回采工作面沖擊地壓聲電監測閾值的確定

韓風軍，高 振，任 尚，李邵東，劉 邦(.內蒙古黃陶勒蓋煤炭責任有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 07300；2.中國礦業大學，江蘇 徐州 226；3.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 226)

沖擊地壓是指煤炭資源開采過程中，采場周圍煤巖體內積聚的彈性能以突然、劇烈的方式釋放，短時間內對工作面設備以及巷道工程造成巨大破壞，嚴重威脅井下工作人員的安全，是煤礦重大災害之一[1]。針對沖擊地壓的發生機理，國內外學者開展了大量的基礎理論研究[2-5]，并提出相應的監測和預警方法[6-8]。

目前，沖擊地壓前兆識別與防治預警技術仍然是采礦以及巖石力學等相關領域的熱點問題之一[9-12]。我國是沖擊地壓事故頻發的國家，隨著我國煤炭生產重心向西部地區轉移，陜西、新疆、內蒙古等省(區)礦區發生沖擊地壓的礦井數量也在不斷增加。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，目前主采的3-1煤層煤質堅硬，普氏系數f為2～3，且工作面存在堅硬厚頂板。經鑒定3-1煤層具有中等沖擊傾向性，采用常規鉆屑法監測煤巖體應力存在困難，因此有必要采用聲電協同監測技術，系統地掌握回采工作面煤巖體超前支承應力的分布范圍，以及聲電監測信號隨工作面推進的演化特征，進而達到對工作面前方煤巖體動力災害危險程度判別預警的目的。

1 聲電監測法預測沖擊地壓危險性原理

井下煤巖體未受采掘活動影響時，其內部各向應力均處于平衡狀態。采掘工作開始后，掘進或者回采空間的形成打破了煤巖體的應力平衡狀態，并且井下支護工作存在遲滯性，從而導致煤巖體內部的原巖應力重新分布并依次出現卸壓區、應力集中區和原始應力區[13]。在此過程中，應力產生的非均勻變速形變導致煤巖體出現破裂及變形，在裂紋擴展的尖端積累的自由電荷以電磁波的形式向外不斷釋放，并伴隨有大量聲發射現象[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，應力越大，聲發射和電磁輻射的信號就越強。聲發射強度和電磁輻射幅值能夠有效反映采掘工作面周圍高應力區、動壓區的位置及范圍等。通過分析電磁輻射、聲發射等信號的動態變化趨勢可對煤巖動力災害進行有效預警。圖1分別表示采掘工作面前方不同深度煤體所受應力及聲電信號強度之間的關系。

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

2 工程概況

2.1 工作面概況

本文中研究的311305工作面標高+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f為2～3。工作面內構造簡單，頂板管理采用全部垮落法，采用掩護式液壓支架支撐工作面頂板，上下兩順槽均采用錨桿+錨索+網的支護方式。311305工作面內煤層頂底板情況見表1。

2.2 測點布置

為有效掌握311305工作面超前支承應力的分布范圍和分布規律，采用YDD-16型聲電監測儀對311305工作面的運輸順槽和回風順槽各超前400 m區域布置聲電監測測點，相鄰監測點的間距設置為10 m。為盡可能減少井下電器設備磁場對監測結果的干擾，監測時間統一定在檢修班。每一監測點的監測時間為2 min，連續監測時間為30 d，聲電監測點布置示意圖如圖2所示。

表1 煤層頂底板情況Table 1 Characteristics of coal seam roof and floor

圖2 聲電監測點布置示意圖Fig.2 Layout of the acoustic and electromagneticmonitoring points

3 回采過程中礦壓顯現聲電信號時空演化規律

311盤區整體采用沿空留巷技術，根據評估311305工作面臨空順槽具有中等沖擊危險性。2019年11月—12月，采用聲電監測儀對311305工作面運輸順槽以及回風順槽在回采過程中生產幫一側煤巖體聲電信號進行采集，并分析了工作面周期來壓以及強礦壓前兆與聲電信號演變趨勢之間的關系，聲電信號監測圖如圖3所示。

1) 聲發射和電磁輻射強度的整體變化趨勢相似，即隨著回采工作的進行，聲發射強度以及電磁輻射幅值隨著時間呈現周期性升高和降低變化趨勢。結合現場的生產工序以及觀測到的礦壓顯現情況可知，聲電監測變化趨勢的周期性變化規律與現場觀測到周期來壓現象較為吻合。

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

圖3 311305工作面回風順槽和運輸順槽聲電監測信號強度變化圖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，運輸順槽和回風順槽內聲發射、電磁輻射信號的監測值明顯增大，其中運輸順槽的聲電監測值增至423.9 mV，電磁輻射強度增至177.9 mV；回風順槽的聲電監測值分別增至425 mV和236.8 mV，且前幾日內的聲電監測數據呈現持續上升趨勢。結合工作面推進情況，認為是由于工作面推進至“二次見方”區域，上區段采空區形成的殘余支承壓力與工作面超前支承壓力疊加，形成了應力疊加場導致監測區域內煤體應力集中，煤體破壞程度以及破壞頻次顯著增加。因此判斷311305工作面的上回風順槽、運輸順槽在12月11日具有較強的沖擊危險性，采取爆破卸壓措施后，12月13號上下兩順槽的聲電監測值又恢復到正常范圍。

綜合來看，運輸順槽和回風順槽內觀測到的聲電信號時空演變規律均能較好地反映回采活動對順槽內礦壓分布的影響規律。在沖擊地壓發生前兆時期，聲電監測信號強度出現明顯異常增大現象。兩者之間存在很好的同步性，因此聲電協同監測技術在預測煤巖動力災害方面具有很好的應用效果。

4 311305工作面聲電監測閾值確定

由于煤巖性質以及賦存地質條件的差異，導致聲電監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上，通過建立相應數學模型對聲電監測閾值進行預測。

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

將311305回采工作面采集到的聲發射和電磁輻射數據，按照從大到小的順序依次繪制在直方圖中，如圖4所示。直方圖的縱坐標為該組數據的統計頻次，可以看出，監測周期內采集到的聲發射數據較多分布在25～225 mV之間，電磁輻射數據較多分布在2.5～17.5 mV之間。根據隸屬度的模糊統計原則，并結合聲電監測儀防治沖擊地壓的現場實踐，隨著沖擊危險性增大，隸屬度指標應在[0，1]內變化，其值越接近1，沖擊危險性越大，反之則危險性越低。因此根據模糊集理論，經計算305工作面聲發射強度和電磁輻射強度隸屬度見表2和表3。

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

圖5為根據表2和表3得到的聲電監測強度理論超限隸屬函數曲線。聲發射以及電磁輻射強度與隸屬度之間的關系見式(1)和式(2)。

y=0.368 7ln(x)-1.183 9

(1)

y=0.336 7ln(x)-0.492 2

(2)

根據現場經驗，當隸屬度μA(x0)處于0.7～0.9時預測沖擊危險較為可靠，故分別取隸屬度μA(u)=0.7、0.8、0.9作為沖擊危險三級臨界值。由此計算得出聲發射強度臨界值三級預警指標分別為163 mV、228 mV、287 mV。利用相同方法可求得電磁輻射強度的沖擊危險三級臨界值分別為28 mV、40 mV、73 mV。圖6(a)和圖6(b)分別表示311305工作面運輸順槽和回風順槽的聲電信號預警模型，可以看出，根據上述公式得到的閾值與現場監測數據波動具有很好的相關性，說明該模型適用于現場。

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

圖6 311305運輸順槽和回風順槽聲電協同監測預警示意圖Fig.6 Early-warning method of acoustic and electromagnetic coupling monitoring onhaulage gate and return air laneway of 311305 work face

表2 311305工作面聲發射強度統計Table 2 Acoustic emission strength of 311305 work face

表3 311305工作面電磁輻射強度統計Table 3 Electromagnetic emission of 311305 work face

5 結 論

1) 通過現有監測數據可以看出，沖擊地壓聲電協同監測技術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。通過現場監測可知311305工作面前方15～30 m處為超前支承壓力增大區，此區域內聲電監測信號強度大，波形起伏明顯。工作面超前100～200 m區域，超前支承應力逐漸變小，此區域聲電監測信號強度逐漸減小，但仍有數個波峰存在這個區域。工作面超前260 m之后基本已經處于原巖應力區，聲電監測信號強度低，波形起伏平緩。聲電監測結果與現場礦壓監測數據吻合度較好。

2) 依據模糊模式識別數學模型計算分別確定了311305工作面的聲發射預測沖擊危險的三級預警指標臨界值分別為163 mV、228 mV、287 mV；電磁輻射預測沖擊危險的三級預警指標臨界值分別為28 mV、40 mV、73 mV。

3) 結合以上分析結果可知，聲電監測技術以自身非接觸、操作簡便、預測前兆明顯的優勢在沖擊地壓監測中據有重要應用，運用趨勢預測法可以直觀、高效的對煤巖體動力災害做出預測，為煤礦安全生產打下堅實的基礎。