任 勇,夏永學(xué),張修峰

(1.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計(jì)研究分院,北京 100013;2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部,北京 100013; 3.新汶礦業(yè)集團(tuán)華豐煤礦,山東泰安 271400)

基于地音活動(dòng)規(guī)律的沖擊危險(xiǎn)性評價(jià)技術(shù)

任 勇1,2,夏永學(xué)1,2,張修峰3

(1.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計(jì)研究分院,北京 100013;2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部,北京 100013; 3.新汶礦業(yè)集團(tuán)華豐煤礦,山東泰安 271400)

基于ARES-5/E地音監(jiān)測系統(tǒng),研究了華豐煤礦 1410工作面高能事件發(fā)生前地音變化規(guī)律,獲得了沖擊危險(xiǎn)性增加或降低時(shí)地音的基本活動(dòng)形式;基于沖擊礦壓與地音的相關(guān)性研究,初步建立了華豐煤礦地音評價(jià)沖擊礦壓的適用性標(biāo)準(zhǔn)。

沖擊礦壓;地音監(jiān)測;活動(dòng)規(guī)律;評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

地音是煤巖體破裂釋放的能量以彈性波形式向外傳遞過程中所產(chǎn)生的聲學(xué)效應(yīng)。在礦山,地音是由地下開采活動(dòng)誘發(fā)的,其震動(dòng)能量一般為 0～103J;震動(dòng)頻率高,大約 150～3000Hz。[1]大量科學(xué)研究表明地音是煤巖體內(nèi)應(yīng)力釋放的前兆,地音信號的多少、大小等指標(biāo)反映了巖體受力的情況。利用地音現(xiàn)象與煤巖體受力狀態(tài)的關(guān)系,可以監(jiān)測到局部范圍內(nèi)未來幾天可能發(fā)生的動(dòng)力現(xiàn)象。地音監(jiān)測就是應(yīng)用監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)對現(xiàn)場主要生產(chǎn)空間進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,通過統(tǒng)計(jì)地音事件、能量釋放率、延時(shí)等一系列地音參量,找出地音活動(dòng)規(guī)律,以此判斷巖體受力狀態(tài)和破壞進(jìn)程,評價(jià)巖體的穩(wěn)定性,進(jìn)而判斷沖擊危險(xiǎn)程度。經(jīng)過長期監(jiān)測后,可預(yù)測下一時(shí)段內(nèi)監(jiān)測區(qū)域危險(xiǎn)等級,從而實(shí)現(xiàn)沖擊危險(xiǎn)性評價(jià)和預(yù)警[2-4]。

地音監(jiān)測應(yīng)用于煤礦沖擊礦壓預(yù)測預(yù)報(bào)時(shí),受環(huán)境干擾和地音活動(dòng)異常復(fù)雜的影響還存在許多困難。但是,地音監(jiān)測作為沖擊礦壓研究領(lǐng)域最有發(fā)展前景的技術(shù)已被普遍接受。本文依托國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃 (973)子課題《深部煤礦動(dòng)力災(zāi)害的綜合防治理論與解危方法》,利用ARES-5/E監(jiān)測系統(tǒng)對華豐煤礦地音活動(dòng)規(guī)律和沖擊礦壓危險(xiǎn)性評價(jià)進(jìn)行了研究,本文系項(xiàng)目的部分研究成果。

1 工作面及地音監(jiān)測系統(tǒng)簡介

新汶華豐煤礦 1410工作面采用綜合機(jī)械化放頂煤回采工藝,開采煤層為四煤,煤層埋深近1000m,平均厚度為 6.2m,傾角 32°,堅(jiān)固性系數(shù)為 1.5。頂板為粉砂巖、中砂巖;底板為粉細(xì)砂巖。現(xiàn)場和實(shí)驗(yàn)室的研究結(jié)果表明,煤層和頂板均具有沖擊傾向性。1410工作面傾向長度為 130m,工作面上平巷靠近 1409采空區(qū),開采受下方六煤遺留煤柱和斷層等因素的影響。

為監(jiān)測與預(yù)報(bào)煤礦沖擊礦壓,該礦于 2008年從波蘭引進(jìn)了 ARES-5/E地音監(jiān)測系統(tǒng) (見圖 1)。該系統(tǒng)是采用地音監(jiān)測法進(jìn)行礦井沖擊危險(xiǎn)性評估的專用設(shè)備,能夠?qū)ΡO(jiān)測區(qū)域范圍內(nèi)的地音事件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。布置在井下的地音探頭監(jiān)測到地音事件并將其處理為模擬信號,然后經(jīng)過井下發(fā)射器處理后,由通訊電纜傳輸至地面。系統(tǒng)可以監(jiān)測震動(dòng)頻率為28～1500Hz、能量小于 1000J的地音事件。

圖1 ARES-5/E系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

ARES-5/E井下傳感器對地音事件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,并將監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)發(fā)送到井下發(fā)射器內(nèi);發(fā)射器對監(jiān)測信號進(jìn)行放大、過濾后,將其轉(zhuǎn)化為電壓信號后傳送到地面中心站;地面中心站會對接收到的信號進(jìn)行分類、統(tǒng)計(jì),并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號,然后發(fā)送到系統(tǒng)分析軟件內(nèi);最終,由系統(tǒng)分析軟件根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)對監(jiān)測區(qū)域的沖擊危險(xiǎn)性進(jìn)行綜合評價(jià),并給出相應(yīng)統(tǒng)計(jì)圖表[5-6]。

ARES-5/E地音監(jiān)測系統(tǒng)在采煤面和掘進(jìn)面共布置 6個(gè)地音探頭,其中采煤面 4個(gè),用于監(jiān)測采煤工作面附近地音活動(dòng)的變化情況;掘進(jìn)面 2個(gè),用于監(jiān)測掘進(jìn)頭附近地音活動(dòng)的變化情況。地音探頭的布置如圖 2所示,探頭隨采掘工作面的推進(jìn)不定期向前挪動(dòng)。

圖 2 1410工作面地音探頭布置

2 地音數(shù)據(jù)處理

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

研究中數(shù)據(jù)選取范圍為各探頭的實(shí)際監(jiān)測區(qū)域,即選取探頭 50m監(jiān)測半徑內(nèi)的地音數(shù)據(jù)。采用綜合數(shù)據(jù)分析法進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理,步驟如下:

(1)選取監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的微震事件數(shù)據(jù),并按其發(fā)生時(shí)間進(jìn)行排序。

(2)調(diào)取原始地音統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際噪音情況對其進(jìn)行降噪處理。

(3)計(jì)算每小時(shí)和每班的地音活動(dòng)次數(shù)及其釋放能量,并繪制震級大于 0.9級微震事件發(fā)生前10個(gè)班地音活動(dòng)次數(shù)和能量隨時(shí)間變化曲線。

(4)分析班地音活動(dòng)次數(shù)與能量的變化趨勢與微震事件或沖擊現(xiàn)象之間的關(guān)系。

2.2 危險(xiǎn)指標(biāo)選取

地音評價(jià)主要是基于地音活動(dòng)和地音能量的變化?？刹捎靡韵?8個(gè)指標(biāo)來確定地音活動(dòng)和能量的偏差[7]:

(1)開采期間,每班次的平均活動(dòng)情況——PAZ W。

(2)非開采期間,每班次的平均活動(dòng)情況——PAZN。

(3)開采期間,每小時(shí)的平均活動(dòng)情況——PAG W。

(4)非開采期間,每小時(shí)的平均活動(dòng)情況——PAGN。

(5)開采期間,每班次的能量強(qiáng)度——PEZ W。

(6)非開采期間,每班次的能量強(qiáng)度——PEZN。

(7)開采期間,每班次的平均能量強(qiáng)度——PEG W。

(8)非開采期間的平均能量強(qiáng)度——PEGN。

對于一個(gè)給定的時(shí)間單元 T,例如 1個(gè)工作循環(huán),公式中的每個(gè)參數(shù)取小時(shí)參數(shù)之和,強(qiáng)度和能量偏差采用如下公式計(jì)算:

OAZ W為開采期間,每班次的平均活動(dòng)能量的偏差值。對于其他指標(biāo),以此類推,分別求得 b～h所對應(yīng)的 7個(gè)偏差值,定義為:OAZN,OAG W, OAGN,OEZ W,OEZN,OEG W,OEGN。

3 地音活動(dòng)與沖擊礦壓相關(guān)性分析

沖擊礦壓是高能量微震事件發(fā)生所導(dǎo)致,因此,可通過分析高能量微震事件發(fā)生前地音活動(dòng)規(guī)律來研究其與沖擊礦壓的相關(guān)性。采用地音活動(dòng)和能量偏差作為 2個(gè)指標(biāo),分別代表地音活動(dòng)和能量的變化情況。通過分析高能微震事件發(fā)生前 10個(gè)班的變化曲線可知,不小于 0.9級的微震事件發(fā)生前地音活動(dòng)主要有以下形式:

形式1 地音活動(dòng)或能量的偏差持續(xù)增長大于2個(gè)班,且當(dāng)前班達(dá)到了較大值。分析圖 3可得,高能事件發(fā)生前第 5個(gè)班開始,能量一直處于上升的趨勢,事件發(fā)生前 1班達(dá)到最大值。

形式2 地音活動(dòng)或能量的偏差增長到較高的水平后突然出現(xiàn)下降,下降時(shí)間不超過 2個(gè)班,然后又出現(xiàn)增長。高能事件發(fā)生前,能量偏差從 3班前的一個(gè)峰值點(diǎn) (>100%)出現(xiàn)一個(gè)突然的下

圖3 地音活動(dòng)與能量的變化曲線

降,持續(xù)時(shí)間僅為 1個(gè)班,隨后又增長到一個(gè)較高的值,活動(dòng)偏差的變化也符合這一規(guī)律,見圖 4。

圖4 地音活動(dòng)與能量的變化曲線

形式 3 地音活動(dòng)或能量的偏差至少持續(xù)3個(gè)班大于 100%。能量偏差持續(xù)增長了 5個(gè)班次,在連續(xù) 4個(gè)班達(dá)到 100%以上后發(fā)生高能微震事件,見圖5。

圖5 地音活動(dòng)與能量的變化曲線

基于上述分析,初步建立適用于華豐煤礦的沖擊危險(xiǎn)性地音評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)中按當(dāng)前班地音活動(dòng)和能量偏差值大小分為 3個(gè)區(qū)間,在此僅列出評價(jià)結(jié)果發(fā)生變化時(shí)地音活動(dòng)和能量的變化規(guī)律,不在表格之內(nèi)均視為危險(xiǎn)等級維持不變。將沖擊危險(xiǎn)等級分為 4個(gè)等級,a級為無沖擊危險(xiǎn),b級為弱沖擊危險(xiǎn),c級為中等沖擊危險(xiǎn),d級為強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)。危險(xiǎn)等級的變化判斷依據(jù)見表 1,表 2,表 3。

表1 當(dāng)前班 -100%≤DEV<100%時(shí),危險(xiǎn)等級變化的判斷依據(jù)

表 2 當(dāng)前班 100%≤DEV<200%時(shí),危險(xiǎn)等級變化的判斷依據(jù) (f≥b)

表3 當(dāng)前班DEV≥200%時(shí),危險(xiǎn)等級變化的判斷依據(jù)(f≥c)

如果某個(gè)小時(shí)內(nèi)的沖擊危險(xiǎn)性大于其所在班次開始的沖擊危險(xiǎn)性,此時(shí)應(yīng)進(jìn)行單位小時(shí)的沖擊危險(xiǎn)性評價(jià),將OAG W,OEG W或者OAGN,OEGN分別與表 4進(jìn)行對比分析,可進(jìn)行每個(gè)小時(shí)內(nèi)的沖擊危險(xiǎn)性評價(jià)。

表 4 小時(shí)活動(dòng)次數(shù)及能量釋放的沖擊危險(xiǎn)性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

4 結(jié)論

本文基于華豐煤礦 1410工作面ARES-5/E地音監(jiān)測系統(tǒng),研究了高能事件發(fā)生前地音的變化規(guī)律,研究表明:

(1)沖擊礦壓發(fā)生前,地音的變化規(guī)律是很復(fù)雜的,但地音異常很可能預(yù)示著沖擊危險(xiǎn)性的增加,研究獲得了沖擊危險(xiǎn)性增加時(shí)地音活動(dòng)的 5種基本形式:地音事件或能量的偏差持續(xù)增長大于 2個(gè)班,且當(dāng)前偏差達(dá)到了較大值;地音事件或能量的偏差在增長到較高的水平 (一般 DEV>100%)后突然出現(xiàn)下降,下降時(shí)間不超過 2個(gè)班,然后又出現(xiàn)增長;地音事件或能量的偏差持續(xù)增長大于或等于 2個(gè)班后,突然迅速減小,然后又增長到較大值;地音事件或能量的偏差至少持續(xù) 3個(gè)班大于100%;地音事件或能量的偏差達(dá)到了較大的值(DEV>200%)。

(2)地音活動(dòng)和能量的驟降并不意味著沖擊危險(xiǎn)等級的降低,也有可能是因?yàn)槟芰哭D(zhuǎn)移而不斷累積。沖擊危險(xiǎn)性降低時(shí)的地音活動(dòng)規(guī)律包含 2種情況:地音活動(dòng)比較平靜,事件數(shù)和能量持續(xù)保持在較低的水平,處于能量穩(wěn)定釋放狀態(tài);地音事件和能量持續(xù)降低超過 2個(gè)班。

(3)初步確定了華豐煤礦地音評價(jià)沖擊礦壓的適用性標(biāo)準(zhǔn)。

[1]齊慶新,竇林名 .沖擊地壓理論與技術(shù) [M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2008.

[2]竇林名,何學(xué)秋.沖擊地壓理論與防治技術(shù) [M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2001.

[3]鄧志剛,任 勇,毛德兵.波蘭 EMAG礦壓監(jiān)測系統(tǒng)功能及應(yīng)用 [J].煤炭科學(xué)技術(shù),2008.

[4]竇林名,何學(xué)秋,Bernard Drzezls.沖擊礦壓危險(xiǎn)性評價(jià)的地音法 [J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2000.

[5]鄧志剛,任 勇,王傳朋,等 .微震地音數(shù)據(jù)綜合分析法初探 [J].煤礦開采,2010,15(1):8-10,14.

[6]孫書亮,王元杰,喬中棟,等 .地音監(jiān)測技術(shù)在沖擊礦壓預(yù)測預(yù)報(bào)中的應(yīng)用 [J].煤礦開采,2009,14(5):80-82.

[7]齊慶新,李首濱,王淑珅.地音監(jiān)測技術(shù)及其在礦壓監(jiān)測中的應(yīng)用研究 [J].煤炭學(xué)報(bào),1994(6).

[責(zé)任編輯:王興庫]

Evaluation Technology of Rock-burstDanger Based on Earth Acoustic Data

REN Yong1,2,XIA Yong-xue1,2,ZHANG Xiu-feng3

(1.Mining&DesigningBranch,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China; 2.Mining&DesigningDepartment,Tiandi Science&Technology Co.,Ltd,Beijing 100013,China; 3.Huafeng Colliery,XinwenMining Group,Taian 271400,China;)

Based on ARES-5/E monitoring system,this paper analyzed rule of earth acoustic variation before high-energy matters occurred in 1410Mining Face.Basic activity rule of earth acoustic when rock-burst danger increased or reduced was obtained.Based on relationship of rock-burst and earth acoustic,a setof earth acoustic standard of rock-burst danger forHuafeng Collierywas primarily set up.

rock-burst;earth acoustic monitor;activity rule;evaluation standard

TD324.1

A

1006-6225(2010)06-0090-03

2010-07-16

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃 (973)項(xiàng)目子課題《深部煤礦動(dòng)力災(zāi)害的綜合防治理論與解危方法》(2010CB226806)

任 勇 (1978-),男,山西長治人,工程師,從事沖擊礦壓防治技術(shù)研究。