基于地音監(jiān)測的近直立煤層沖擊地壓前兆特征研究

劉昆輪，閆瑞兵

(神華新疆能源有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830027)

沖擊地壓是煤礦常見的煤巖動力災(zāi)害之一，其原因為應(yīng)力集中導(dǎo)致煤巖體內(nèi)能量積蓄，在外界動載擾動作用下誘發(fā)積蓄能量瞬間釋放，常導(dǎo)致巷道破壞、財產(chǎn)損失甚至人員傷亡[1，2]。目前沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警方法主要有微震監(jiān)測、地音監(jiān)測等。地音監(jiān)測可以監(jiān)測150Hz以上的低能量高頻震動信號，巖石發(fā)生宏觀破裂之前，會出現(xiàn)微破裂急劇發(fā)育期，微震監(jiān)測難以監(jiān)測到這種低能高頻震動信號，而地音監(jiān)測可以彌補微震監(jiān)測的不足，從沖擊危險萌芽階段進行監(jiān)測預(yù)警[3-5]。國內(nèi)學(xué)者通過實驗室煤巖破壞實驗對聲發(fā)射技術(shù)做了大量的基礎(chǔ)研究。曹樹剛等[6]研究了突出煤體在單軸壓縮和三軸壓縮條件下的聲發(fā)射特征，得出不同壓縮條件下煤體聲發(fā)射具有不同的特征；陳忠輝等[7]研究了巖石破裂聲發(fā)射過程的圍壓效應(yīng)；王恩元等[8]研究了煤巖破裂過程聲發(fā)射波形的頻譜特征。之后，我國從波蘭引進地音監(jiān)測系統(tǒng)[9]，開始將地音技術(shù)應(yīng)用于礦井實踐中。夏永學(xué)[10]、李巖[11]等采用地音異常指數(shù)來研究沖擊地壓前兆信息；王元杰等[12]利用地音技術(shù)對沖擊地壓危險進行預(yù)測；齊慶新等[6]研究不同圍巖應(yīng)力下的地音信號參量的變化特征?，F(xiàn)階段，國內(nèi)外對地音監(jiān)測的研究集中在近水平和緩傾斜煤層，鮮有對近直立煤層沖擊地壓地音規(guī)律的研究。近直立煤層因其特殊的煤層賦存條件和開采條件，沖擊地壓前兆地音規(guī)律將與近水平煤層和緩傾斜煤層有所不同[13-15]。本文基于典型的近直立煤層歷次沖擊地壓，來識別近直立煤層沖擊地壓地音前兆規(guī)律，為地音監(jiān)測在近直立煤層的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 工作面概況

烏東煤礦位于八道灣向斜南翼，含煤地層是中侏羅統(tǒng)的西山窯組，呈北東—南西向帶狀展布。烏東煤礦南采區(qū)賦存有B1+2和B3+6煤層，兩煤層傾角在85°～90°，屬于典型的近直立煤層，兩煤層之間為厚度50～100m的中間巖柱?，F(xiàn)開采+450m水平B3+6和B1+2工作面，采深為400m，B3+6工作面超前B1+2工作面開采，煤層賦存及開采情況如圖1所示。B3+6工作面西北部為頂板，東南部為中間巖柱以及B1+2工作面，采用水平分段放頂煤采煤方法，分段高度為25m，其中割煤厚度為3m，放煤高度為22m，工作面采過后由黃土進行填充。最大水平主應(yīng)力方向總體上為西北—東南，最大主應(yīng)力約為自重應(yīng)力1.74～1.90倍，呈現(xiàn)出明顯的水平構(gòu)造應(yīng)力場特征。

圖1 煤層賦存及開采情況

2 地音監(jiān)測系統(tǒng)及探頭布置方案

烏東煤礦裝備有KJ623地音監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用布置在工作面的高頻傳感器，實時捕捉煤巖體內(nèi)的地音信號，并傳輸至監(jiān)測分站采集儀，采集儀對信號進行處理之后傳入采集主機，主機將地音信號的能量和脈沖次數(shù)表現(xiàn)出來，用來表征地音信號的大小、多少等，由此來反映煤巖體內(nèi)部受力情況。

KJ623地音監(jiān)測系統(tǒng)自2013年投入運行以來，傳感器布置一直隨著工作面的推進而移動，一般傳感器布置在工作面推進100m范圍內(nèi)，布置在煤體、頂板或底板上，隔30m布置一個。不同時期地音監(jiān)測傳感器的布置方案有所不同?！?1·24”沖擊地壓和“2·1”沖擊地壓前的地音傳感器布置方案如2(a)所示，9-1和9-2傳感器均布置在B6巷側(cè)的煤體上?！?·26”沖擊地壓前的布置方案如圖2(b)所示，9-4和9-6傳感器布置在頂板上，9-2和9-3傳感器布置在B6巷側(cè)的煤體上。

3 近直立煤層沖擊地壓地音演化規(guī)律

3.1 礦壓顯現(xiàn)情況

烏東煤礦+450水平B3+6工作面開采期間共發(fā)生過三次大的礦壓顯現(xiàn)，沖擊位置、范圍、形式如圖3所示，礦壓顯現(xiàn)破壞情況見表1。由圖3和表1可看出：

圖2 地音監(jiān)測傳感器布置方案

圖3 B3+6工作面歷次沖擊地壓破壞位置

1)三次沖擊地壓造成的巷道破壞范圍不同，分別為155m、212m和75m。從破壞位置來看，沖擊破壞均集中在超前工作面0～200m范圍內(nèi)，大部分集中在0～100m范圍內(nèi)，說明超前工作面0～200m范圍內(nèi)沖擊危險性較高。

2)巷道破壞形式有底鼓、幫鼓、頂板下沉、肩窩下沉，以幫鼓和底鼓為主。從變形程度來看，南幫幫鼓大于北幫，B6巷南幫在煤體側(cè)，B3巷南幫在底板側(cè)，這一現(xiàn)象的出現(xiàn)與中間巖柱對B3+6煤層的撬動作用具有一定的關(guān)系。

表1 礦壓顯現(xiàn)破壞情況

3)從巷道破壞程度來看，B6巷破壞程度大于B3巷。B6巷靠近B3+6工作面頂板，B3巷靠近中間巖柱，在一定程度上說明頂板是礦壓顯現(xiàn)的重要因素。

基于烏東煤礦三次沖擊地壓規(guī)律的分析結(jié)果，以布置在B6巷的傳感器采集的地音數(shù)據(jù)作為研究對象，以此研究急傾斜煤層礦壓顯現(xiàn)前后地音演化規(guī)律。

3.2 沖擊地壓前后地音演化規(guī)律

煤巖體內(nèi)部發(fā)生宏觀破裂，可能誘導(dǎo)煤巖內(nèi)部集中的應(yīng)力波瞬間釋放，造成沖擊顯現(xiàn)。煤巖體宏觀破裂之前有煤巖體內(nèi)部微觀裂隙的發(fā)展貫通[13]，微破裂大量出現(xiàn)的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象使得地音信號大量產(chǎn)生。地音事件能量和脈沖次數(shù)的大小反應(yīng)了煤巖內(nèi)部微破裂強度的大小。地音事件的能量和脈沖次數(shù)作為反應(yīng)煤巖體內(nèi)部微破裂強度的參量，對于沖擊地壓前兆信息的研究具有重要意義。

烏東煤礦地音傳感器布置于工作面超前支架100m范圍內(nèi)，巷道兩側(cè)共布置6個。基于烏東煤礦+450水平三次礦壓顯現(xiàn)事件，以5d為時間窗，研究地音能量和脈沖次數(shù)演化規(guī)律。工作面歷次大的礦壓顯現(xiàn)地音能量和脈沖次數(shù)演化規(guī)律分別如圖4和圖5所示。

從地音事件能量趨勢來看，地音能量在礦壓顯現(xiàn)前兩天先經(jīng)歷一個能量相對較低且波動趨勢較小的過程，屬于地音事件活動性的平靜期。在經(jīng)歷了一個地音事件平靜期后，在礦壓顯現(xiàn)當(dāng)日出現(xiàn)能量快速上升的趨勢，礦壓顯現(xiàn)發(fā)生時，地音能量達到一個高峰，地音事件活動性的快速增強，預(yù)示著煤巖體內(nèi)部微破裂頻發(fā)，容易產(chǎn)生宏觀破裂誘導(dǎo)沖擊地壓發(fā)生。從5d時間窗來看，地音能量在礦壓顯現(xiàn)前4天先出現(xiàn)波動較大的區(qū)段。

從地音事件脈沖次數(shù)趨勢來看，在礦壓顯現(xiàn)之前4天時間窗內(nèi)脈沖次數(shù)變化幅度較大。在礦壓顯現(xiàn)發(fā)生前4天，脈沖次數(shù)趨勢由大幅度波動向平穩(wěn)過渡或由平穩(wěn)過渡到大幅度波動。

地音能量在礦壓顯現(xiàn)前的演化規(guī)律說明沖擊地壓前煤巖體內(nèi)部微破裂活動經(jīng)歷三個時期，活動強烈期—活動平靜期—活動強烈期。地音活動由平靜期向強烈期轉(zhuǎn)變之后，極易誘導(dǎo)沖擊地壓產(chǎn)生。地音事件由活動平靜期向強烈期轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象可以作為沖擊地壓前兆信息。

圖4 沖擊地壓前后地音能量演化規(guī)律

圖5 沖擊地壓前后地音脈沖次數(shù)演化規(guī)律

4 結(jié) 論

1)礦壓顯現(xiàn)造成的巷道破壞位置主要集中在超前工作面0～200m，B6頂板巷破壞程度大于B3底板巷，破壞形式以幫鼓為主，沖擊地壓主要影響因素為B6巷頂板巖層以及B3+6和B1+2煤層之間的巖柱。

2)礦壓顯現(xiàn)發(fā)生前地音事件活動經(jīng)歷三個時期：強烈期—平靜期—強烈期。地音活動由平靜期向強烈期轉(zhuǎn)變時，極易發(fā)生沖擊地壓。地音事件活動性由平靜期向強烈期轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象可以作為沖擊地壓前兆信息。