深部礦井應力主導型煤巖瓦斯動力災害聲發射監測預警方法

李建功

(1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039；2.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037；3.重慶大學 資源與安全學院，重慶 400044)

隨著我國礦井逐漸向深部延伸，深部開采條件下煤與瓦斯突出、沖擊地壓等煤巖動力災害發生機理愈加復雜，瓦斯、地應力及煤體結構等對動力災害的作用以及各因素之間的耦合關系也更加復雜，尤其是以地應力為主導的煤巖瓦斯動力災害的發生頻率和災害程度將急劇增加[1-7]。目前普遍采用的反映瓦斯解吸特征的K1值、Δh2和鉆屑量S等接觸式預測指標在礦井深部開采條件下的敏感性出現了較大變化，預測準確性相對降低，出現了低指標下發生動力災害的情況；加之這些預測方法是點監測，占用作業時間，受人為因素影響較大，不能實現實時連續性監測[8-9]。因此，急需尋求一種可以對深部開采條件下煤巖瓦斯動力災害進行實時動態、智能化準確預測的非接觸式連續預測技術。煤巖動力災害聲發射預測技術[5-16]是一種具有廣泛應用前景的非接觸式連續預測技術，可實現對動力災害的實時連續監測預警，無需人工現場測試，尤其適用于以地應力為主導的煤巖瓦斯動力災害的監測預警。

平煤礦區開采深度已達800～1 100 m，應力主導型煤巖瓦斯動力災害越發顯現，常規的接觸式預測指標對深部開采條件下此類災害的敏感性變弱，災害預測準確性降低，缺乏更為有效的災害預測手段。在此背景下，鑒于平煤礦區深部開采地應力主導型煤巖瓦斯動力災害的特點，以平煤十礦己15-24080采面為研究地點，采用聲發射監測預警技術對工作面應力演化作用下煤巖體釋放的前兆信息進行連續監測，研究建立適用于深部礦井應力主導型煤巖瓦斯動力災害的聲發射監測預警方法，實現對礦井工作面應力主導型動力災害的連續監測預警，為礦井安全生產提供可靠保障。

1 試驗地點概況

平煤股份十礦是煤與瓦斯突出礦井，是河南省礦井絕對瓦斯涌出量最大的礦井，主采的丁組、戊組、己組三組煤均為突出煤層，迄今為止共發生有記錄的煤與瓦斯突出50次。所發生的煤與瓦斯突出大多發生在地質構造破壞帶、斷層和突出條帶內，突出點多表現為地應力異常且未得到充分的釋放，煤層埋藏深、煤層瓦斯壓力大，煤層賦存異常以及瓦斯賦存不均衡等現象。目前十礦己組、戊組三水平埋深900 m左右，隨著采掘深度的不斷加大，地應力不斷增加，以地應力為主導的煤巖瓦斯動力現象日趨顯現。

平煤股份十礦己15-24080回采工作面(圖1)位于十礦己四采區，地面標高+150～+270 m，工作面標高-460.8～-629.5 m，埋深631～900 m，有效走向長1 579 m，傾斜長205.3～219.8 m，平均215 m，主采己15煤層，外段己15與己16合層，煤層厚度1.6～2.6 m，平均2.2 m，煤層傾角10～37 °，平均24 °。己15煤層直接頂為4.6～14 m的砂質泥巖含薄層狀碳質泥巖，上為大于18 m的細至中粒砂巖，直接底為0～7.5 m的泥巖，東薄西厚，其下為1.2～1.6 m的己16煤層；己16煤層直接底為1.1～1.5 m的泥巖，其下為2.2～2.9 m的己17煤層，再下為大于20 m的砂質泥巖及灰巖。己15煤為塊狀硬煤及粉狀軟煤，軟煤的堅固性系數0.2～0.6，煤的破壞類型Ⅱ、Ⅲ，瓦斯放散初速度6.84～7.53 L/min，采面里段己15煤層原始瓦斯壓力2.23 MPa，瓦斯12.37 m3/t，外段己15-16合層區，煤層原始瓦斯壓力2.4 MPa，瓦斯含量19.83 m3/t。工作面構造復雜，無線電波坑透法勘探有21處異常區域，機、風巷掘進期間揭露的落差大于1.0 m的斷層共有8條。工作面采用走向長壁后退式綜合機械化采煤方法，全部垮落法管理頂板。

圖1 己15-24080回采工作面工程平面圖

該工作面具有采深大、瓦斯大、應力高、地質構造復雜等特點，且工作面機、風巷掘進和回采期間，在鉆孔瓦斯涌出初速度q、鉆屑量S等常規突出危險性預測指標未超標情況下(q值處于2.5 L/min左右，S值處于3.8 kg/m左右)仍發生響煤炮、噴孔、卡鉆、瓦斯涌出異常、片幫等現象，反映出這些常規指標對動力現象的反應不夠敏感，已經不能及時、準確可靠地反映工作面前方存在的突出危險。

2 聲發射監測預警工藝

2.1 聲發射監測預警原理

煤巖瓦斯動力災害的發生都有一個從量變到質變的過程，即煤(巖)從微小破裂到破壞的過程。在該過程中，煤巖變形、破裂、破壞時應變能的釋放會以應力波的形式在煤巖體中傳播，即煤巖體聲發射現象。通過在采掘工作面安裝聲發射監測系統，實時采集、分析煤巖體內的聲發射信號特征參數指標變化特征、規律、趨勢和災害前兆信息，實現煤巖動力災害的連續監測預警。

2.2 聲發射實時監測預警系統構建

采用中煤科工集團重慶研究院有限公司自主研發的YSFS(A)型礦井動力災害聲發射實時監測系統(圖2)在己15-24080采面構建聲發射監測系統，整個系統形成一個地面與井下相交互的多通道并行的實時監控網絡，由井下聲發射監測主機對聲發射傳感器采集的海量聲發射信號進行原位處理，處理結果經安全監控網絡傳輸至地面上位機，實現對工作面煤巖動力災害的實時監測、超前預警，有效克服傳統預測方法“短兵相接”、點預測、工程量大和人為因素多等缺點。

圖2 YSFS(A)聲發射監測系統搭建示意圖

利用聲發射監測系統連續跟蹤監測己15-24080采面回采，實時捕捉工作面回采過程中出現的煤巖瓦斯動力災害的聲發射前兆信息，分析聲發射信號特征參數指標變化，對工作面動力災害進行實時判識預警。

2.3 聲發射傳感器安裝工藝

聲發射傳感器安裝效果的好壞直接影響著傳感器接收聲發射信號的能力和噪音的阻隔效果[6]。中煤科工集團重慶研究院有限公司在多年的現場應用研究中，形成了波導器安裝方式和孔底安裝方式2類聲發射傳感器的安裝方式。波導器安裝方式安裝便捷，能回收利用，適合在外界作業噪聲干擾少的空間環境下使用。孔底安裝方式需要施工一定深度的鉆孔，將聲發射傳感器安裝在煤巖體內部，孔口進行隔噪處理，能夠很大程度上隔絕外界干擾噪聲，并根據現場安裝鉆孔角度的不同，形成了水泥注漿固定安裝方法和叉式固定安裝方法，如圖3所示。

圖3 聲發射傳感器孔底安裝方式

根據己15-24080采面的煤層賦存情況，分別在機巷采用上向孔叉式固定孔底安裝方法，在風巷采用下向孔水泥注漿孔底安裝方法，距離工作面前方50 m位置處各超前預埋1個聲發射傳感器，聲發射傳感器隨著采面的推進按30 m一個監測循環同步超前安裝。

2.4 聲發射特征參數指標選取

聲發射信號是一種脈沖式波形信號，其特征參數指標較多，如振鈴計數、事件數、能量、振幅、信號持續時間等。通過對己15-24080采面作業過程中聲發射信號特征參數變化規律綜合分析[8,12]確定了振鈴計數與能量兩個敏感指標預測該工作面煤巖瓦斯動力災害。通過振鈴計數的變化可以看出工作面煤巖體的活動性情況，通過能量指標的變化可以看出煤巖體活動過程中的能量釋放情況。因此現場監測中，采用聲發射振鈴計數和能量兩個指標相結合的方法對該工作面的煤巖瓦斯動力災害進行監測預警。

3 煤巖瓦斯動力災害聲發射前兆模式及判識預警方法

聲發射是煤巖變形和破裂過程中產生的應力波現象，煤巖變形和破裂的進程與應力大小、煤巖強度等有著密切關系。通過對聲發射信號變化規律的分析，不僅可以掌握工作面應力活動情況，而且可以進一步提取動力災害發生的前兆模式，建立煤巖動力災害聲發射判識方法，進而超前預測動力災害的發生。

3.1 煤巖瓦斯動力災害聲發射前兆模式

3.1.1 煤樣受載破壞聲發射前兆模式

不同煤巖材料，其組成、結構不同，在外界作用下發生破壞失穩過程中聲發射的演化特征也不同。在實驗室開展了煤樣單軸壓縮破壞過程的聲發射演化特征研究[6,17-18]。煤樣取自平煤十礦己15-24080工作面，按照國際巖石力學學會試樣制作標準，沿垂直層理方向加工成φ50 mm×100 mm圓柱體試樣，試樣兩端不平行度小于0.05 mm。采用TAW2000微機控制巖石三軸試驗機進行單軸壓縮，加載速率為0.005 mm/min，同步進行聲發射監測。煤樣破壞過程的聲發射特征參數演化曲線和應力演化曲線如圖4和圖5所示。

圖4 平煤十礦己15煤層1#煤試樣單軸壓縮聲發射指標演化曲線

圖5 平煤十礦己15煤層2#煤試樣單軸壓縮聲發射指標演化曲線

通過圖4和圖5可以看出，隨著應力的增加，聲發射活動性逐步增加，聲發射特征參數不斷增加，在應力峰值附近達到最大；之后聲發射活動性逐步減弱，聲發射特征參數也逐漸降低，直至煤樣發生破壞。

因此，平煤十礦己15煤層的煤樣破壞過程中聲發射整體表現為“上升-峰值-下降”的演化特征。煤巖破壞過程中聲發射特征參數不斷增加，煤樣破壞發生在聲發射特征參數變化曲線的下降段，也就是說煤樣發生破壞前的聲發射前兆模式可以表述為指標“先上升后下降”的模式。

3.1.2 工作面煤巖瓦斯動力災害聲發射前兆模式

對己15-24080工作面發生的兩次應力主導型煤巖擠出動力災害進行分析。兩次災害發生區域埋深約700 m，均位于礦山CT應力分布中的高應力水平區域，且循環內區域驗證時鉆孔瓦斯涌出初速度q和鉆屑量S均未超標，瓦斯涌出比較平穩，無明顯異常。災害發生后，工作面均出現了不同程度的煤巖擠動外移、劈裂、片幫、底鼓(見圖6)，并伴隨瓦斯涌出超限現象。

圖6 災害發生區域的部分現場圖片

兩次災害發生前后的聲發射特征參數指標變化曲線如圖7所示。由圖可以看出，兩次動力災害發生前均存在明顯的聲發射前兆特征。災害發生前，兩個聲發射特征參數指標均出現較大幅度的波動，數值均顯著高于正常情況下指標所處水平，整體上均呈逐漸升高的趨勢，且動力災害均發生在聲發射指標整體演化曲線的下降階段。聲發射前兆模式同樣可以表述為指標“先上升后下降”的前兆模式，這也與3.1.1節所述實驗室煤樣加載試驗所反映出的聲發射前兆模式一致。

圖7 己15-24080回采工作面災害發生前后聲發射特征參數變化曲線圖

3.2 動力災害聲發射判識預警方法

通過大量試驗數據的統計分析發現，當聲發射振鈴計數大于50個或能量指標大于5×103mV2時，工作面有煤巖擠動外移、劈裂、底鼓等動力現象發生。鑒于動力現象發生前均存在明顯的指標上升趨勢的前兆特征，應采用“靜態臨界值與動態趨勢預警”相結合的方式進行動力災害聲發射判識預警，即當聲發射振鈴計數或能量指標超過給定臨界值時，要結合指標動態變化趨勢進行災害的綜合判識預警。

對圖7中的聲發射特征參數指標進一步分析發現，在聲發射指標變化曲線的上升段，當聲發射振鈴計數大于50個或能量指標大于5×103mV2時，出現了3個不同峰值階段，且相鄰峰值間的增長幅度均超過50%。因此，根據以上表述的煤巖瓦斯動力災害聲發射預警方法及前兆模式，并結合現場監測的聲發射指標大小及工作面實際發生的動力現象，綜合分析給出平煤十礦己15-24080工作面煤巖瓦斯動力災害聲發射判識預警準則，如表1所示。

表1 己15-24080回采工作面煤巖瓦斯動力災害聲發射判識預警準則

4 應用效果

聲發射監測系統在己15-24080工作面構建運行后，工作面常規預測指標q(最大1.7 L/min)、S(最大3.5 kg/m)均未出現超標現象，在應用初期超前監測預警了多次應力主導的煤巖擠出伴隨瓦斯大幅超限災害。聲發射監測系統發出的超前預警信號為工作面應力主導型煤巖瓦斯動力災害防治措施的超前安排提供了有力的依據[6,8,19]，有效彌補了礦井工作面災害預測手段的不足。之后，礦方將聲發射監測指標確定為評判工作面是否具有煤與瓦斯突出危險性的主要指標，當聲發射監測系統發出災害預警信息后，己15-24080工作面通過及時采取深孔爆破、超前排放、注水等解危措施，及時消除了工作面的突出災害隱患，工作面沒有再發生煤與瓦斯突出等煤巖瓦斯動力災害，產量也逐漸達到6萬t/月，增加近3倍，確保了工作面的安全高效回采。

5 結論

1)應力主導型煤巖瓦斯動力災害發生前，聲發射振鈴計數和能量指標整體上均呈逐漸升高的趨勢，且動力災害發生在聲發射指標整體演化曲線的下降階段。聲發射前兆指標呈現為“先上升后下降”的模式。

2)提出“靜態臨界值與動態趨勢預警”相結合的煤巖瓦斯動力災害聲發射判識預警方法，確定聲發射振鈴計數和能量兩個特征參數指標的關聯預警臨界值，建立了工作面應力主導型煤巖瓦斯動力災害聲發射判識預警準則。

3)構建的己15-24080回采工作面地面與井下相交互的多通道并行的智能化煤巖瓦斯動力災害聲發射實時監測預警系統，實現了對深部礦井應力主導型煤巖瓦斯動力災害的超前監測預警，提高了災害預警的準確性和可靠性，為深部開采條件下礦井煤巖瓦斯動力災害的監測預警提供了有效的技術手段。