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(qū)，100013；2.煤炭科學(xué)研究總院開采研究分院，北京市朝陽區(qū)，100013；3. 內(nèi)蒙古昊盛煤業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古自治區(qū)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(qū)多個(gè)礦井的開采深度已經(jīng)達(dá)到1 000 m，鄂爾多斯礦區(qū)新建井工礦井的初始采深已達(dá)600～700 m。深部礦井基礎(chǔ)靜載荷較高，受井下采掘活動(dòng)的擾動(dòng)影響易引起局部應(yīng)力集中超過支護(hù)體的極限，進(jìn)而引發(fā)沖擊地壓災(zāi)害，威脅人員和采掘設(shè)備的安全[1-4]。

為了實(shí)現(xiàn)對沖擊地壓的有效防治和超前預(yù)警，國內(nèi)外諸多學(xué)者對沖擊地壓的預(yù)警進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[5-7]研究了微震監(jiān)測信號的前兆預(yù)警信息；文獻(xiàn)[8-10]研究了電磁輻射在沖擊風(fēng)險(xiǎn)礦井的預(yù)測方法和電測輻射特性；文獻(xiàn)[11-15]研究了沖擊地壓發(fā)生前的地音前兆信息并進(jìn)行了預(yù)警；文獻(xiàn)[16-18]研究了震動(dòng)場、應(yīng)力場多種監(jiān)測方法聯(lián)合的預(yù)警方法。這些研究在沖擊地壓超前監(jiān)測預(yù)警方面取得大量的有效成果，并且在現(xiàn)場應(yīng)用中對部分沖擊地壓實(shí)現(xiàn)了超前預(yù)警，避免了沖擊地壓災(zāi)害對人員、設(shè)備的危害。但是在動(dòng)載荷沖擊評價(jià)方面，以往研究主要依靠的微震監(jiān)測方法多以班次、天為數(shù)據(jù)分析周期，難以滿足現(xiàn)場在沖擊發(fā)生后危險(xiǎn)性實(shí)時(shí)評價(jià)及時(shí)性的需求。為此，筆者針對沖擊地壓發(fā)生后沖擊現(xiàn)場危險(xiǎn)性實(shí)時(shí)評價(jià)及時(shí)性這一問題，基于地音監(jiān)測提出了沖擊地壓發(fā)生后地音實(shí)時(shí)評價(jià)技術(shù)，將沖擊危險(xiǎn)性評價(jià)的周期縮短至小時(shí)級別。

胡家河煤礦401102綜采工作面回風(fēng)巷在2014年9月9日14時(shí)15分發(fā)生一起沖擊地壓事故，釋放能量為2.7×105J；在事故發(fā)生后于當(dāng)日16時(shí)23分，在沖擊現(xiàn)場附近區(qū)域再次發(fā)生一起1.2×105J的微震事件。上述數(shù)據(jù)表明，在沖擊地壓發(fā)生后，沖擊現(xiàn)場仍存在二次沖擊地壓的潛在危險(xiǎn)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(xiàn)場救援人員的安全產(chǎn)生威脅。

1 沖擊地壓發(fā)生后相關(guān)區(qū)域地音活動(dòng)特征

為獲知沖擊地壓發(fā)生后地音活動(dòng)的特征，分別采用實(shí)驗(yàn)室?guī)r石單軸壓縮聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)測的方法對沖擊地壓發(fā)生前后巖石或煤巖體內(nèi)的地音活動(dòng)變化情況進(jìn)行研究。

1.1 實(shí)驗(yàn)室?guī)r石單軸壓縮聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)室?guī)r石單軸壓縮聲發(fā)射變化如圖1所示。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，巖石內(nèi)的聲發(fā)射活動(dòng)與應(yīng)力的變化呈正相關(guān)關(guān)系。隨著壓力的增加，巖石試件在C點(diǎn)破壞后，試件內(nèi)部的聲發(fā)射現(xiàn)象并未立即消失，聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)(頻次)和能量與B點(diǎn)之前相比仍然處于一個(gè)較高的水平，微小劈裂仍然在一個(gè)比較高的活動(dòng)性上，表明巖石試件在破壞后，其內(nèi)部的微小破裂并立即停止，仍然處于發(fā)育狀態(tài)，直至D點(diǎn)之后巖石徹底破壞，實(shí)驗(yàn)停止后，聲發(fā)射現(xiàn)象歸零?；诖藢?shí)驗(yàn)結(jié)果在煤礦現(xiàn)場可利用巖體首次破壞(一般以高能事件的發(fā)生為標(biāo)志)之后巖體內(nèi)仍然持續(xù)發(fā)生的聲發(fā)射活動(dòng)對沖擊地壓發(fā)生后井下巷道的危險(xiǎn)性進(jìn)行實(shí)時(shí)評價(jià)。

圖1 實(shí)驗(yàn)室?guī)r石單軸壓縮聲發(fā)射變化

1.2 煤礦現(xiàn)場沖擊地壓發(fā)生后地音活動(dòng)的特點(diǎn)

與實(shí)驗(yàn)室相比，煤礦現(xiàn)場影響因素較多，二者之間的監(jiān)測結(jié)果存在不同程度的差別，為更加準(zhǔn)確分析沖擊地壓發(fā)生后地音活動(dòng)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(jìn)行沖擊地壓發(fā)生后地音活動(dòng)規(guī)律的研究。

1.2.1 胡家河煤礦沖擊地壓發(fā)生后地音活動(dòng)特點(diǎn)

通過對圖2中胡家河煤礦401102工作面回風(fēng)巷內(nèi)的地音監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在2014年9月7日3時(shí)起地音活動(dòng)(能量和頻次)開始明顯增加，至9月9日沖擊地壓發(fā)生前一直處于較高的水平，在9月9日14時(shí)15分沖擊地壓發(fā)生后，地音活動(dòng)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(dòng)顯著減弱并呈現(xiàn)持續(xù)降低的趨勢，至9月9日22時(shí)，地音活動(dòng)與峰值相比降低了87%且低于沖擊前3日內(nèi)的地音活動(dòng)最低值，隨后地音活動(dòng)一直處于低水平活動(dòng)狀態(tài)，自首次沖擊發(fā)生至地音活動(dòng)趨于平穩(wěn)共耗時(shí)8 h。

圖2 胡家河煤礦40102工作面回風(fēng)巷地音活動(dòng)變化情況

1.2.2 亭南煤礦沖擊后地音活動(dòng)特點(diǎn)

亭南煤礦于2020年4月11日17時(shí)26分監(jiān)測到在307運(yùn)輸巷內(nèi)超前工作面200 m左右發(fā)生1次104J級微震事件；該事件發(fā)生后地音活動(dòng)呈現(xiàn)波動(dòng)式下降的特點(diǎn)，至4月12日10時(shí)地音能量、頻次與峰值降低99%，且低于沖擊地壓發(fā)生前3日內(nèi)的地音活動(dòng)最低值，隨后地音活動(dòng)一直處于低水平活動(dòng)狀態(tài)，自沖擊地壓發(fā)生至地音活動(dòng)趨于平穩(wěn)共耗時(shí)16 h。

上述監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，煤礦現(xiàn)場地音活動(dòng)與實(shí)驗(yàn)室聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)結(jié)果類似，二者均出現(xiàn)了巖體(試件)破壞后地音活動(dòng)(聲發(fā)射活動(dòng))仍然持續(xù)發(fā)生的現(xiàn)象。同時(shí)，胡家河煤礦監(jiān)測數(shù)據(jù)說明其在首次沖擊2 h后現(xiàn)場又發(fā)生二次沖擊，2次沖擊間隔時(shí)間較短，采用微震監(jiān)測法以小時(shí)、班次、天為單位進(jìn)行微震活動(dòng)分析預(yù)警的方法將難以滿足對動(dòng)載荷二次沖擊地壓的超前預(yù)警需求。

2 沖擊地壓發(fā)生后地音危險(xiǎn)性實(shí)時(shí)評價(jià)技術(shù)

依據(jù)前述分析，在沖擊地壓發(fā)生后地音活動(dòng)開始呈現(xiàn)波動(dòng)式下降的趨勢，但地音活動(dòng)的絕對值相較于沖擊地壓發(fā)生前仍然處于較高水平，為了對活動(dòng)特性進(jìn)行準(zhǔn)確評價(jià)，采用曼·肯德爾(Mann-Kendall，MK)檢驗(yàn)法作為地音活動(dòng)變化的評價(jià)方法。

MK檢驗(yàn)是一種非參數(shù)的時(shí)間序列趨勢性檢驗(yàn)方法，其檢驗(yàn)原理是通過比較每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)與其之前數(shù)據(jù)點(diǎn)的大小，來檢測時(shí)間序列數(shù)據(jù)中的單調(diào)趨勢(上升、下降或沒有趨勢)。它的特點(diǎn)是不需要測量值服從正態(tài)分布，不受缺失值和異常值的影響，適用于長時(shí)間序列數(shù)據(jù)的趨勢顯著檢驗(yàn)；該方法對于數(shù)據(jù)的要求符合地音監(jiān)測數(shù)據(jù)的特點(diǎn)。其計(jì)算過程如下：

(1)按照地音數(shù)據(jù)發(fā)生的時(shí)間順序取出一個(gè)長度為n的數(shù)據(jù)集X={x1，x2，…，xn}，進(jìn)而確定所有n(n-1)/2個(gè)xi-xj的差值函數(shù)sgn(xi-xj)，其中n≥i>j≥1：

(1)

(2)對n(n-1)/2個(gè)xi-xj的差值函數(shù)sgn(xi-xj)進(jìn)行求和得出數(shù)值S：

(2)

若S是1個(gè)正值，說明后一時(shí)期的地音活動(dòng)相比之前的地音活動(dòng)會(huì)趨向于增加；若S是1個(gè)負(fù)值，則說明后一時(shí)期的地音活動(dòng)相比之前的地音活動(dòng)會(huì)趨向于減弱。對統(tǒng)計(jì)量S進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，標(biāo)準(zhǔn)化后的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Z計(jì)算方法如下：

采用雙邊趨勢檢驗(yàn)，對于給定的置信水平α，在正態(tài)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(shù)據(jù)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(dāng)Z的絕對值大于1.65、1.96和2.58時(shí)，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(yàn)。當(dāng)Z>0時(shí)表示地音活動(dòng)仍然具有增加特性，當(dāng)Z<0時(shí)表示地音活動(dòng)呈現(xiàn)減少特性，故以Z=0作為作為本次沖擊地壓影響是否結(jié)束的標(biāo)志。

3 沖擊地壓發(fā)生后地音危險(xiǎn)性實(shí)時(shí)評價(jià)技術(shù)的現(xiàn)

場驗(yàn)證

將上述評價(jià)方法應(yīng)用于胡家河煤礦和亭南煤礦沖擊地壓發(fā)生后現(xiàn)場危險(xiǎn)性的實(shí)時(shí)評價(jià)，以15 d為步距(式1中的n)計(jì)算沖擊后Z值變化，結(jié)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(fā)生后，Z值不僅大于0，而且呈現(xiàn)上漲趨勢，表明地音活動(dòng)增加顯著，沖擊地壓發(fā)生現(xiàn)場煤巖體破裂的強(qiáng)度較大；隨后Z值逐漸降低，表明地音活動(dòng)增加趨勢降低；而后胡家河煤礦地音活動(dòng)在沖擊8 h后，亭南煤礦地音活動(dòng)在沖擊27 h后，Z值等于0，此后地音活動(dòng)開始逐漸降低，表明此時(shí)沖擊地壓影響結(jié)束。綜上所述，地音活動(dòng)在沖擊地壓發(fā)生后并非立即呈現(xiàn)降低的趨勢，而是呈現(xiàn)先增加再降低的態(tài)勢。

4 結(jié)論

(1)在沖擊地壓發(fā)生后，沖擊區(qū)域的地音活動(dòng)并非呈現(xiàn)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(fēng)險(xiǎn)。

(2)利用MK趨勢法的Z值變化進(jìn)行沖擊地壓發(fā)生后危險(xiǎn)性的實(shí)時(shí)評價(jià)，當(dāng)Z值大于0時(shí)，表明沖擊地壓現(xiàn)場仍具有二次沖擊的風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)Z值降低至0時(shí)則表明本次沖擊結(jié)束。

(3)通過在胡家河煤礦和孟村煤礦的應(yīng)用驗(yàn)證，結(jié)果表明Z值的變化規(guī)律能夠反應(yīng)沖擊地壓發(fā)生現(xiàn)場危險(xiǎn)程度的變化規(guī)律，合理確定沖擊地壓影響結(jié)束的時(shí)間。