地音監(jiān)測技術(shù)在煤礦沖擊地壓預(yù)警中的應(yīng)用研究

姚明遠(yuǎn)，馬 偉，曹麗娜，張國鋒，姜 峰

(1.尤洛卡(山東)礦業(yè)科技有限公司，山東 泰安 271000；2.教育部煤礦監(jiān)測技術(shù)研究中心礦山災(zāi)害預(yù)防控制重點(diǎn)實(shí)驗室，山東 泰安 271000)

0 引 言

近年來，隨著我國煤礦開采深度的日益增加，越來越多的煤礦受到?jīng)_擊地壓的威脅[1-3]，為了應(yīng)對與研究沖擊地壓，許多煤礦安裝了微震監(jiān)測系統(tǒng)，但由于微震監(jiān)測系統(tǒng)主要監(jiān)測的是低頻高能事件，適用于大范圍監(jiān)測和長期危險評估，區(qū)域預(yù)警效果較差[4-7]。而地音監(jiān)測技術(shù)監(jiān)測對象為沖擊地壓發(fā)生前煤巖體內(nèi)部的微破裂發(fā)育情況，通過監(jiān)測地音事件參數(shù)指標(biāo)的變化，用以確定監(jiān)測范圍內(nèi)煤巖體的應(yīng)力狀態(tài)，以此作為沖擊地壓是否發(fā)生的預(yù)警信號[8-11]。國內(nèi)外學(xué)者對沖擊地壓的地音預(yù)警信號進(jìn)行了大量的研究，夏永學(xué)[12]認(rèn)為判斷某一觀測異常是否屬于前兆異常，應(yīng)將沖擊地壓地音前兆信息識別方法建立在沖擊地壓機(jī)理分析的基礎(chǔ)上并將沖擊地壓典型地音模式劃分為3種類型，即頂板斷裂型、采動高應(yīng)力型和斷層活化型；王元杰等[13-14]利用地音監(jiān)測系統(tǒng)對頂板巨厚巖層的運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行了研究，對其破斷進(jìn)行了預(yù)測，并通過對華亭煤礦的地音監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，得到了地音參量與礦壓顯現(xiàn)之間的變化規(guī)律。在使用地音監(jiān)測技術(shù)對工作面進(jìn)行監(jiān)測時，一方面，由于工作面地質(zhì)、采煤方式等存在不同，地音預(yù)警信號也存在一定的差異性，需要技術(shù)人員在使用時，結(jié)合現(xiàn)場情況進(jìn)行歸納整理，尋找適用于實(shí)際情況的地音預(yù)警信號的規(guī)律和特點(diǎn)；另一方面，地音預(yù)警信號中也存在一定的規(guī)律，但由于前期總結(jié)的規(guī)律過于籠統(tǒng)，無法直接用于現(xiàn)場實(shí)際。筆者借助于沖擊啟動原理[15]，將沖擊地壓的地音信號劃分為3種類型，第1種為沖擊啟動位置與沖擊顯現(xiàn)位置都位于地音傳感器監(jiān)測范圍內(nèi)；第2種為沖擊啟動位置位于地音傳感器監(jiān)測范圍內(nèi)，而沖擊顯現(xiàn)位置位于地音傳感器監(jiān)測范圍外；第3種為沖擊顯現(xiàn)位置位于地音傳感器監(jiān)測范圍內(nèi)，而沖擊啟動位置位于地音傳感器監(jiān)測范圍外。沖擊地壓的監(jiān)測預(yù)警主要針對于沖擊啟動階段，因此地音系統(tǒng)對沖擊地壓的預(yù)警類型主要體現(xiàn)在第1、2種類型，這兩種類型的主要區(qū)別在于沖擊地壓顯現(xiàn)時的地音信號的不同，而從沖擊地壓地音預(yù)警信號的角度來看，兩者給予的地音預(yù)警信號是相同的，因而，此處僅對第1種類型進(jìn)行地音信號分析。其中第1種類型又可以根據(jù)監(jiān)測區(qū)域的載荷類型細(xì)分為集中動載荷型、集中靜載荷型、動靜載疊加型。筆者通過對多個礦井地音信號的分析，主要研究了第1種類型下的集中動載荷型地音信號，并對部分規(guī)律性的內(nèi)容具體化，以方便于現(xiàn)場應(yīng)用。

1 地音監(jiān)測技術(shù)簡介(以KJ623系統(tǒng)為例)

1.1 地音監(jiān)測技術(shù)原理

地音現(xiàn)象是隨著煤巖體被逐漸加壓，其內(nèi)在微缺陷被壓裂、擴(kuò)展或閉合，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定規(guī)模、煤巖體受載強(qiáng)度接近其破壞強(qiáng)度時，開始出現(xiàn)大范圍裂隙貫通的現(xiàn)象。

地音監(jiān)測技術(shù)的原理是通過接收煤巖體介質(zhì)內(nèi)部在有載荷作用下發(fā)生微破裂時的聲波，掌握微破裂發(fā)生的時間、位置和強(qiáng)度，在時間、空間和強(qiáng)度上分析煤巖體破裂過程中各階段的力學(xué)行為與煤巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化之間的關(guān)系，探索主破裂發(fā)生的前兆信息和破裂后的演化規(guī)律。其所監(jiān)測的地音事件能量較弱，震動頻率較高，在300～2 000 Hz，即低能高頻信號。

1.2 系統(tǒng)功能

KJ623煤礦用沖擊地壓地音監(jiān)測系統(tǒng)是采用地音監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行礦井沖擊危險性評估的專用設(shè)備，利用監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)對現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，其監(jiān)測區(qū)域一般集中在主要生產(chǎn)空間(主要包括回采工作面和掘進(jìn)工作面)。應(yīng)用該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)較弱震動事件進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，經(jīng)過系統(tǒng)軟件的統(tǒng)計分析后，可以對監(jiān)測區(qū)域當(dāng)前的危險等級進(jìn)行評估。

地音信號的多少、大小等指標(biāo)的變化反映了煤巖體的受力情況，表征了煤巖體內(nèi)部變形或破壞的情況，故通過對地音信號的采集、處理、分析和研究可以推斷煤巖體內(nèi)部的形態(tài)變化。

1.3 系統(tǒng)測點(diǎn)的布置與安裝

KJ623煤礦用沖擊地壓地音監(jiān)測系統(tǒng)采用總分式結(jié)構(gòu)，主要由地音傳感器、變送器、監(jiān)測分站、地面主機(jī)等構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與組成Fig.1 System structure and composition

測點(diǎn)的合理布置對于煤巖體地音信號的有效監(jiān)測至關(guān)重要，地音傳感器的安裝與布置內(nèi)容包括：圈定監(jiān)測區(qū)域與傳感器有效接收范圍、傳感器安裝位置、傳感器安裝結(jié)構(gòu)、傳感器安裝層位及安裝深度等。根據(jù)監(jiān)測內(nèi)容(頂板活動、煤層片幫或破裂)的不同，地音傳感器的安裝位置也應(yīng)有所不同。系統(tǒng)可用于監(jiān)測回采工作面，也可用于掘進(jìn)巷道。

工作面布置方式如圖2所示?？拷ぷ髅孀罱膫鞲衅髋c工作面保持40～100 m，其余傳感器間距應(yīng)選擇40～50 m為宜，另外，隨著開采進(jìn)度的推進(jìn)，需要移動傳感器。KJ623地音傳感器具有M20的螺紋接口，可直接擰在支護(hù)錨桿上，安裝、拆卸簡單方便，變更傳感器位置時，取下傳感器，將取下的傳感器安裝在距離工作面最遠(yuǎn)的傳感器之后50 m左右的支護(hù)錨桿上即可(圖2)。

圖2 地音傳感器安裝示意Fig.2 Sketch of sock sound sensor on the working face

2 第1種類型下的集中動載荷型地音預(yù)警信號規(guī)律分析

2.1 地音信號理論研究

根據(jù)引言中的分類原則，將地音監(jiān)測系統(tǒng)接收到的地音信號分為3種類型，其中第1種類型又可細(xì)分為集中動載荷型地音信號、集中靜載荷型地音信號、動靜載疊加型地音信號。此外，根據(jù)動靜載、能量釋放主體，沖擊地壓類型可分為頂板型沖擊地壓、煤柱型沖擊地壓、斷層型沖擊地壓、褶曲型沖擊地壓。因此，第1種類型下的集中動載荷型地音信號的預(yù)警主要針對于頂板型沖擊地壓以及斷層型沖擊地壓。

巖石單軸受壓條件下的全程應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3所示[16]。曲線可劃分為5個階段，即O—A段，A—B段，B—C段，C—D段，D—段。結(jié)合相應(yīng)的地音試驗情況，以下將從2個角度(微觀角度以及宏觀角度)對巖石單軸受壓情況以及地音試驗情況進(jìn)行闡述，O—A段為壓密階段，微觀表現(xiàn)為巖石試件原始裂隙的閉合；A—B段為線彈性階段，微觀表現(xiàn)為巖石試件的彈性變形，該階段符合Hook定律；B—C段為彈塑性過渡階段，微觀表現(xiàn)為巖石試件的微破裂開始產(chǎn)生并不斷擴(kuò)展，宏觀變現(xiàn)為體積由壓縮轉(zhuǎn)向膨脹，此階段是地音產(chǎn)生的主要階段，也是地音儀器監(jiān)測的主要階段，隨著應(yīng)力的不斷增大，微破裂不斷產(chǎn)生、變大，地音信號也逐漸變強(qiáng)，甚至有可能達(dá)到儀器監(jiān)測的能量最大值；C—D段為塑性階段，微觀表現(xiàn)為裂隙的加速擴(kuò)展并貫通，宏觀表現(xiàn)為體積的加速膨脹，該階段通常伴隨有大能量的釋放，且能量值通常已超過地音儀器可監(jiān)測的最大能量值，但由于大的能量釋放時總是伴隨有很多較小的能量，因而，地音儀器的監(jiān)測數(shù)據(jù)通常在其所能監(jiān)測能量的最大值附近；D—段為破壞階段，宏觀表現(xiàn)為巖石的沖擊破壞，破壞后的巖石仍有一定的承載能力，該階段的地音信號特點(diǎn)與巖石試件巖性有關(guān)。

圖3 巖石的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)糖€Fig.3 Complete stress-strain curve of rock

當(dāng)?shù)匾裟芰繑?shù)據(jù)出現(xiàn)某一較大數(shù)值時，表明此時巖石產(chǎn)生了較大的微裂隙，同時，如果地音頻次較多或持續(xù)時間較長，說明巖石此時積累了較多較大的微裂隙，假如這種情況持續(xù)發(fā)生，巖石較大的裂隙不斷產(chǎn)生，裂隙就會產(chǎn)生擴(kuò)展、貫通，巖石最終達(dá)到破壞。不同的巖石試件[17]，甚至相同巖性試件的不同層理[18]，在進(jìn)行單軸受壓試驗時，地音信號也會略有不同，但不同的巖石試件在極限強(qiáng)度前都會出現(xiàn)一段地音信號的活躍期，而多數(shù)巖石在其單軸受壓試驗的彈塑性變形階段會出現(xiàn)地音的活躍期，因而，準(zhǔn)確捕捉到這個活躍期，可實(shí)現(xiàn)地音對沖擊地壓的預(yù)警作用。

依據(jù)沖擊啟動原理，煤巖體中的靜載荷與礦震形成的動載荷疊加之和大于誘發(fā)煤巖體沖擊破壞的最小載荷時，就會誘發(fā)沖擊地壓，即：

σj+σd≥σbmin

(1)

式中：σj為靜載荷；σd為動載荷；σbmin為沖擊破壞最小載荷。

當(dāng)沖擊地壓的發(fā)生主要由動載荷引起時，沖擊啟動階段的能量主要由σd提供，σj的作用在沖擊地壓的啟動階段貢獻(xiàn)極少，其數(shù)值大小遠(yuǎn)低于煤巖體的破壞極限，其載荷情況如圖4所示。

圖4 動載荷型沖擊地壓載荷情況Fig.4 Situation of pressure at dynamic load type rock burst

圖4為動載荷型沖擊地壓發(fā)生的機(jī)理圖，圖中陰影區(qū)為煤巖體所受載荷大于其強(qiáng)度極限的區(qū)域，由圖4可知，在沖擊地壓啟動階段，僅動載荷所提供的能量就已大于煤巖體沖擊破壞所需的最小能量，從而導(dǎo)致沖擊地壓的發(fā)生。

在對第1種類型下的集中動載荷型地音信號的監(jiān)測中，由于動載荷的特殊性，與靜載荷逐漸增大不同，其具有突然性，初始階段的能量也會很快達(dá)到地音所能監(jiān)測到的能量范圍高峰位置，在監(jiān)測曲線上表現(xiàn)為能量曲線快速達(dá)到監(jiān)測峰值區(qū)域，當(dāng)能量釋放長時間維持在高能量區(qū)域時，說明監(jiān)測區(qū)域煤巖體有較大的破裂情況，并且有失穩(wěn)的可能。

2.2 案例介紹

案例一。2016年11月24日約8時，新疆某煤礦南采區(qū)450B3+6工作面回風(fēng)巷發(fā)生小型沖擊事件，沖擊位置位于超前工作面區(qū)域，該區(qū)域處于9-1傳感器監(jiān)測范圍內(nèi)。事件造成沖擊區(qū)域巷道產(chǎn)生較大變形(其中，巷道頂?shù)装逡平考s1 500 mm，兩幫移近量約2 800 mm)，同時造成一人受傷。

該煤礦南采區(qū)450B3+6工作面主采B3+6煤層，煤層最大厚度52.30 m，最小厚度39.85 m，平均厚度48.87 m，內(nèi)含夾矸4～20層，夾矸總厚0.08～4.40 m，有益厚度為44.99 m。煤層傾角86°～89°，平均87°，屬于急傾斜特厚煤層。450B3+6工作面采用急傾斜水平分層綜采放頂煤開采方法，后退式回采方式，全部垮落法處理頂板。

此次事件中，地音監(jiān)測系統(tǒng)起到了準(zhǔn)確的預(yù)警作用，如圖5所示。

圖5 450B3+6工作面9-1傳感器地音曲線Fig.5 Sock sound curve of 450B3+6 working face

從傳感器地音信號的變化情況來看，9-1傳感器接收到的能量(頻次)異常信號從11月22日13：30左右開始，11月25日13：10左右結(jié)束，能量值約20 000/min，頻次約為50/min，如圖3所示。另外，從地音曲線還了解到，該事件區(qū)域處的圍巖直到11月25日13時10分左右才真正穩(wěn)定。

此次事件發(fā)生區(qū)域的工作面開采方式為急傾斜水平分層綜合放頂煤開采，后退式回采方式，全部跨落法處理頂板。地音信號的特點(diǎn)為初始處于穩(wěn)定信號狀況，之后地音數(shù)值迅速上升至較高數(shù)值(能量約20 000/min，頻次約50/min)，且保持約40 h，之后便發(fā)生小型沖擊，沖擊后煤巖體繼續(xù)緩慢運(yùn)動，尋找應(yīng)力平衡點(diǎn)。在此次地音對巷道的監(jiān)測中，地音信號提前約40個小時監(jiān)測到危險信號。

案例二。2013年10月24日約10時，甘肅某煤礦47208工作面回風(fēng)巷420 m附近發(fā)生沖擊事件，沖擊區(qū)域最大片幫深度約1 500 mm，片幫寬度約3 000 mm，自工作面向回風(fēng)巷延伸約40 m范圍內(nèi)出現(xiàn)頂板下沉，頂板最大下沉量約1 200 mm。47208工作面煤層呈單斜構(gòu)造，埋深為435～500 m，工作面煤層平均傾角36.5°，煤層平均厚度10.3 m，煤層結(jié)構(gòu)較簡單。47208工作面采用急傾斜特厚煤層走向長壁綜采放頂煤采煤法，全部跨落法管理頂板，黃泥灌漿處理采空區(qū)。

圖6 47208工作面?zhèn)鞲衅鞯匾羟€Fig.6 Sock sound curve of 47208 working face

圖6為該煤礦沖擊事件地音監(jiān)測曲線。47208工作面的地音監(jiān)測系統(tǒng)安裝后，能量、頻次數(shù)值皆處在安全范圍內(nèi)，地音監(jiān)測曲線顯示，從10月22日約22時起，地音監(jiān)測系統(tǒng)回風(fēng)巷4號傳感器數(shù)據(jù)發(fā)生急劇增加現(xiàn)象(能量值約21 600/min，頻次約20/min)。10月24日約10時沖擊事件發(fā)生后，地音信號逐漸降低至正常水平。

此次事件中，地音信號初始處于穩(wěn)定信號狀況，之后地音數(shù)值迅速上升至較高數(shù)值(能量約21 600/min，頻次約20/min)，且保持約36 h，之后便發(fā)生小型沖擊，沖擊后，煤巖體繼續(xù)緩慢運(yùn)動，尋找應(yīng)力平衡點(diǎn)。在此次地音對巷道的監(jiān)測中，地音信號提前約36 h監(jiān)測到危險信號。

2.3 集中動載荷型地音預(yù)警信號規(guī)律分析

從新疆450B3+6工作面的沖擊事件，到甘肅47208工作面的沖擊事件，雖然事件發(fā)生的地質(zhì)條件、工作面的開采方式等差別很大，但我們?nèi)钥梢詮氖录锌偨Y(jié)出地音信號的變化規(guī)律：①從微震系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果得知，2個礦的沖擊事件中，沖擊啟動位置、沖擊顯現(xiàn)位置都在地音傳感器的監(jiān)測范圍之內(nèi)，另外，從地音信號變化特點(diǎn)來看，信號具有突然上升的特點(diǎn)，為集中動載荷型，因而判定兩礦的沖擊事件屬于第1種模式下的集中動載荷型，同時這也說明了兩個事件出現(xiàn)地音預(yù)警信號如此類似的原因。②在這種類型下，當(dāng)?shù)匾裟芰亢皖l次穩(wěn)定在正常數(shù)值周圍時，地音傳感器監(jiān)測區(qū)域應(yīng)力變化較為穩(wěn)定，煤巖體處于安全狀態(tài)；當(dāng)能量突然升高到約20 000/min 時，沖擊啟動區(qū)域應(yīng)力變化明顯，微破裂事件的破壞強(qiáng)度大，且達(dá)到集中動載荷破壞預(yù)警，當(dāng)頻次突然增大到40/min時，微破裂事件的頻次較大，此時該區(qū)域的微破裂事件較為活躍，在此種能量強(qiáng)度和頻次下，一般如果持續(xù)時間大于8 h，積聚的能量有突然釋放的可能，此時工作面處于危險狀態(tài)。③沖擊發(fā)生后，能量頻次恢復(fù)正常數(shù)值水平有2種形式，一是繼續(xù)保持一段時間異常數(shù)值后，突然跳至正常數(shù)值；二是繼續(xù)保持一段時間異常數(shù)值后，從異常數(shù)值漸變?yōu)檎?shù)值。④該類型沖擊地壓的地音信號的最大特點(diǎn)為，地音信號由正常數(shù)值到異常數(shù)值是一個突變信號，且沖擊地壓發(fā)生前預(yù)警時間較長，一般大于8 h；沖擊地壓發(fā)生后，能量、頻次仍將保持一段時間異常數(shù)值，待煤巖體應(yīng)力重新達(dá)到平衡時，地音信號才恢復(fù)到正常水平。

3 結(jié) 論

1)以KJ623煤礦用地音監(jiān)測系統(tǒng)為例，介紹了地音監(jiān)測技術(shù)的技術(shù)原理、功能、測點(diǎn)的布置與安裝等相關(guān)問題。

2)以新疆某礦450B3+6工作面，甘肅某礦47208工作面為例，通過查看兩工作面沖擊事件前的地音信號，總結(jié)出第1種類型下的集中動載荷型地音預(yù)警信號規(guī)律。即地音能量和頻次值穩(wěn)定在正常數(shù)值周圍時，工作面處于安全狀態(tài)。當(dāng)數(shù)值突然升高至一異常數(shù)值(能量約20 000 min，頻次約40 min)時，且持續(xù)較長時間(一般大于8 h)時，工作面處于危險狀態(tài)。

3)借助于沖擊啟動原理，將地音預(yù)警信號分為3種類型，并對第1種類型下的集中動載荷型地音預(yù)警信號規(guī)律進(jìn)行了詳細(xì)研究，研究表明，該類型沖擊地壓的地音信號的最大特點(diǎn)為，地音信號由正常數(shù)值到異常數(shù)值是突變信號，沖擊地壓發(fā)生前預(yù)警時間較長，一般大于8 h；沖擊地壓發(fā)生后，能量、頻次仍將保持一段時間異常數(shù)值，待煤巖體應(yīng)力重新達(dá)到平衡時，地音信號才恢復(fù)到正常數(shù)值水平。其他情況的地音預(yù)警類型將作為以后研究的方向，從而完善與提高沖擊地壓地音預(yù)警信號的理論依據(jù)和可靠性。