時(shí)釋放聲波的分鐘統(tǒng)計(jì)數(shù)；

2)大事件數(shù)—煤(巖)產(chǎn)生較大斷裂時(shí)釋放聲波的分鐘統(tǒng)計(jì)數(shù)；

3)能量—煤(巖)發(fā)生破碎或斷裂產(chǎn)生的能量。

1.2安裝工藝

為保證信號有效接收，選取煤柱或工作面兩巷原始結(jié)構(gòu)沒有破壞的煤體，打一個(gè)φ42 mm，深1.9 m的鉆孔，將波導(dǎo)桿放入孔內(nèi)，注漿密封，并將地音接收裝置和GDD-1礦用礦壓動態(tài)傳感器相連接，完成數(shù)據(jù)采集裝置的安裝。測試前，輕敲波導(dǎo)桿，對傳感器進(jìn)行靈敏校準(zhǔn)，測試正常后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

初次安裝時(shí)，分別在巷道兩幫安裝2組動態(tài)傳感器，4個(gè)傳感器的通訊線并接在1對電纜線上，每2個(gè)傳感器連接1組18 V電源，并設(shè)置好對應(yīng)的分站號。當(dāng)工作面向前推進(jìn)15 m時(shí)(即第1組的傳感器距工作面5 m時(shí))，后移第1組傳感器到距工作面45 m處，依次交替，實(shí)現(xiàn)整個(gè)工作面地音數(shù)據(jù)采集，具體安裝如圖1所示。

圖1　安裝工藝Fig.1　Installation technology

2　沖擊地壓聲-能信息特征

2.1聲-能信息監(jiān)測數(shù)據(jù)特征分析

根據(jù)井下實(shí)際作業(yè)環(huán)境，為有效剔除外界信號對數(shù)據(jù)的干擾，避免監(jiān)測結(jié)果失真，對此作以下假設(shè)

1)工作面上覆巖層自然破斷信號不受外界信號的干擾；

2)所有外界干擾信號在一個(gè)工作班時(shí)間內(nèi)波動變化值可被接受。

基于上述2個(gè)假設(shè)，運(yùn)用SQL Sever2000查詢分析器對地音數(shù)據(jù)庫某一時(shí)間段內(nèi)的事件數(shù)和能量值進(jìn)行每小時(shí)統(tǒng)計(jì)，得出沖擊地壓貧寂期、活躍期、突變期、回穩(wěn)期對應(yīng)的聲-能狀態(tài)圖，如圖2(a)～(d)。

圖2　沖擊地壓全階段聲-能狀態(tài)Fig.2　Acoustic energy state of the whole stage of rockburst(a)貧寂期　(b)活躍期　(c)突變期　(d)回穩(wěn)期

由圖2(a)～(d)可以看出，當(dāng)圍巖活動處在貧寂期時(shí)，地音監(jiān)測系統(tǒng)幾乎接收不到大事件信號，此時(shí)表現(xiàn)圍巖穩(wěn)定。進(jìn)入活躍期，小事件信號增多，大事件活躍程度有所增加，且能量累加值不斷增大，所監(jiān)測的信息值波動范圍幅度加大。當(dāng)有明顯的應(yīng)力變化時(shí)，小事件數(shù)大幅度上升，且大事件數(shù)也比較密集，持續(xù)時(shí)間加長，出現(xiàn)應(yīng)力平衡的時(shí)間段減少，能量集聚變化。依據(jù)尖點(diǎn)突變模型[16]

∏(a)=a4+ua2+va.

(1)

可知，此時(shí)?2∏/?2a<0，即勢能取極大，系統(tǒng)狀態(tài)不穩(wěn)定，若無外界干擾，沖擊地壓將發(fā)生。隨著應(yīng)力擾動去除，既不能恢復(fù)原來的平衡位置又不能繼續(xù)增大偏離，進(jìn)入回穩(wěn)期，此時(shí)?2∏/?2a>0，即勢能取極小，系統(tǒng)狀態(tài)又達(dá)到了新的平衡，表現(xiàn)為事件數(shù)和能量累加值均回歸低態(tài)水平。

2.2聲-能信息時(shí)空分布特征分析

圖3　沖擊顯現(xiàn)地音信息時(shí)空分布特征Fig.3　Spatio-temporal distribution of acoustic information of rockburst(a)小事件　(b)大事件　(c)能量

對250103工作面9個(gè)月來壓步距、推進(jìn)距離統(tǒng)計(jì)分析，并與發(fā)生沖擊所監(jiān)測的地音信息映射于同一坐標(biāo)系下，如圖3所示。不難發(fā)現(xiàn)，發(fā)生沖擊地壓時(shí)的地音能量大多在1.0E+06J，平均來壓步距在15 m左右，尤其在推進(jìn)300 m左右時(shí)，表現(xiàn)出較高的沖擊能量，通過地質(zhì)資料分析，這與煤層埋藏傾角及見方有一定的關(guān)系。此階段沖擊顯現(xiàn)能量值高、事件發(fā)生頻繁，其中5.0E+06J以上達(dá)到83.7%，部分達(dá)到1.0E+07J能量級別。在統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)中，有25.6%的礦壓顯現(xiàn)步距在30 m以外，此類礦壓顯現(xiàn)釋放的能量普遍都在1.0E+6J以上，破壞影響力大。因此當(dāng)工作面推進(jìn)超過30 m礦壓未顯現(xiàn)時(shí)，必須采取相應(yīng)措施，對其進(jìn)行強(qiáng)制卸壓。

3　沖擊地壓聲-能預(yù)測模型及分析

3.1工業(yè)試驗(yàn)場地狀況

華亭煤礦井田共有5層煤，其中5煤可采，其余為不可采或局部可采。煤層厚度和傾角自南向北增大，平均煤厚為51.51 m.傾角為40°～50°，平均45°.據(jù)1506孔煤樣品測試結(jié)果，單向抗壓強(qiáng)度4.15～4.86 MPa，單向抗拉強(qiáng)度0.77 MPa，普氏系數(shù)0.05.地質(zhì)構(gòu)造條件簡單，但動力破壞現(xiàn)象頻發(fā)。250103工作面東部為向斜軸部，東低西高，煤層走向轉(zhuǎn)向180°，傾角為5°～8°，煤厚平均36 m；工作面南部位于背斜東翼，基本沿走向布置，較平緩，煤層底板沿走向次級褶曲發(fā)育，底板起伏不平。

3.2聲-能單指標(biāo)預(yù)測模型建立與分析

對某一時(shí)間段沖擊全過程地音監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)檢驗(yàn)，如圖4所示。可以看出，監(jiān)測所得數(shù)據(jù)基本符合正態(tài)分布特征，為此建立小事件數(shù)fmin，大事件數(shù)fmax和能量E的單項(xiàng)指標(biāo)預(yù)測模型

(2)

圖4　聲-能信息正態(tài)檢驗(yàn)效果Fig.4　Normal test of acoustic energy information

為驗(yàn)證上述模型的有效性，將華亭煤礦250103工作面連續(xù)12個(gè)月的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行單指標(biāo)沖擊危險(xiǎn)性預(yù)測分析。統(tǒng)計(jì)可得，監(jiān)測數(shù)據(jù)中地音信息小事件異常值占6.72%，大事件異常值占5.68%，能量異常值占5.29%.因此，采用上述預(yù)測模型，能對捕捉的地音聲-能信息實(shí)現(xiàn)單項(xiàng)指標(biāo)預(yù)測。

3.3聲-能綜合指標(biāo)預(yù)測分析

現(xiàn)場大量試驗(yàn)表明，沖擊地壓聲-能信息之間存在一定的對應(yīng)關(guān)系。較小圍巖裂隙必然伴隨小事件的發(fā)生，且能量值偏?。恍×严兜募眲U(kuò)張將誘發(fā)大事件的產(chǎn)生和大能量的顯現(xiàn)。

通過上述關(guān)系，對地音監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理，建立大、小事件的頻數(shù)f及能量E三類地音單項(xiàng)實(shí)時(shí)預(yù)測指標(biāo)，根據(jù)作業(yè)班及信息表征的實(shí)際要求，設(shè)定8 h的長時(shí)指標(biāo)和1 h的短時(shí)指標(biāo)，以此建立沖擊地壓聲-能信息表征因子：8 h長時(shí)指標(biāo)以及1 h短時(shí)指標(biāo)的大事件頻數(shù)Llf，小事件頻數(shù)Lsf，能量和E.其對應(yīng)指標(biāo)集合為

U{Llf，8(i)，Lsf，8(i)，Llf，1(i)，Lsf，1(i)，E8(i)，E1(i)}。利用層次分析法，得出地音聲-能信息表征公式

XAE=W1Llf，1(i)+W2Llf，8(i)+W3Lsf，1(i)+W4Lsf，8(i)+W5E1(i)+W6E8(i).

(3)

其中Wi={0.050 6，0.012 7，0.025 3，0.101 3，0.354 4，0.455 7}(i=1，2，…，6).

由以上計(jì)算結(jié)果可知：W1>W3，W2W1，W5+W6>0.5.可以得出，1h大事件頻數(shù)、8h小事件頻數(shù)、1h能量值、8h能量值對聲發(fā)射聲-能信息起關(guān)鍵作用。即：長時(shí)間段，小事件數(shù)目居多，此時(shí)是圍巖的正常活動，當(dāng)短時(shí)間內(nèi)聲發(fā)射大事件數(shù)目增多時(shí)，就有沖擊地壓發(fā)生的可能。因此，采用上述計(jì)算的權(quán)值得出的聲發(fā)射聲-能綜合指標(biāo)是合適的。

線性組合相關(guān)定律表明，n維正態(tài)隨機(jī)變量各分量的線性組合必定服從正態(tài)分布的規(guī)律，將式(3)計(jì)算所得值代入式(2)，依據(jù)礦井作業(yè)班制，利用循環(huán)滾動法，取8h為時(shí)間尺度，即可判斷當(dāng)前沖擊地壓發(fā)生的可能性。

圖5　聲-能綜合指標(biāo)Fig.5　Synthesis index of acoustic

圖6　沖擊顯現(xiàn)預(yù)測結(jié)果Fig.6　Prediction results of rockburst behaviour

提取10月25日24h時(shí)間段地音信息，按照上述方法，繪制聲-能綜合指標(biāo)曲線，如圖5所示，并以此計(jì)算出沖擊判據(jù)(圖6)。從圖6可以看出，18：30左右出現(xiàn)多組大于0的數(shù)據(jù)，表明此時(shí)間范圍內(nèi)很有可能發(fā)生沖擊顯現(xiàn)。查詢歷史事故數(shù)據(jù)庫可知，18：50回風(fēng)順槽工作面外70m范圍巷道底臌，其中端頭支架外35m范圍底臌嚴(yán)重，最大底臌高度約1.4m，綜采隊(duì)電纜被震落，靠煤壁側(cè)的單體柱傾斜，發(fā)生了沖擊顯現(xiàn)。由此可以看出，采用聲-能綜合指標(biāo)可實(shí)現(xiàn)對沖擊地壓進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測。

4　結(jié)　論

1)地音信息能有效刻畫沖擊地壓發(fā)生全過程，其數(shù)據(jù)表征分為貧寂期、活躍期、突變期、回穩(wěn)期4個(gè)階段，并滿足尖點(diǎn)突變模型，即：當(dāng)勢能取極大時(shí)，采場圍巖失穩(wěn)，有沖擊發(fā)生的可能；當(dāng)勢能取極小時(shí)，采場圍巖穩(wěn)定，無沖擊發(fā)生可能；

2)來壓步距、推進(jìn)距離與地音聲-能信息有效融合能客觀反映沖擊地壓顯現(xiàn)的時(shí)空特征，當(dāng)推進(jìn)距離大于來壓步距時(shí)，沖擊危險(xiǎn)性顯著增強(qiáng)。發(fā)生沖擊時(shí)，能量普遍都在1.0E+6J以上，破壞影響力大，必須提前采取卸壓措施；

3)地音聲-能信息符合正態(tài)分布模型，通過對聲-信息綜合分析，運(yùn)用循環(huán)滾動法，所得出了沖擊地壓聲-能綜合指標(biāo)模型可有效預(yù)測沖擊地壓發(fā)生，實(shí)現(xiàn)對沖擊災(zāi)害的超前預(yù)報(bào)。

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Prediction analysis on the spatio-temporal distribution feature of acoustic-energy information of rockburst

WANG Peng1，2，CHEN Tong1，SI Jun-hong1，SONG Chao1

(1.ShaanxiCoalandChemicalTechnologyInstituteCo.，Ltd.，Xi’an710065，China；2.CollegeofSafetyScienceandEngineering，Xi’anUniversityofScienceandTechnology，Xi’an710054，China)

According to strong bursting liability，harmful characteristics of Huating coal mine，the precursor information to realize the prediction of rockburst has been collected and analyzed.The whole process of the acoustic-energy information of rockburst was captured by acoustic emission system which was installed in the 250103 working slope.Combined pressurization distance and advancing distance，temporal and spatial characteristics analysis was made according to the performance of the acoustic emission monitoring information including four stages which were the poor stage，the active stage，the mutation stage and the stabilization stage.Acoustic-energy historical sample data was found that the abnormal value of acoustic emission for the small events accounted for 6.72%，the large events accounted for 5.68% and the energy accounted for 5.29%.Thus，the prediction model of normal distribution was fited the result.Using the analytic hierarchy process and the method of cyclic rolling，the comprehensive index and criterion of the acoustic emission monitoring information are obtained.The practice showed that the monitoring system and the forecasting method can capture the acoustic-energy information in real time and effectively describe the occurrence of the rockburst，it could have an early identification and prediction of the rockburst accident.

rockburst；acoustic-energy information；spatio-temporal feature；rockburst criterion

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0510

1672-9315(2016)05-0669-06

2016-03-14責(zé)任編輯：劉潔

王鵬(1983-)，男，陜西漢中人，工程師，博士研究生，E-mail：pengwang555@126.com

TD 713

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