基于地音監測的沖擊后危險性實時評價技術研究

李 巖，王 偉，顧穎詩，吳 震，沈家宇

(1. 中煤科工開采研究院有限公司，北京市朝陽區，100013；2.煤炭科學研究總院開采研究分院，北京市朝陽區，100013；3. 內蒙古昊盛煤業有限公司，內蒙古自治區鄂爾多斯市，017000)

0 引言

近年來隨著我國淺部煤炭資源的逐漸減少，煤礦開采深度正逐漸向深部延伸。山東礦區多個礦井的開采深度已經達到1 000 m，鄂爾多斯礦區新建井工礦井的初始采深已達600～700 m。深部礦井基礎靜載荷較高，受井下采掘活動的擾動影響易引起局部應力集中超過支護體的極限，進而引發沖擊地壓災害，威脅人員和采掘設備的安全[1-4]。

為了實現對沖擊地壓的有效防治和超前預警，國內外諸多學者對沖擊地壓的預警進行了大量研究。文獻[5-7]研究了微震監測信號的前兆預警信息；文獻[8-10]研究了電磁輻射在沖擊風險礦井的預測方法和電測輻射特性；文獻[11-15]研究了沖擊地壓發生前的地音前兆信息并進行了預警；文獻[16-18]研究了震動場、應力場多種監測方法聯合的預警方法。這些研究在沖擊地壓超前監測預警方面取得大量的有效成果，并且在現場應用中對部分沖擊地壓實現了超前預警，避免了沖擊地壓災害對人員、設備的危害。但是在動載荷沖擊評價方面，以往研究主要依靠的微震監測方法多以班次、天為數據分析周期，難以滿足現場在沖擊發生后危險性實時評價及時性的需求。為此，筆者針對沖擊地壓發生后沖擊現場危險性實時評價及時性這一問題，基于地音監測提出了沖擊地壓發生后地音實時評價技術，將沖擊危險性評價的周期縮短至小時級別。

胡家河煤礦401102綜采工作面回風巷在2014年9月9日14時15分發生一起沖擊地壓事故，釋放能量為2.7×105J；在事故發生后于當日16時23分，在沖擊現場附近區域再次發生一起1.2×105J的微震事件。上述數據表明，在沖擊地壓發生后，沖擊現場仍存在二次沖擊地壓的潛在危險性，雖然二次沖擊地壓的能量和破壞性相對降低，但仍能對現場救援人員的安全產生威脅。

1 沖擊地壓發生后相關區域地音活動特征

為獲知沖擊地壓發生后地音活動的特征，分別采用實驗室巖石單軸壓縮聲發射實驗和現場監測數據實測的方法對沖擊地壓發生前后巖石或煤巖體內的地音活動變化情況進行研究。

1.1 實驗室巖石單軸壓縮聲發射實驗

實驗室巖石單軸壓縮聲發射變化如圖1所示。實驗數據表明，巖石內的聲發射活動與應力的變化呈正相關關系。隨著壓力的增加，巖石試件在C點破壞后，試件內部的聲發射現象并未立即消失，聲發射振鈴計數(頻次)和能量與B點之前相比仍然處于一個較高的水平，微小劈裂仍然在一個比較高的活動性上，表明巖石試件在破壞后，其內部的微小破裂并立即停止，仍然處于發育狀態，直至D點之后巖石徹底破壞，實驗停止后，聲發射現象歸零。基于此實驗結果在煤礦現場可利用巖體首次破壞(一般以高能事件的發生為標志)之后巖體內仍然持續發生的聲發射活動對沖擊地壓發生后井下巷道的危險性進行實時評價。

圖1 實驗室巖石單軸壓縮聲發射變化

1.2 煤礦現場沖擊地壓發生后地音活動的特點

與實驗室相比，煤礦現場影響因素較多，二者之間的監測結果存在不同程度的差別，為更加準確分析沖擊地壓發生后地音活動的特征，本文選擇胡家河煤礦和亭南煤礦的沖擊地壓事件進行沖擊地壓發生后地音活動規律的研究。

1.2.1 胡家河煤礦沖擊地壓發生后地音活動特點

通過對圖2中胡家河煤礦401102工作面回風巷內的地音監測數據進行分析，在2014年9月7日3時起地音活動(能量和頻次)開始明顯增加，至9月9日沖擊地壓發生前一直處于較高的水平，在9月9日14時15分沖擊地壓發生后，地音活動并未立即減弱，而是仍處于較高的水平，在第2次能量釋放后，地音活動顯著減弱并呈現持續降低的趨勢，至9月9日22時，地音活動與峰值相比降低了87%且低于沖擊前3日內的地音活動最低值，隨后地音活動一直處于低水平活動狀態，自首次沖擊發生至地音活動趨于平穩共耗時8 h。

圖2 胡家河煤礦40102工作面回風巷地音活動變化情況

1.2.2 亭南煤礦沖擊后地音活動特點

亭南煤礦于2020年4月11日17時26分監測到在307運輸巷內超前工作面200 m左右發生1次104J級微震事件；該事件發生后地音活動呈現波動式下降的特點，至4月12日10時地音能量、頻次與峰值降低99%，且低于沖擊地壓發生前3日內的地音活動最低值，隨后地音活動一直處于低水平活動狀態，自沖擊地壓發生至地音活動趨于平穩共耗時16 h。

上述監測數據表明，煤礦現場地音活動與實驗室聲發射實驗結果類似，二者均出現了巖體(試件)破壞后地音活動(聲發射活動)仍然持續發生的現象。同時，胡家河煤礦監測數據說明其在首次沖擊2 h后現場又發生二次沖擊，2次沖擊間隔時間較短，采用微震監測法以小時、班次、天為單位進行微震活動分析預警的方法將難以滿足對動載荷二次沖擊地壓的超前預警需求。

2 沖擊地壓發生后地音危險性實時評價技術

依據前述分析，在沖擊地壓發生后地音活動開始呈現波動式下降的趨勢，但地音活動的絕對值相較于沖擊地壓發生前仍然處于較高水平，為了對活動特性進行準確評價，采用曼·肯德爾(Mann-Kendall，MK)檢驗法作為地音活動變化的評價方法。

MK檢驗是一種非參數的時間序列趨勢性檢驗方法，其檢驗原理是通過比較每個數據點與其之前數據點的大小，來檢測時間序列數據中的單調趨勢(上升、下降或沒有趨勢)。它的特點是不需要測量值服從正態分布，不受缺失值和異常值的影響，適用于長時間序列數據的趨勢顯著檢驗；該方法對于數據的要求符合地音監測數據的特點。其計算過程如下：

(1)按照地音數據發生的時間順序取出一個長度為n的數據集X={x1，x2，…，xn}，進而確定所有n(n-1)/2個xi-xj的差值函數sgn(xi-xj)，其中n≥i>j≥1：

(1)

(2)對n(n-1)/2個xi-xj的差值函數sgn(xi-xj)進行求和得出數值S：

(2)

若S是1個正值，說明后一時期的地音活動相比之前的地音活動會趨向于增加；若S是1個負值，則說明后一時期的地音活動相比之前的地音活動會趨向于減弱。對統計量S進行標準化處理，標準化后的檢驗統計量Z計算方法如下：

采用雙邊趨勢檢驗，對于給定的置信水平α，在正態分布表中的臨界值為Z1-α/2。若|Z|>Z1-α/2，即表明在置信水平α上，地音數據存在明顯的上升或下降趨勢。本文給定顯著性水平α= 0.05，則臨界值Z1-α/2=±1.96，當Z的絕對值大于1.65、1.96和2.58時，表示上升或下降趨勢分別通過了信度為90%、95%和99%的顯著性檢驗。當Z>0時表示地音活動仍然具有增加特性，當Z<0時表示地音活動呈現減少特性，故以Z=0作為作為本次沖擊地壓影響是否結束的標志。

3 沖擊地壓發生后地音危險性實時評價技術的現

場驗證

將上述評價方法應用于胡家河煤礦和亭南煤礦沖擊地壓發生后現場危險性的實時評價，以15 d為步距(式1中的n)計算沖擊后Z值變化，結果如圖4所示。

圖4 沖擊后Z值變化

在胡家河煤礦和亭南煤礦的2次沖擊發生后，Z值不僅大于0，而且呈現上漲趨勢，表明地音活動增加顯著，沖擊地壓發生現場煤巖體破裂的強度較大；隨后Z值逐漸降低，表明地音活動增加趨勢降低；而后胡家河煤礦地音活動在沖擊8 h后，亭南煤礦地音活動在沖擊27 h后，Z值等于0，此后地音活動開始逐漸降低，表明此時沖擊地壓影響結束。綜上所述，地音活動在沖擊地壓發生后并非立即呈現降低的趨勢，而是呈現先增加再降低的態勢。

4 結論

(1)在沖擊地壓發生后，沖擊區域的地音活動并非呈現立即降低的趨勢，而是先增加再降低，故而存在二次沖擊地壓的風險。

(2)利用MK趨勢法的Z值變化進行沖擊地壓發生后危險性的實時評價，當Z值大于0時，表明沖擊地壓現場仍具有二次沖擊的風險，當Z值降低至0時則表明本次沖擊結束。

(3)通過在胡家河煤礦和孟村煤礦的應用驗證，結果表明Z值的變化規律能夠反應沖擊地壓發生現場危險程度的變化規律，合理確定沖擊地壓影響結束的時間。