掘進工作面突出危險性聲發射預測技術

趙 晶王栓林

（1.煤炭科學技術研究院有限公司安全分院，北京市朝陽區，100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室（煤炭科學研究總院），北京市朝陽區，100013）

掘進工作面突出危險性聲發射預測技術

趙 晶1，2王栓林1，2

（1.煤炭科學技術研究院有限公司安全分院，北京市朝陽區，100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室（煤炭科學研究總院），北京市朝陽區，100013）

通過實例分析了基于聲發射實時監測技術設置2個實時監測斷面，結合巷道掘進過程中錨桿支護及松動圈發育范圍，通過在一定深度的鉆孔中安裝聲發射傳感器來實現巷道噪音濾除和原始煤巖聲發射信號的采集，設定一定的初始參考臨界值，并對聲發射的大、小事件數進行統計分析，結合常規測試鉆屑瓦斯解吸指標K1值和鉆屑量S值進行對比分析，進一步驗證聲發射技術用于防突實時預測的可行性，并根據監測預警提前采取相應的防突措施，實現了礦井的安全生產。

掘進工作面 突出危險性 聲發射 鉆屑瓦斯解吸指標值 鉆屑量 監測預警

隨著礦井開采強度和深度的加大，煤與瓦斯突出礦井的數量也在大量增加，突出機理方面的研究從單因素向多因素發展，廣泛認同煤與瓦斯突出的綜合作用學說，即突出是由地應力、瓦斯壓力和煤體物理結構等因素綜合作用導致的力學失穩。依據《防治煤與瓦斯突出規定》中突出預測技術廣泛采用鉆屑瓦斯解吸指標、鉆屑量、鉆孔瓦斯涌出初速度及瓦斯放散初速度等靜態指標預測法，需要打鉆施工進行測試，測試周期長、誤差高且耗時費力。

聶百勝等認為煤與瓦斯突出預測發展趨勢是連續動態監測，即采用聲發射技術定位、電磁輻射技術連續預測、瓦斯動態涌出量準確預警。文光才等對聲發射監測不同堅固性系數煤巖體發生動力災害的適用條件進行了研究。張偉民等通過聲發射監測系統對工作面突出危險性實時監測研究，提出了聲發射信號相對變化率指標NE。鄒銀輝等對聲發射連續監測的濾噪工藝進行了探討。王栓林等利用時間序列建立突出危險前兆信息獲取模型，并基于綜合指標G對突出危險性進行實時跟蹤預測。康建東通過聲發射預測扭轉構造帶的突出危險性，并確定參考臨界值。

目前在突出聲發射監測系統方面均處于現場試驗階段，聲發射指標及其臨界值等多方面均處于探討階段，且由于受產業政策調整、煤炭產能過剩、煤層氣開發利用、煤與瓦斯共采等影響，礦井實際生產當中堅持先抽后掘，抽采達標后才進行采掘活動，多種原因造成突出危險性聲發射監測全面推廣難度較大。本文主要針對甘肅海石灣煤礦利用聲發射實時監測技術進行掘進工作面的突出危險性預測的試驗研究，并通過與常規測試的鉆屑解吸指標和鉆屑量進行對比分析，進一步驗證聲發射技術現場監測突出的系統可行性。

1　監測原理和監測方法

1.1 突出預測的聲發射監測原理

在煤巖受力破壞，裂紋不斷擴展的過程中，以彈性波的形式釋放應變能的現象即為聲發射，多數學者對煤巖聲發射特性開展大量研究，包括含水率和溫度對聲發射的影響，但大多均側重于實驗室研究。煤與瓦斯突出機理方面研究較多，普遍認為突出是由于煤巖力學系統的失穩形成的，在突出的過程當中會有大量的煤巖斷裂破碎脫離原始煤體，并伴隨有煤巖斷裂形成的煤炮聲，這種煤炮聲就是聲發射的一種表現形式。在突出發生之前，微小斷裂擴展的過程當中會有大量的前兆信息，這種前兆信息可以通過捕捉煤巖斷裂的聲發射信息來進行描述，因此可以用監測到的聲發射信息來對煤與瓦斯突出危險性進行預測，其具體的監測流程見圖1。

1.2 聲發射參數的選用

常用的聲發射參數主要包括過程參數和狀態參數。過程參數又包括累積參數和統計參數，累積參數有累積事件數和累積能量等，統計參數有振幅分布、頻率分布等；狀態參數有聲發射事件率等。煤與瓦斯突出聲發射預測中通常采用累積參數中的大事件數、小事件數，其中大事件指大型煤巖體破壞斷裂信號，小事件指煤巖體的微觀破碎信號。在實際使用過程中，需要對聲發射的各種參數進行選擇、數據分析，并建立預測模型，本次選用聲發射的大事件數、小事件數與常規鉆屑瓦斯解吸指標K1和鉆屑量S值進行對比驗證。

圖1　聲發射監測突出的流程

1.3 聲發射傳感器安裝

聲發射傳感器要盡量安裝在原始煤層當中，煤巷掘進過程中會在巷道周圍形成一定范圍的松動圈，安裝聲發射傳感器需要避開煤幫的破碎區域。具體安裝方法是垂直巷幫施工鉆孔，在鉆孔內安裝聲發射信號傳導桿，并保持與鉆孔孔底緊密接觸，再在孔口安裝聲發射傳感器，見圖2。

圖2　聲發射傳感器安裝方法

1.4 監測分析方法

通過24 h實時數據的變化趨勢，對比礦井鉆屑瓦斯解吸指標K1值和鉆屑量S值來驗證和分析發生煤與瓦斯突出的可能性，以及時采取消突措施，并通過調節傳感器的電位器來調節靈敏度，進而確定出符合礦井實際條件的防突預測臨界指標。

2　監測實例分析

2.1 試驗工作面

甘肅海石灣煤礦產能是150萬t/a，為煤與瓦斯突出礦井，選擇6222工作面作為突出預測的試驗工作面。6222工作面位于二采區西部，礦井西部的邊緣地帶，開采2#煤層。2#煤層厚5.2～11 m，平均8.65 m，煤層傾角7°～15°，平均11°。煤層偽頂為炭質泥巖，厚0～0.4 m，呈片狀、鱗片狀，局部夾有煤線；直接頂為細砂巖，較致密堅硬；老頂多為油頁巖或含油質粉砂巖，厚5～7 m；直接底多為灰白色含礫粉、細砂巖或鮞狀細砂巖，含有煤屑和炭化的植物根痕，膠結致密、堅硬；老底為灰白色細砂巖或含礫細砂巖，厚度變化大，一般在10 m左右。

工作面地質構造復雜，2#煤層起伏較大，裂隙發育，包括兩條較大的斷層，CH4含量在4～7 m3/t之間，屬于瓦斯地質復雜地帶。

2.2 監測布置方案

根據目標監測巷道的瓦斯地質資料，選擇在6222工作面運輸巷進行測點布置，距離掘進工作面15～20 m的位置布置兩個監測斷面。6222工作面設2個斷面，每個斷面安裝2個聲發射傳感器并連接智能分站到監控系統，可以實現數據的實時記錄和上傳。聲發射監測測點布置如圖3。

圖3　聲發射監測測點布置

為盡量避開巷道兩幫的圍巖松動圈，減小信號損失，同時減少巷道內機械噪音、放炮等外界因素的影響，選擇在垂直巷幫施工鉆孔，鉆孔直徑為42 mm，深度為2 m。

2.3 監測數據分析

現場試驗監測24 h實時監控，監測6222工作面運輸巷掘進工作面的2個斷面，共4個聲發射傳感器，預設聲發射事件數報警閾值為大事件數80次，小事件數500次，能量2000 J。2#煤層為突出危險煤層，6222運輸巷掘進過程中煤炮聲較為頻繁，礦井安全監控系統顯示的瓦斯濃度通常處于0.4%～0.5%的較高范圍。

2015年4月22日之前6222運輸巷掘進過程中僅工作面放炮時出現零星的大事件，但4月22 日19∶44開始出現大量的大事件，并且傳感器出現報警，相應的小事件數也增加。聲發射事件數監測曲線如圖4所示。由圖4可以看出，4月27日凌晨開始出現較多的大事件數，小事件數密集，此時6222工作面運輸巷由于放炮誘發掘進頭的小型動力現象壓出，壓出煤量3 t，進而連續發生由掘進工作面正前至后巷長達8 m的冒頂，相應的CH4濃度達到16.9%，CO2濃度5.1%。通過聲發射傳感器的提前預警，井下人員全部安全撤離掘進工作面，后續通過施工超前排放孔和瓦斯抽放等措施消除其突出危險性。

圖4　聲發射事件數監測曲線

而在期間現場測試的K1值和最大鉆屑量S值曲線如圖5所示。由圖5可知，現場測試數據的變化趨勢與聲發射監測數據曲線較為一致，進一步驗證聲發射監測的合理和可靠性。

圖5　K　1值和最大鉆屑量S值測試曲線

3　結論

（1）掘進工作面突出危險聲發射監測預警達到了實時監測預警的目的，其準確性通過與常規瓦斯解吸指標和鉆屑量的對比分析進一步得以驗證。

（2）設定的報警閾值較為合理，但是作為聲發射突出敏感指標的臨界值需要數據分析和濾噪方面進行深入研究。

（3）為保護聲發射監測傳感器，設計監測斷面布置離掘進工作面有15～20 m的距離，有一定滯后，有待改進監測方法和安裝工藝。

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（責任編輯 張艷華）

Prediction technology of outburst-hazard acoustic emission at driving work faces

Zhao Jing1，2，Wang Shuanlin1，2
（1.Mine Safety Technology Branch of China Coal Research Institute，Chaoyang，Beijing 100013，China；2.State Key Laboratory of Efficient Exploitation and Utilization of Coal Resources （China Coal Research Institute），Chaoyang，Beijing 100013，China）

Some examples suggested that based on acoustic emission monitoring technology two monitoring cross-sections were set up.Considering bolts support and loose circle development during tunnel driving，installing acoustic emission sensor in boreholes at certain depth could realize noise filtering in roadways and collection of original acoustic emission signal of coal and rock.Setting certain initial reference values and analyzing statistically the number of acoustic emission，associated with comparison of drilling cuttings gas desorption index K1 and the amount of drilling cuttings S，further validated feasibility of applying acoustic emission technology into outburst prevention and prediction and achieved safety production of mines on the basis of corresponding outburst prevention action.

driving work face，outburst hazard，acoustic emission，drilling cuttings gas desorption index，amount of drilling cuttings，monitoring and early warning

TD713

A

趙晶（1979-），男，山西原平人，工程師，碩士，主要從事煤礦瓦斯治理與利用工程技術方面的科研和管理工作。