邢麟楠

（1.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013）

由于煤礦生產(chǎn)的需要，必須不斷完成開拓巷道、采準(zhǔn)巷道和回采巷道等掘進(jìn)部署。對于沖擊地壓礦井，當(dāng)掘進(jìn)工序相互擾動(dòng)而造成采掘空間周圍應(yīng)力疊加時(shí)，容易誘發(fā)沖擊地壓。在工作面切眼貫通期間，巷道對掘與交叉不可避免，在此過程進(jìn)行沖擊危險(xiǎn)性的準(zhǔn)確評價(jià)，對指導(dǎo)沖擊解危工作具有重要意義[1]。

沖擊危險(xiǎn)性評價(jià)方法包括綜合指數(shù)法等多因素綜合評價(jià)方法和基于地音等監(jiān)測的沖擊危險(xiǎn)性評價(jià)方法等[2-9]。多因素綜合評價(jià)方法雖然選取的評價(jià)指標(biāo)較為全面，但無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)評價(jià)，且各評價(jià)指標(biāo)關(guān)聯(lián)度尚需進(jìn)一步研究。地音監(jiān)測方法通過捕捉?jīng)_擊地壓發(fā)生前煤巖體破裂所產(chǎn)生的前兆信息，可以實(shí)現(xiàn)對掘進(jìn)工作面的超前區(qū)域及迎頭后方圍巖的微裂隙擴(kuò)展過程及沖擊危險(xiǎn)程度的實(shí)時(shí)精細(xì)化監(jiān)測和準(zhǔn)確評價(jià)[10-12]。為此，以某礦沖擊危險(xiǎn)性工作面切眼貫通為背景，借助地音監(jiān)測系統(tǒng)對切眼貫通期間地音異?；顒?dòng)的監(jiān)測與評估，構(gòu)建了基于地音監(jiān)測數(shù)據(jù)的沖擊危險(xiǎn)性評價(jià)方法，實(shí)踐表明具有良好的應(yīng)用效果。

1 工作面概況

某礦二水平南一區(qū)21 層一段工作面平均埋深420 m，設(shè)計(jì)走向長度660 m，傾向長度55～124 m，所采煤層煤厚2.80～4.11 m，煤層傾角28°～36°。工作面切眼位于工作面開采境界最南部，斷面為矩形，凈高3.7 m，凈寬2.5 m，總長58 m。切眼施工工藝采用機(jī)械化綜掘，支護(hù)方式頂板采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)，錨桿間排距為1 m×0.9 m，錨索布置在巷道中間每3 m 1 對，兩幫鋪網(wǎng)。二水平南一區(qū)21 層一段工作面頂?shù)装鍘r性見表1。

表1 二水平南一區(qū)21 層一段工作面頂?shù)装鍘r性Table 1 Lithology of roof and floor of working face of section 1, floor 21, south zone 1, level 2

二水平南一區(qū)21 層一段工作面具有弱沖擊危險(xiǎn)性，為了減小上下巷同時(shí)掘進(jìn)造成的應(yīng)力集中，切眼貫通采取了沖擊地壓防治措施。工作面貫通前，下巷超前上巷掘進(jìn)，由下向上施工切眼。當(dāng)下巷掘進(jìn)至距離切眼盡頭20 m 時(shí)，停止上巷作業(yè)直至切眼貫通。工作面上下巷道布置有ARES-5/E 地音監(jiān)測系統(tǒng)，其中下巷布置有1#、2#地音探頭，上巷布置有3#、4#地音探頭，對工作面切眼貫通期間進(jìn)行地音實(shí)時(shí)監(jiān)測。ARES-5/E 地音監(jiān)測系統(tǒng)布置方案圖如圖1。

圖1 ARES-5/E 地音監(jiān)測系統(tǒng)布置方案圖Fig.1 Layout of ARES-5/E ground acoustic emission monitoring system

通過統(tǒng)計(jì)地音事件頻次、能量等地音參量，找出地音活動(dòng)規(guī)律，結(jié)合采掘情況評價(jià)監(jiān)測區(qū)域的沖擊危險(xiǎn)等級。當(dāng)系統(tǒng)評價(jià)結(jié)果超出設(shè)定的危險(xiǎn)等級時(shí)，立即停掘并進(jìn)行解危卸壓。

2 基于地音監(jiān)測的沖擊地壓危險(xiǎn)性評價(jià)技術(shù)

2.1 危險(xiǎn)性評價(jià)指標(biāo)

煤巖體是典型的非均勻性材料，其內(nèi)部含有大量微裂紋、孔隙、節(jié)理裂隙等，在受載的不同階段會(huì)產(chǎn)生豐富的地音信號。地音監(jiān)測系統(tǒng)通過信號采集器接收采掘工作面微破裂發(fā)出的震動(dòng)波，經(jīng)過信號處理，最后得到包括能量、頻次等表征煤巖體破裂程度的評價(jià)指標(biāo)。通過現(xiàn)場實(shí)踐表明，地音能量強(qiáng)度及頻次的變化，可以很好反映煤巖體內(nèi)應(yīng)力及沖擊地壓危險(xiǎn)性的變化。

評價(jià)地音危險(xiǎn)狀態(tài)受開采與非開采狀態(tài)影響。井下生產(chǎn)對地音數(shù)據(jù)的具有顯著影響，因此在采用地音法進(jìn)行沖擊危險(xiǎn)性評價(jià)時(shí)，首先需要確定評價(jià)時(shí)間段是屬于工作班還是非工作班，否則評價(jià)時(shí)容易出現(xiàn)較大的偏差。因此，結(jié)合生產(chǎn)狀態(tài)可以將地音能量和頻次細(xì)化為4 個(gè)指標(biāo)：工作班地音活動(dòng)頻次PAZW、非工作班地音活動(dòng)頻次PAZN、工作班間班地音能量強(qiáng)度PEZW 和非工作班地音能量強(qiáng)度PEZN。

2.2 沖擊危險(xiǎn)性評價(jià)模型

在地音監(jiān)測沖擊危險(xiǎn)性評價(jià)指標(biāo)確定之后，嘗試使用閾值法構(gòu)建危險(xiǎn)評價(jià)模型，包括對PAZW、PAZN、PEZW、PEZN 4 個(gè)指標(biāo)設(shè)定不同的評價(jià)門檻，發(fā)現(xiàn)其評價(jià)結(jié)果具有隨機(jī)性，不具指導(dǎo)生產(chǎn)的能力，必須探索新的方法。由于地音活動(dòng)與煤巖體破裂階段有關(guān)，地音前期的活動(dòng)情況往往預(yù)示著后期的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，在采用地音法進(jìn)行沖擊危險(xiǎn)性評價(jià)時(shí)，可通過地音活動(dòng)的變化規(guī)律來實(shí)現(xiàn)，該思想也是波蘭煤礦采用地音法評價(jià)與預(yù)測沖擊地壓的基礎(chǔ)[13]。地音異常系數(shù)k 是衡量一段時(shí)間內(nèi)地音活動(dòng)異常程度的參數(shù)，以工作班地音頻次異常系數(shù)kazw為例，評價(jià)指標(biāo)值按如下表示：

以此類推，可計(jì)算得到其余的3 個(gè)指標(biāo)：非工作班地音活動(dòng)頻次異常系數(shù)kazn、工作班間班地音能量強(qiáng)度異常系數(shù)kezw、非工作班地音能量強(qiáng)度異常系數(shù)kezn。

根據(jù)二水平南一區(qū)21 層一段工作面切眼貫通期間沖擊事件發(fā)生前地音的活動(dòng)規(guī)律，按當(dāng)前班地音活動(dòng)的地音異常指數(shù)大小將地音危險(xiǎn)等級劃分為a、b、c、d 4 個(gè)等級。沖擊危險(xiǎn)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)見表2。表2 中地音異常指數(shù)k 取Max｛kazw，kazn，kezw，kezn｝。

表2 沖擊危險(xiǎn)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Classification standard of impact hazard level

3 地音監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

提取2017 年12 月至2018 年2 月工作面切眼貫通期間地音數(shù)據(jù)，通過對各地音探頭能量與頻次的地音異常指數(shù)的變化趨勢進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合井下沖擊顯現(xiàn)情況，能夠得出沖擊發(fā)生前地音前兆規(guī)律和沖擊危險(xiǎn)性評價(jià)的準(zhǔn)確度。

3.1 沖擊地音前兆信息判別

1）地音能量和頻次的持續(xù)增長預(yù)示著沖擊危險(xiǎn)增加[14-15]。切眼周邊煤巖體在掘進(jìn)時(shí)所受的原巖應(yīng)力狀態(tài)被打破，壓力升高區(qū)的煤巖體從塑性變形到失穩(wěn)破壞過程中，煤巖體內(nèi)裂隙擴(kuò)展加快，地音能量與頻次增加。若單個(gè)地音通道連續(xù)至少2 d 的危險(xiǎn)等級達(dá)到d，可判定該探頭前后70 m 范圍內(nèi)存在沖擊危險(xiǎn)。2017 年12 月31 日05：21：58 在下巷掘進(jìn)工作面附近發(fā)生1 起沖擊事件，2017 年12 月31 日沖擊顯現(xiàn)位置如圖2。利用微震監(jiān)測系統(tǒng)定位的震源位置為下巷切眼口前方10 m，能量為2.5×105J。據(jù)下巷中部作業(yè)工人反映事件發(fā)生時(shí)有非常大的煤炮聲，風(fēng)流逆流，煤塵增大。1#地音探頭活動(dòng)情況如圖3。由于地音監(jiān)測系統(tǒng)1#地音探頭已持續(xù)2 d 危險(xiǎn)等級為d，故切眼掘進(jìn)頭已停掘。

圖2 2017 年12 月31 日沖擊顯現(xiàn)位置Fig.2 Location of impact appearance on December 31, 2017

圖3 1#地音探頭活動(dòng)情況（2017 年12 月）Fig.3 Activity of 1# ground acoustic emission probe

2）地音能量和頻次的突然增長代表著沖擊危險(xiǎn)增加。相向掘進(jìn)過程中，相互擾動(dòng)導(dǎo)致煤巖體應(yīng)力集中程度增加，當(dāng)局部煤巖體應(yīng)力疊加迅速時(shí)，內(nèi)部裂隙急劇擴(kuò)展與貫通，煤巖體突然失穩(wěn)破壞。若鄰較近2 個(gè)地音探頭在最近1 個(gè)班同時(shí)危險(xiǎn)等級突然達(dá)到d，判定這2 個(gè)探頭的有效監(jiān)測區(qū)域存在沖擊危險(xiǎn)。例如2018 年1 月7 日15:31:40 發(fā)生在上巷掘進(jìn)頭附近的1 起沖擊事件，沖擊顯現(xiàn)位置如圖4。當(dāng)時(shí)掘進(jìn)工作面正在頂板施工支護(hù)錨桿，工作面突然有強(qiáng)烈震感，頂板掉渣嚴(yán)重，部分已打好的錨桿托盤和螺帽松動(dòng)脫離。1#、3#探頭的地音能量和頻次突然增加，2018 年1 月的1#、3#地音探頭活動(dòng)情況分別如圖5、圖6。

圖4 2018 年1 月7 日沖擊顯現(xiàn)位置Fig.4 Location of impact appearance on January 7, 2018

圖5 1#地音探頭活動(dòng)情況（2018 年1 月）Fig.5 Activity of 1# ground acoustic emission probe

圖6 3#地音探頭活動(dòng)情況（2018 年1 月）Fig.6 Activity of 3# ground acoustic emission probe

3）地音能量和頻次由高降低并不意味著掘進(jìn)工作面的危險(xiǎn)程度降低，當(dāng)?shù)匾艋顒?dòng)持續(xù)沉寂也預(yù)示著沖擊危險(xiǎn)的增加。煤巖體作為1 種典型的非均勻連續(xù)介質(zhì)，受載后表現(xiàn)一定的承載能力，通過變形等方式儲(chǔ)存外界傳遞的能量，當(dāng)達(dá)到極限形變時(shí)，煤巖體失穩(wěn)破壞，內(nèi)部儲(chǔ)存的能量突然釋放，導(dǎo)致沖擊地壓的發(fā)生。例如在工作面切眼貫通末期，3#地音探頭接收的能量持續(xù)沉寂3 d 后，在切眼與上巷的交叉位置發(fā)生了1 次沖擊事件，2018 年1 月7 日沖擊顯現(xiàn)位置如圖7，2018 年2 月的3#地音探頭活動(dòng)情況如圖8。

圖7 2018 年1 月7 日沖擊顯現(xiàn)位置Fig.7 Location of impact appearance on January 7, 2018

圖8 3#地音探頭活動(dòng)情況（2018 年2 月）Fig.8 Activity of 3# ground acoustic emission probe

3.2 地音對沖擊危險(xiǎn)性評價(jià)的準(zhǔn)確率

沖擊地壓危險(xiǎn)性評價(jià)的準(zhǔn)確率是衡量地音危險(xiǎn)性評價(jià)優(yōu)劣的1 個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)，對于井下發(fā)生沖擊顯現(xiàn)并且地音系統(tǒng)給出d 級預(yù)警的現(xiàn)象，定義為地音報(bào)準(zhǔn)；井下發(fā)生沖擊顯現(xiàn)而地音系統(tǒng)沒有給出d 級預(yù)警的現(xiàn)象，定義為地音漏報(bào)；井下未發(fā)生沖擊顯現(xiàn)而地音系統(tǒng)給出d 級預(yù)警的現(xiàn)象，定義為地音誤報(bào)。

通過統(tǒng)計(jì)得出的工作面切眼掘進(jìn)期間地音預(yù)警情況見表3。

表3 工作面切眼掘進(jìn)期間地音預(yù)警情況Table 3 Ground acoustic emission early warning during cutting excavation of working face

地音報(bào)準(zhǔn)率、漏報(bào)率、誤報(bào)率的計(jì)算方法如下：

式中：aB為地音報(bào)準(zhǔn)率；aL為漏報(bào)率；aW為誤報(bào)率；Nb為地音報(bào)準(zhǔn)次數(shù)；Nl為漏報(bào)次數(shù)；Nw為誤報(bào)次數(shù)；Ny為地音預(yù)警次數(shù)。

根據(jù)表3，由式（2）～式（4）可得：地音報(bào)準(zhǔn)率為66.6%，漏報(bào)率16.7%，誤報(bào)率16.7%，實(shí)踐表明地音監(jiān)測對現(xiàn)場沖擊危險(xiǎn)具有較好的評價(jià)效果。

4 結(jié) 語

1）地音前期的活動(dòng)情況往往預(yù)示著后期的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，通過地音異常系數(shù)衡量一段時(shí)間內(nèi)地音活動(dòng)的異常程度，并按當(dāng)班地音活動(dòng)的地音異常指數(shù)大小將地音危險(xiǎn)等級劃分為a、b、c、d 4 個(gè)等級。

2）地音系統(tǒng)的單通道活動(dòng)持續(xù)增長或持續(xù)沉寂、2 個(gè)或以上通道活動(dòng)突然增長預(yù)示著沖擊危險(xiǎn)的增加，可以作為沖擊地壓發(fā)生前的地音前兆信息。

3）地音報(bào)準(zhǔn)率是衡量沖擊危險(xiǎn)性評價(jià)準(zhǔn)確率的1 個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得出工作面切眼掘進(jìn)期間地音報(bào)準(zhǔn)率為66.6%，漏報(bào)率16.7%，誤報(bào)率16.7%，實(shí)踐表明地音監(jiān)測系統(tǒng)對沖擊危險(xiǎn)性評價(jià)具有較好效果。