煤巷掘進(jìn)突出危險(xiǎn)聲發(fā)射監(jiān)測效果考察與應(yīng)用

胡 杰

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶市沙坪壩區(qū)，400037；2.煤礦災(zāi)害防控全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶市沙坪壩區(qū)，400037)

0 引言

隨著礦井災(zāi)害治理技術(shù)及裝備的不斷發(fā)展與進(jìn)步，煤礦機(jī)械化、自動化以及智能化水平逐步提升[1-2]，煤礦災(zāi)害事故起數(shù)及規(guī)模得到了有效控制且成效顯著[3-4]。但伴隨采掘深度、速度以及規(guī)模的不斷擴(kuò)大，煤礦災(zāi)害事故防控受到了新的沖擊與挑戰(zhàn)[5-6]。受煤層賦存多變性、應(yīng)力運(yùn)移復(fù)雜性、超前探測存在一定的盲區(qū)等多因素影響[7]，突出礦井煤巷掘進(jìn)仍是突出事故的高發(fā)點(diǎn)，尤其是地質(zhì)條件更為復(fù)雜的西南礦區(qū)[8-9]，如2023年1—2月期間，貴州省煤礦連續(xù)發(fā)生了3起煤巷掘進(jìn)面突出事故，由此說明煤巷掘進(jìn)突出危險(xiǎn)有效防控仍是突出礦井的重點(diǎn)工作[10-11]。根據(jù)現(xiàn)行《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》[12]要求，礦井主要采用兩個“四位一體”進(jìn)行煤與瓦斯突出預(yù)測與防治，但傳統(tǒng)預(yù)測指標(biāo)相對單一、多以反饋瓦斯因素的指標(biāo)為主，且測定過程受人為因素影響較大，測定準(zhǔn)確性受到影響，并給掘進(jìn)連續(xù)性帶來影響。瓦斯、應(yīng)力及地質(zhì)融合的煤巷掘進(jìn)工作面突出預(yù)警缺乏[13]，而聲發(fā)射預(yù)測技術(shù)具備超前、非接觸、連續(xù)等特點(diǎn)[14-15]，可有效反饋采掘應(yīng)力變化，在監(jiān)測裝備、監(jiān)測工藝[16]及信號濾噪[17]方面已取得一定研究成果，因此根據(jù)煤礦瓦斯災(zāi)害嚴(yán)重程度的地域性差異，筆者以貴州安晟能源大方煤業(yè)有限公司(以下簡稱“小屯煤礦”)為試驗(yàn)礦井，開展煤巷掘進(jìn)過程中突出危險(xiǎn)性聲發(fā)射監(jiān)測效果考察與應(yīng)用。

1 試驗(yàn)工作面概況

小屯煤礦位于貴州省畢節(jié)市大方縣城南部，井田范圍南北長3.5 km、東西寬2.1 km，面積約6.737 9 km2，開采深度+1 350～+1 620 m，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力120萬t/a，其中一期為60萬t/a，含可采及局部可釆煤層6層，一期主要開采6上、6中、6下和7號煤層等上部煤層。試驗(yàn)開展前結(jié)合小屯煤礦采掘部署情況，選取正在進(jìn)行煤巷掘進(jìn)作業(yè)的16中13運(yùn)輸巷(以下簡稱“13運(yùn)輸巷”)為試驗(yàn)工作面。

13運(yùn)輸巷煤巷掘進(jìn)工作面位于井田一采區(qū)南翼16中13回采工作面內(nèi)，工作面埋深約300 m，標(biāo)高+1 385～+1 420 m，東南面設(shè)計(jì)為16中15工作面。在13運(yùn)輸巷下方垂距25～30 m、平距約29 m處布置13運(yùn)輸巷底抽巷，并已完成掘進(jìn)及巷道布置，如圖1所示。13運(yùn)輸巷設(shè)計(jì)長度1 580 m，采用綜掘方式沿6中煤層底板掘進(jìn)，并采用錨索+錨網(wǎng)噴結(jié)合的工藝進(jìn)行巷道支護(hù)，試驗(yàn)開展前已掘進(jìn)約1 230 m，本次現(xiàn)場試驗(yàn)在待掘進(jìn)范圍段內(nèi)開展。

圖1 小屯煤礦16中13工作面巷道布置示意

16中13工作面主采6中煤層，煤層平均傾角2°，平均煤厚2.28 m，煤層存在一定幅度的起伏變化。根據(jù)參數(shù)測定結(jié)果，6中煤層最大瓦斯壓力0.96 MPa，煤的堅(jiān)固性系數(shù)0.49，屬于突出煤層，其原始瓦斯含量為12.107 5 m3/t。13運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面采用穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶瓦斯作為區(qū)域防突措施，掘進(jìn)期間通過鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值及鉆屑量S值預(yù)測工作面突出危險(xiǎn)性，當(dāng)測值超過臨界值時，補(bǔ)充施工超前排放鉆孔作為局部防突措施。根據(jù)小屯煤礦突出預(yù)測敏感指標(biāo)及臨界值考察結(jié)果，鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值敏感性優(yōu)于鉆屑量S，其臨界值為0.45 ml/(g·min1/2)。

2 監(jiān)測系統(tǒng)布置與安裝

2.1 監(jiān)測系統(tǒng)簡介

本研究采用中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司自主研發(fā)的煤巖動力災(zāi)害聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測效果考察，該系統(tǒng)主要由地面服務(wù)器、監(jiān)測軟件、信號傳輸電纜、孔內(nèi)監(jiān)測傳感器、傳感器推送安裝裝置、一體式信號采集主機(jī)與電源等機(jī)構(gòu)組成[16]，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。系統(tǒng)具有聲發(fā)射信號自動采集、信號實(shí)時傳輸、數(shù)據(jù)實(shí)時分析、危險(xiǎn)性超前預(yù)警等無人值守功能，與《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》(第四條、第八十六條)、《貴州省煤礦瓦斯防治綜合管理辦法》(第二十條)等相配套，支持煤礦災(zāi)害綜合預(yù)警以及災(zāi)害防治智能化、無人化需要。

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 監(jiān)測系統(tǒng)安裝

監(jiān)測系統(tǒng)安裝主要包括監(jiān)測軟件安裝、地面服務(wù)器安裝、井下監(jiān)測主機(jī)安裝、聲發(fā)射傳感器安裝、線纜布設(shè)及信號并網(wǎng)傳輸?shù)?。先將監(jiān)測軟件安裝在地面服務(wù)器上并完成調(diào)試，隨后經(jīng)現(xiàn)場協(xié)商將地面服務(wù)器安裝在小屯煤礦通防科，通過分配礦方網(wǎng)段內(nèi)固定IP實(shí)現(xiàn)地面服務(wù)器與井下環(huán)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸。井下監(jiān)測主機(jī)安裝在井下車場機(jī)電硐室內(nèi)，并通過光纖、交換機(jī)與井下主環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)并網(wǎng)，最后利用信號傳輸線纜將傳感器內(nèi)監(jiān)測信號傳輸至井下監(jiān)測主機(jī)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測信號的井上下實(shí)時互聯(lián)互通。

結(jié)合13運(yùn)輸巷布置情況以及傳感器安裝工藝研究結(jié)果[17]，聲發(fā)射監(jiān)測傳感器通過13運(yùn)輸巷底板巷施工的穿層鉆孔進(jìn)行安裝，鉆孔孔徑94 mm，終孔點(diǎn)位于6中煤層頂板且鉆孔軌跡不在掘進(jìn)輪廓線范圍內(nèi)，傳感器安裝示意如圖3所示，穿層鉆孔施工完畢后利用四分管將聲發(fā)射監(jiān)測傳感器輸送至孔底，并通過可伸縮式彈性倒爪結(jié)構(gòu)進(jìn)行固定，最后在孔口處利用馬麗散進(jìn)行封孔，避免巷道內(nèi)干擾噪聲進(jìn)入試驗(yàn)鉆孔內(nèi)，以此完成監(jiān)測傳感器的安裝與固定。

圖3 監(jiān)測傳感器安裝示意

3 試驗(yàn)考察及現(xiàn)場應(yīng)用

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際，在13運(yùn)輸巷底板巷施工穿層鉆孔，在13運(yùn)輸巷煤巷掘進(jìn)工作面前方布設(shè)了4個監(jiān)測傳感器，每個傳感器對應(yīng)的巷道監(jiān)測范圍劃定為一個監(jiān)測考察循環(huán)，傳感器安裝情況見表1，監(jiān)測循環(huán)劃分情況如圖4所示。通過監(jiān)測循環(huán)1考察聲發(fā)射信號特征參數(shù)隨掘進(jìn)變化的情況，同時對比分析掘進(jìn)過程中突出預(yù)測指標(biāo)、瓦斯涌出以及實(shí)際揭露煤層等情況，考察確立聲發(fā)射預(yù)警指標(biāo)的臨界值。根據(jù)循環(huán)1考察確立的預(yù)警指標(biāo)臨界值，在循環(huán)2至循環(huán)4監(jiān)測區(qū)段進(jìn)行現(xiàn)場驗(yàn)證，并對日常掘進(jìn)進(jìn)行輔助指導(dǎo)及應(yīng)用。

表1 監(jiān)測傳感器安裝

圖4 監(jiān)測循環(huán)劃分示意

根據(jù)前期研究基礎(chǔ)，本次試驗(yàn)以聲發(fā)射能量指標(biāo)進(jìn)行考察與應(yīng)用。由于聲發(fā)射屬于被動式信號采集，信號產(chǎn)生周期具備隨機(jī)性與不確定性，因此為便于統(tǒng)計(jì)以及提高數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性，以2 h為基礎(chǔ)時間點(diǎn)計(jì)算能量平均值，同時為避開監(jiān)測距離對監(jiān)測信號的影響，選取監(jiān)測系統(tǒng)中嵌入的能量均值累計(jì)值的趨勢判識指標(biāo)Ken為預(yù)警指標(biāo)進(jìn)行現(xiàn)場考察及應(yīng)用。

3.1 初期試驗(yàn)考察

由表1可知，循環(huán)1監(jiān)測區(qū)段為13運(yùn)輸巷里程1 275～1 317 m，即本系統(tǒng)開始監(jiān)測時，13運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面與CHN1傳感器距離為42 m?？紤]預(yù)測指標(biāo)測點(diǎn)的位置因素，將預(yù)測指標(biāo)最大測定值的測點(diǎn)位置與班次掘進(jìn)進(jìn)尺相對應(yīng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，通過整理得出掘進(jìn)該區(qū)段期間的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值、班次瓦斯最大濃度與預(yù)警指標(biāo)的對比曲線，如圖5、圖6所示。

圖5 監(jiān)測循環(huán)1中預(yù)警指標(biāo)Ken與鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)對比曲線

圖6 監(jiān)測循環(huán)1中預(yù)警指標(biāo)Ken與瓦斯?jié)舛葘Ρ惹€

由圖5可知，監(jiān)測循環(huán)1內(nèi)鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值共測定5次，其中有2次測定值超過了礦方考察臨界值0.45 ml/(g·min1/2)，最大測定值達(dá)0.51 ml/(g·min1/2)，由此說明具備突出可能性；而在2次高值測點(diǎn)前2～3個班，趨勢判識指標(biāo)Ken也出現(xiàn)了高值，說明趨勢判識指標(biāo)Ken與瓦斯解吸指標(biāo)K1值具有一致性與超前性。由圖6可知，班次瓦斯?jié)舛惹€在監(jiān)測循環(huán)1內(nèi)均未出現(xiàn)超限情況，即瓦斯涌出較為正常。監(jiān)測循環(huán)1內(nèi)Ken值超過1.5出現(xiàn)2次、1.4～1.5出現(xiàn)1次、1.3～1.4出現(xiàn)3次，因此對比K1值異常次數(shù)，確立趨勢判識指標(biāo)Ken臨界值為1.5。

3.2 現(xiàn)場應(yīng)用

根據(jù)初期考察試驗(yàn)確立的趨勢判識指標(biāo)Ken的臨界值，在監(jiān)測循環(huán)2至監(jiān)測循環(huán)4進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，監(jiān)測范圍為巷道里程1 317～1 403 m，聲發(fā)射系統(tǒng)共監(jiān)測51個班次，判識結(jié)果為異常的共5次，其余正?！，F(xiàn)場實(shí)際情況表明：煤巷掘進(jìn)工作面瓦斯?jié)舛葻o超限，即瓦斯涌出正常；礦井日常預(yù)測指標(biāo)測定結(jié)果中鉆屑量S值正常無超標(biāo)情況，鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值共超過其考察臨界值3次，即出現(xiàn)3次測定值結(jié)果異常，同時在循環(huán)2末段以及循環(huán)3初段巷道揭煤煤層處出現(xiàn)軟分層情況，如圖7所示。現(xiàn)場應(yīng)用期間巷道揭煤的地質(zhì)情況示意如圖8所示。

圖7 掘進(jìn)工作面煤體異常斷面

圖8 現(xiàn)場應(yīng)用期間煤巷地質(zhì)情況示意

將監(jiān)測結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行對比分析，結(jié)果見表2。

表2 監(jiān)測結(jié)果異常情況對比分析

由表2可以看出，監(jiān)測預(yù)警結(jié)果異常班次中，中間3次異常為連續(xù)3個班，因此3個班次的監(jiān)測異常結(jié)果可視為1次判識異常，即聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)預(yù)警次數(shù)與實(shí)際出現(xiàn)異常次數(shù)相符。2022年3月28日早班Ken達(dá)到3.32，聲發(fā)射預(yù)警結(jié)果為異常，早班結(jié)束后累計(jì)進(jìn)尺為1 342 m，對比K1值測定數(shù)據(jù)，在里程為1 348 m的測點(diǎn)位置K1值為0.58 ml/(g·min1/2)，超過考察K1值臨界值0.45ml/(g·min1/2)，出現(xiàn)異常且實(shí)際揭露煤層出現(xiàn)了軟分層，現(xiàn)場情況與聲發(fā)射監(jiān)測結(jié)果一致，對比預(yù)警班次掘進(jìn)位置與預(yù)測指標(biāo)超臨界值的測點(diǎn)位置可知，監(jiān)測系統(tǒng)可超前6 m給出異常判識結(jié)果。

同理，3月24日早班、3月31日中班分別超前了4.6、4.0 m給出了異常判識結(jié)果。由此說明聲發(fā)射監(jiān)測結(jié)果為異常后，試驗(yàn)煤巷再掘進(jìn)4～6 m后現(xiàn)場出現(xiàn)異常(測點(diǎn)位置預(yù)測指標(biāo)測定值異?；虻刭|(zhì)異常)，驗(yàn)證了考察確立的Ken臨界值是合理有效的。

綜上所述，現(xiàn)場應(yīng)用期間聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)可超前4～6 m就可發(fā)出預(yù)警信息的目標(biāo)，預(yù)警結(jié)果與實(shí)際相符，監(jiān)測效果可靠，可應(yīng)用于煤巷掘進(jìn)突出危險(xiǎn)性監(jiān)測預(yù)警領(lǐng)域，為煤巷安全高效掘進(jìn)提供一種有效監(jiān)測手段。

4 結(jié)論

(1)基于小屯煤礦16中13回采工作面巷道布置情況，通過上向穿層鉆孔超前布設(shè)聲發(fā)射監(jiān)測傳感器，構(gòu)建了集“井下信號無損采集——數(shù)字信號并網(wǎng)傳輸——井上實(shí)時監(jiān)測預(yù)警”于一體的井上下聯(lián)動聲發(fā)射監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。

(2)提取能量特征參數(shù)趨勢判識指標(biāo)為預(yù)警指標(biāo)，消除了監(jiān)測距離對聲發(fā)射監(jiān)測信號影響；通過分析掘進(jìn)期間聲發(fā)射預(yù)警指標(biāo)與鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值、班次瓦斯?jié)舛认嚓P(guān)關(guān)系，確立了預(yù)警指標(biāo)Ken的臨界值。

(3)現(xiàn)場應(yīng)用期間驗(yàn)證了預(yù)警指標(biāo)Ken臨界值的準(zhǔn)確性，聲發(fā)射系統(tǒng)監(jiān)測預(yù)警結(jié)果與礦井實(shí)際情況相符、效果可靠，實(shí)現(xiàn)了超前4～6 m發(fā)出預(yù)警信息，可作為工作面突出危險(xiǎn)性預(yù)測的一種有效手段進(jìn)行應(yīng)用。