掘進工作面煤與瓦斯突出智慧預警技術研究

摘" 要：煤與瓦斯突出災害嚴重威脅著煤礦安全生產。煤與瓦斯突出監測預警是突出有效治理的前提和基礎，準確、有效的煤與瓦斯突出監測預警，一方面可以提高煤與瓦斯突出預警的準確率，防止漏報;另一方面，可以提高防突措施實施的目的性和針對性，降低額外的防突工作量，增加掘進效率和穩定性。通過以聲發射強度、電磁輻射強度、瓦斯濃度等指標進行預警的方法，分析石屏一礦13019上機巷掘進工作面前兆特征，并闡明聲發射強度、電磁輻射強度、瓦斯濃度各預警相關參數的變化規律。通過現場應用及分析，實現煤與瓦斯突出的綜合實時監測預警，有利于提高煤礦安全保障水平，提高煤礦采掘效率，保障煤礦的安全生產。

關鍵詞：煤與瓦斯突出;監測預警;聲發射強度;電磁輻射強度;瓦斯濃度

中圖分類號：TD713" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）26-0066-06

Abstract： Coal and gas outburst disaster is a serious threat to coal mine safety production. Coal and gas outburst monitoring and early warning is the premise and basis of effective control of coal and gas outburst. Accurate and effective coal and gas outburst monitoring and early warning can， on the one hand， improve the accuracy of coal and gas outburst early warning and prevent missing reports; on the other hand， it can improve the purpose and pertinence of outburst prevention measures， reduce additional outburst prevention workload， and increase tunneling efficiency and stability. Through the method of early warning based on the indexes of acoustic emission intensity， electromagnetic radiation intensity and gas concentration， the precursory characteristics of 13019 upper machine roadway driving in Shiping No. 1 Coal Mine are analyzed. It also expounds the change law of the early warning related parameters of acoustic emission intensity， electromagnetic radiation intensity and gas concentration. Through field application and analysis， the comprehensive real-time monitoring and early warning of coal and gas outburst is realized， which is helpful to improve the safety level of coal mine， improve the mining efficiency and ensure the safety of coal mine production.

Keywords： coal and gas outburst; monitoring and early warning; acoustic emission intensity; electromagnetic radiation intensity; gas concentration

隨著我國淺部礦產資源的逐年減少，煤礦開采深度逐年加大[1-2]。開采深度和開采強度的增大導致地應力、地溫和瓦斯壓力不斷增加，在采掘過程中將伴隨著復雜的煤與瓦斯突出災害，威脅著深部礦井的安全生產[3-6]。近年來，聲發射、電磁輻射等先進的地球物理學方法開始應用于煤與瓦斯突出監測預警，基于聲發射、電磁輻射和瓦斯等多源信息的綜合監測預警已經成為煤與瓦斯突出監測研究的趨勢和方向[7-17]。筆者通過分析石屏一礦煤巷掘進工作面掘進過程中聲發射強度、電磁輻射強度、瓦斯濃度（簡稱“聲電瓦斯”;聲發射強度、電磁輻射強度，簡稱“聲電強度”）動態變化規律，探究了突出發生前兆規律并進行了現場應用。

1" 工作面概況

石屏一礦位于四川省瀘州市古藺縣城東，礦井安全生產受煤與瓦斯突出災害嚴重威脅，屬于煤與瓦斯突出礦井。試驗場地選址為該礦13019上機巷掘進工作面，掘進方式為炮掘，該工作面煤層傾角12～24°，平均15°，煤層厚度0.8～1.8 m，平均1.5 m。煤層原始瓦斯含量最大為13.8 m3/t，原始瓦斯壓力最大為1.45 MPa，煤層具有突出危險性。

2" 工作面儀器布置

在工作面安裝由中國礦業大學研發的聲電瓦斯監測系統，將聲電瓦斯監測系統的煤巖動力災害聲電數據采集監測儀放置于13019上機巷回風聯絡巷距離迎頭10 m位置，通過四芯屏蔽專用電纜將該監測儀與聲電瓦斯專用本安型監測分站相連接。聲發射傳感器放置于13019上機巷回風聯絡距離迎頭10～20 m范圍內，電磁輻射傳感器與聲發射傳感器距離1～3 m左右，瓦斯傳感器布置在13019上機巷回風聯絡迎頭處。聲發射、電磁輻射、瓦斯傳感器裝置布置如圖1所示。

3" 聲電瓦斯變化特征規律

3.1" 聲電強度監測數據預處理

煤與瓦斯突出聲電瓦斯監測預警系統的主要監測指標有以下3項：聲發射強度、電磁輻射強度、瓦斯濃度。由于聲發射傳感器和電磁輻射傳感器都是高靈敏度傳感器，且采樣頻率高（25 kHz），分站上傳數據間隔時間短（30 s），加上井下作業工序的影響，聲電強度在短時間內可能會出現較大變化，對數據分析及臨界值的設定均造成很大影響。針對此問題，采用5點平均濾噪算法，并對實時監測聲電強度數據進行自動實時處理。圖2（a）、圖2（b）分別為濾波前后聲發射強度、電磁輻射強度變化曲線對比。采用濾波算法后，聲發射強度和電磁輻射強度局部波動變化明顯減弱，整體趨勢變化更加明顯，更加有利于煤與瓦斯突出危險性聲電強度監測參數前兆規律的研究。

3.2" 聲電瓦斯監測數據變化特征

根據煤與瓦斯突出聲電瓦斯監測預警系統掘進過程中的監測結果，分析打鉆、耙矸機耙矸、放炮等作業工序對聲發射強度和電磁輻射強度的影響：

對于聲發射強度，掘進迎頭無作業時環境噪聲在100 mV左右。迎頭打鉆時，聲波強度出現顯著上升，最大值在450 mV左右，但經過濾波處理后，聲發射強度與環境噪聲基本相同;耙矸機出矸時，聲發射強度顯著上升且出現劇烈波動，波動最小值稍大于200 mV，波動最大值接近500 mV。放炮前移出煤巖動力災害聲電數據采集監測儀后，聲發射強度顯著降低，在10 mV左右。

對于電磁輻射強度，掘進迎頭無作業時環境噪聲在5 mV左右。耙矸機出矸對電磁輻射強度的影響并不明顯。放炮后電磁輻射強度變化比較劇烈，最大強度達到360 mV左右，主要原因是放炮后由于大面積煤體破壞，大量瓦斯涌出，而電磁輻射強度與瓦斯涌出量成正相關，因此電磁輻射強度顯著升高。圖3為聲電強度變化圖。

4" 聲電瓦斯與常規指標數據對比分析

4.1" 聲電瓦斯不同時間尺度特征分析

對13019上機巷回風聯巷5月24日—6月24日的聲電瓦斯監測數據進行不同時間尺度的特征分析，如圖4—圖7所示。

1）不同時間尺度電磁輻射強度變化曲線（圖4）。

2）不同時間尺度聲發射強度變化曲線（圖5）。

3）不同時間尺度瓦斯濃度變化曲線（圖6）。

由圖4—圖7，分析了聲電瓦斯指標在1、4、8、12、24 h等不同時間尺度下的變化規律。結果表明，隨著時間的推移，聲電瓦斯指標變化曲線變化更為平緩，對長期的宏觀變化趨勢反應更為明顯，但對短時間趨勢不明顯。具體來說，8 h尺度是一個變化可能的分界點，8 h以前3種圖線的變化局部起伏較大，8 h以后曲線逐漸平滑，局部的起伏變化不明顯;24 h尺度曲線對聲電信號的宏觀變化趨勢具有較好的表現度，細節上的變化不明顯。

根據上述分析，同時考慮常規指標的測試時間間隔，確定聲電強度指標與常規指標進行對比分析的最佳時間尺度為8 h。該時間尺度下既能體現聲電信號的宏觀變化規律，又不遺漏太多細節變化特征。

4.2" 聲電瓦斯以及常規指標對比分析

5月24日—6月24日13 019上機巷回風聯巷掘進過程監測的常規指標和以8 h時間尺度統計的聲發射強度、電磁輻射強度和瓦斯濃度對比如圖8所示。總體來看，鉆屑量S值變化幅度不大，基本在1.8～2.1 kg/m之間;鉆屑瓦斯解吸指標K1值存在一定趨勢變化，變化范圍為0.21～0.45 mL·（g·min0.5）-1之間;聲發射強度、電磁輻射強度和瓦斯濃度統計時間尺度為8 h，因此相比于S值和K1值存在較大的變化，并與常規指標間存在一定對應關系。

5月29日之前，聲發射強度呈連續上升趨勢，與瓦斯濃度、鉆屑量S值趨勢變化較為一致;6月9日20：45發生一次瓦斯超限，發生瓦斯超限前，電磁輻射強度和聲發射強度在6月9日也出現極大值。6月13日—6月16日瓦斯濃度保持較高水平，這一點與聲發射強度和電磁輻射強度變化趨勢較為一致。綜上分析，除了常規指標以及瓦斯濃度等信息外，聲發射強度和電磁輻射強度也可以很好地反映掘進工作面應力水平及瓦斯涌出情況，是煤與瓦斯突出危險性實時監測預警的敏感指標。

5" 結論

1）基于聲發射和電磁輻射監測參數濾噪算法，降低了掘進工作面打鉆、耙矸機耙矸、放炮等作業工序對聲電監測參數的影響，使監測參數變化趨勢更加明顯，有利于研究突出危險性發生前兆規律。

2）對聲電瓦斯監測指標在不同時間尺度下的變化規律進行分析。結果表明，隨著時間尺度的增大，聲電瓦斯曲線變化更為平緩，對長期的宏觀變化趨勢反映更為明顯，對短時間趨勢不太明顯。考慮到常規指標的測定時間間隔，確定了聲電指標與常規指標相比較分析的最佳時間尺度為8 h。

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第一作者簡介：王明（1986-），男，采礦工程師，宏達煤礦總工程師。研究方向為煤礦瓦斯、防火、水害等防治技術與管理等。