回采工作面沖擊地壓聲電監(jiān)測閾值的確定

韓風(fēng)軍，高 振，任 尚，李邵東，劉 邦(.內(nèi)蒙古黃陶勒蓋煤炭責(zé)任有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 07300；2.中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 226；3.煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 226)

沖擊地壓是指煤炭資源開采過程中，采場周圍煤巖體內(nèi)積聚的彈性能以突然、劇烈的方式釋放，短時(shí)間內(nèi)對工作面設(shè)備以及巷道工程造成巨大破壞，嚴(yán)重威脅井下工作人員的安全，是煤礦重大災(zāi)害之一[1]。針對沖擊地壓的發(fā)生機(jī)理，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的基礎(chǔ)理論研究[2-5]，并提出相應(yīng)的監(jiān)測和預(yù)警方法[6-8]。

目前，沖擊地壓前兆識別與防治預(yù)警技術(shù)仍然是采礦以及巖石力學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題之一[9-12]。我國是沖擊地壓事故頻發(fā)的國家，隨著我國煤炭生產(chǎn)重心向西部地區(qū)轉(zhuǎn)移，陜西、新疆、內(nèi)蒙古等省(區(qū))礦區(qū)發(fā)生沖擊地壓的礦井?dāng)?shù)量也在不斷增加。本文研究的巴彥高勒煤礦即位于鄂爾多斯市呼吉爾特礦區(qū)，目前主采的3-1煤層煤質(zhì)堅(jiān)硬，普氏系數(shù)f為2～3，且工作面存在堅(jiān)硬厚頂板。經(jīng)鑒定3-1煤層具有中等沖擊傾向性，采用常規(guī)鉆屑法監(jiān)測煤巖體應(yīng)力存在困難，因此有必要采用聲電協(xié)同監(jiān)測技術(shù)，系統(tǒng)地掌握回采工作面煤巖體超前支承應(yīng)力的分布范圍，以及聲電監(jiān)測信號隨工作面推進(jìn)的演化特征，進(jìn)而達(dá)到對工作面前方煤巖體動力災(zāi)害危險(xiǎn)程度判別預(yù)警的目的。

1 聲電監(jiān)測法預(yù)測沖擊地壓危險(xiǎn)性原理

井下煤巖體未受采掘活動影響時(shí)，其內(nèi)部各向應(yīng)力均處于平衡狀態(tài)。采掘工作開始后，掘進(jìn)或者回采空間的形成打破了煤巖體的應(yīng)力平衡狀態(tài)，并且井下支護(hù)工作存在遲滯性，從而導(dǎo)致煤巖體內(nèi)部的原巖應(yīng)力重新分布并依次出現(xiàn)卸壓區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)和原始應(yīng)力區(qū)[13]。在此過程中，應(yīng)力產(chǎn)生的非均勻變速形變導(dǎo)致煤巖體出現(xiàn)破裂及變形，在裂紋擴(kuò)展的尖端積累的自由電荷以電磁波的形式向外不斷釋放，并伴隨有大量聲發(fā)射現(xiàn)象[14-16]。 這些信號對礦山壓力、采動活動、采動裂隙演化等有明顯的響應(yīng)，應(yīng)力越大，聲發(fā)射和電磁輻射的信號就越強(qiáng)。聲發(fā)射強(qiáng)度和電磁輻射幅值能夠有效反映采掘工作面周圍高應(yīng)力區(qū)、動壓區(qū)的位置及范圍等。通過分析電磁輻射、聲發(fā)射等信號的動態(tài)變化趨勢可對煤巖動力災(zāi)害進(jìn)行有效預(yù)警。圖1分別表示采掘工作面前方不同深度煤體所受應(yīng)力及聲電信號強(qiáng)度之間的關(guān)系。

圖1 煤巖體聲電信號強(qiáng)度與所受應(yīng)力和所處深度之間的關(guān)系Fig.1 Relationship between the strength of acoustic electromagnetic with stress and depth(資料來源：文獻(xiàn)[17])

2 工程概況

2.1 工作面概況

本文中研究的311305工作面標(biāo)高+613.2～+641.5 m，工作面傾向長為300 m，工作面走向長為2 460 m，煤層均厚為5.80 m，煤層普氏硬度系數(shù)f為2～3。工作面內(nèi)構(gòu)造簡單，頂板管理采用全部垮落法，采用掩護(hù)式液壓支架支撐工作面頂板，上下兩順槽均采用錨桿+錨索+網(wǎng)的支護(hù)方式。311305工作面內(nèi)煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

2.2 測點(diǎn)布置

為有效掌握311305工作面超前支承應(yīng)力的分布范圍和分布規(guī)律，采用YDD-16型聲電監(jiān)測儀對311305工作面的運(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽各超前400 m區(qū)域布置聲電監(jiān)測測點(diǎn)，相鄰監(jiān)測點(diǎn)的間距設(shè)置為10 m。為盡可能減少井下電器設(shè)備磁場對監(jiān)測結(jié)果的干擾，監(jiān)測時(shí)間統(tǒng)一定在檢修班。每一監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測時(shí)間為2 min，連續(xù)監(jiān)測時(shí)間為30 d，聲電監(jiān)測點(diǎn)布置示意圖如圖2所示。

表1 煤層頂?shù)装迩闆rTable 1 Characteristics of coal seam roof and floor

圖2 聲電監(jiān)測點(diǎn)布置示意圖Fig.2 Layout of the acoustic and electromagneticmonitoring points

3 回采過程中礦壓顯現(xiàn)聲電信號時(shí)空演化規(guī)律

311盤區(qū)整體采用沿空留巷技術(shù)，根據(jù)評估311305工作面臨空順槽具有中等沖擊危險(xiǎn)性。2019年11月—12月，采用聲電監(jiān)測儀對311305工作面運(yùn)輸順槽以及回風(fēng)順槽在回采過程中生產(chǎn)幫一側(cè)煤巖體聲電信號進(jìn)行采集，并分析了工作面周期來壓以及強(qiáng)礦壓前兆與聲電信號演變趨勢之間的關(guān)系，聲電信號監(jiān)測圖如圖3所示。

1) 聲發(fā)射和電磁輻射強(qiáng)度的整體變化趨勢相似，即隨著回采工作的進(jìn)行，聲發(fā)射強(qiáng)度以及電磁輻射幅值隨著時(shí)間呈現(xiàn)周期性升高和降低變化趨勢。結(jié)合現(xiàn)場的生產(chǎn)工序以及觀測到的礦壓顯現(xiàn)情況可知，聲電監(jiān)測變化趨勢的周期性變化規(guī)律與現(xiàn)場觀測到周期來壓現(xiàn)象較為吻合。

2) 由圖3(a)和圖3(c)可以看出，在工作面超前15～35 m區(qū)域，聲發(fā)射強(qiáng)度以及電磁輻射強(qiáng)度其最大平均值約為145 mV和23 mV，曲線波動明顯，出現(xiàn)多個(gè)波峰。說明該區(qū)域內(nèi)煤巖體受超前支承壓力的影響較大，在煤巖體內(nèi)部出現(xiàn)破裂事件的頻次明顯高于其他區(qū)域。在工作面超前50～150 m區(qū)域內(nèi)，聲發(fā)射和電磁輻射最大平均值約為115 mV和18 mV，在該區(qū)域內(nèi)聲電監(jiān)測信號仍存在部分峰值點(diǎn)，說明此區(qū)域煤巖體仍處于超前支承壓力的影響范圍內(nèi)。在工作面超前150 m之后，各測點(diǎn)監(jiān)測到的聲電監(jiān)測數(shù)據(jù)較低且波動趨于平緩，聲發(fā)射和電磁輻射最大平均值約為50 mV和3 mV，說明此區(qū)域煤巖體處于原巖應(yīng)力區(qū)，基本已經(jīng)處于超前支承應(yīng)力的影響范圍之外。

圖3 311305工作面回風(fēng)順槽和運(yùn)輸順槽聲電監(jiān)測信號強(qiáng)度變化圖Fig.3 Change of acoustic and electromagnetic signal strength in return air laneway andhaulage gate of 311305 work face

3) 由圖3(b)和圖3(d)可以看出，在12月11日，運(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽內(nèi)聲發(fā)射、電磁輻射信號的監(jiān)測值明顯增大，其中運(yùn)輸順槽的聲電監(jiān)測值增至423.9 mV，電磁輻射強(qiáng)度增至177.9 mV；回風(fēng)順槽的聲電監(jiān)測值分別增至425 mV和236.8 mV，且前幾日內(nèi)的聲電監(jiān)測數(shù)據(jù)呈現(xiàn)持續(xù)上升趨勢。結(jié)合工作面推進(jìn)情況，認(rèn)為是由于工作面推進(jìn)至“二次見方”區(qū)域，上區(qū)段采空區(qū)形成的殘余支承壓力與工作面超前支承壓力疊加，形成了應(yīng)力疊加場導(dǎo)致監(jiān)測區(qū)域內(nèi)煤體應(yīng)力集中，煤體破壞程度以及破壞頻次顯著增加。因此判斷311305工作面的上回風(fēng)順槽、運(yùn)輸順槽在12月11日具有較強(qiáng)的沖擊危險(xiǎn)性，采取爆破卸壓措施后，12月13號上下兩順槽的聲電監(jiān)測值又恢復(fù)到正常范圍。

綜合來看，運(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽內(nèi)觀測到的聲電信號時(shí)空演變規(guī)律均能較好地反映回采活動對順槽內(nèi)礦壓分布的影響規(guī)律。在沖擊地壓發(fā)生前兆時(shí)期，聲電監(jiān)測信號強(qiáng)度出現(xiàn)明顯異常增大現(xiàn)象。兩者之間存在很好的同步性，因此聲電協(xié)同監(jiān)測技術(shù)在預(yù)測煤巖動力災(zāi)害方面具有很好的應(yīng)用效果。

4 311305工作面聲電監(jiān)測閾值確定

由于煤巖性質(zhì)以及賦存地質(zhì)條件的差異，導(dǎo)致聲電監(jiān)測的閾值確定存在一定的模糊性[18-19]。因此，可以在模糊邏輯的基礎(chǔ)上，通過建立相應(yīng)數(shù)學(xué)模型對聲電監(jiān)測閾值進(jìn)行預(yù)測。

根據(jù)數(shù)據(jù)模糊性的隸屬原則，即設(shè)論域X為待識別對象的全體集合，X中有M個(gè)模糊集A1，A2，A3，…，AM，每個(gè)M模糊集內(nèi)包含的元素均刻畫了各個(gè)M模糊集的某種特性，且對每一個(gè)Ai，均有隸屬函數(shù)μAi(X0)=max[μA1(X0),μA2(X0),…μAM(X0)],則認(rèn)為X0隸屬于Ai。

將311305回采工作面采集到的聲發(fā)射和電磁輻射數(shù)據(jù)，按照從大到小的順序依次繪制在直方圖中，如圖4所示。直方圖的縱坐標(biāo)為該組數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)頻次，可以看出，監(jiān)測周期內(nèi)采集到的聲發(fā)射數(shù)據(jù)較多分布在25～225 mV之間，電磁輻射數(shù)據(jù)較多分布在2.5～17.5 mV之間。根據(jù)隸屬度的模糊統(tǒng)計(jì)原則，并結(jié)合聲電監(jiān)測儀防治沖擊地壓的現(xiàn)場實(shí)踐，隨著沖擊危險(xiǎn)性增大，隸屬度指標(biāo)應(yīng)在[0，1]內(nèi)變化，其值越接近1，沖擊危險(xiǎn)性越大，反之則危險(xiǎn)性越低。因此根據(jù)模糊集理論，經(jīng)計(jì)算305工作面聲發(fā)射強(qiáng)度和電磁輻射強(qiáng)度隸屬度見表2和表3。

圖4 311305工作面聲發(fā)射和電磁輻射強(qiáng)度分布直方圖Fig.4 Class histogram of acoustic and electromagnetic strength in 311305 work face

圖5為根據(jù)表2和表3得到的聲電監(jiān)測強(qiáng)度理論超限隸屬函數(shù)曲線。聲發(fā)射以及電磁輻射強(qiáng)度與隸屬度之間的關(guān)系見式(1)和式(2)。

y=0.368 7ln(x)-1.183 9

(1)

y=0.336 7ln(x)-0.492 2

(2)

根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)隸屬度μA(x0)處于0.7～0.9時(shí)預(yù)測沖擊危險(xiǎn)較為可靠，故分別取隸屬度μA(u)=0.7、0.8、0.9作為沖擊危險(xiǎn)三級臨界值。由此計(jì)算得出聲發(fā)射強(qiáng)度臨界值三級預(yù)警指標(biāo)分別為163 mV、228 mV、287 mV。利用相同方法可求得電磁輻射強(qiáng)度的沖擊危險(xiǎn)三級臨界值分別為28 mV、40 mV、73 mV。圖6(a)和圖6(b)分別表示311305工作面運(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽的聲電信號預(yù)警模型，可以看出，根據(jù)上述公式得到的閾值與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)波動具有很好的相關(guān)性，說明該模型適用于現(xiàn)場。

圖5 311305工作面理論超限隸屬函數(shù)曲線Fig.5 Membership function curve of 311305 work face

圖6 311305運(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽聲電協(xié)同監(jiān)測預(yù)警示意圖Fig.6 Early-warning method of acoustic and electromagnetic coupling monitoring onhaulage gate and return air laneway of 311305 work face

表2 311305工作面聲發(fā)射強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)Table 2 Acoustic emission strength of 311305 work face

表3 311305工作面電磁輻射強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)Table 3 Electromagnetic emission of 311305 work face

5 結(jié) 論

1) 通過現(xiàn)有監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，沖擊地壓聲電協(xié)同監(jiān)測技術(shù)可以很好地反映工作面前方超前支承壓力的集中程度以及分布范圍。通過現(xiàn)場監(jiān)測可知311305工作面前方15～30 m處為超前支承壓力增大區(qū)，此區(qū)域內(nèi)聲電監(jiān)測信號強(qiáng)度大，波形起伏明顯。工作面超前100～200 m區(qū)域，超前支承應(yīng)力逐漸變小，此區(qū)域聲電監(jiān)測信號強(qiáng)度逐漸減小，但仍有數(shù)個(gè)波峰存在這個(gè)區(qū)域。工作面超前260 m之后基本已經(jīng)處于原巖應(yīng)力區(qū)，聲電監(jiān)測信號強(qiáng)度低，波形起伏平緩。聲電監(jiān)測結(jié)果與現(xiàn)場礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)吻合度較好。

2) 依據(jù)模糊模式識別數(shù)學(xué)模型計(jì)算分別確定了311305工作面的聲發(fā)射預(yù)測沖擊危險(xiǎn)的三級預(yù)警指標(biāo)臨界值分別為163 mV、228 mV、287 mV；電磁輻射預(yù)測沖擊危險(xiǎn)的三級預(yù)警指標(biāo)臨界值分別為28 mV、40 mV、73 mV。

3) 結(jié)合以上分析結(jié)果可知，聲電監(jiān)測技術(shù)以自身非接觸、操作簡便、預(yù)測前兆明顯的優(yōu)勢在沖擊地壓監(jiān)測中據(jù)有重要應(yīng)用，運(yùn)用趨勢預(yù)測法可以直觀、高效的對煤巖體動力災(zāi)害做出預(yù)測，為煤礦安全生產(chǎn)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。