瓦斯噴孔過程聲發(fā)射響應規(guī)律研究

李國愛，　李忠輝，　婁全，　李學龍，　張偉強

(1.煤礦瓦斯與火災防治教育部重點實驗室， 江蘇 徐州　221116；2.中國礦業(yè)大學 安全工程學院， 江蘇 徐州　221116)

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瓦斯噴孔過程聲發(fā)射響應規(guī)律研究

李國愛1，2，李忠輝1,2，婁全1,2，李學龍1,2，張偉強1,2

(1.煤礦瓦斯與火災防治教育部重點實驗室， 江蘇 徐州221116；2.中國礦業(yè)大學 安全工程學院， 江蘇 徐州221116)

為預防石門揭煤過程中可能誘發(fā)的突出危險，基于聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)，對某礦石門揭煤過程中瓦斯噴孔時的聲發(fā)射活動進行了測試和分析。分析研究結果表明，聲發(fā)射強度通常在噴孔發(fā)生前2～3 h迅速升高，峰值強度可達到無突出危險時的2～3倍，在噴孔發(fā)生前又突降至較低水平；噴孔越嚴重，聲發(fā)射強度值越高；聲發(fā)射強度變化的幅度能夠反映噴孔嚴重性，噴孔動力現(xiàn)象越明顯，瓦斯體積分數(shù)變化越劇烈，煤巖體聲發(fā)射強度增長率越大且峰值強度越高。該分析研究結果對石門揭煤中突出危險性的監(jiān)測預報有重要的參考意義。

石門揭煤； 噴孔； 聲發(fā)射； 前兆規(guī)律； 應力集中

網(wǎng)絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160429.1124.009.html

0　引言

隨著煤礦開采深度和開采強度日益增大，煤與瓦斯突出的危險性也日趨嚴重。由于石門揭煤中瓦斯存儲條件的特殊性，導致其發(fā)生煤與瓦斯突出的平均強度和破壞性都是各類突出事故中最大的，突出一旦發(fā)生，帶給礦井的災難將是巨大的[1]。因此，石門揭煤工作是煤與瓦斯突出預測的重點。

在石門揭煤防突工程中，國內(nèi)外常用到的預測方法有綜合指標Π0、B綜合指標法[2]、D、K綜合指標法[3]、鉆屑指標法和鉆孔瓦斯涌出速度結合瓦斯涌出衰減系數(shù)法[4]等單項指標法。這些靜態(tài)突出預測方法在石門揭煤突出預測中得到了廣泛的應用，但存在著通用性和相關性差、準確性低、費用高的問題。所以，目前用來預測突出危險的動態(tài)連續(xù)預測方法越來越受到重視。常用的動態(tài)連續(xù)預測方法有電磁輻射、微震、采場壓力變化、瓦斯涌出特征、聲發(fā)射等[5]，可實現(xiàn)實時、連續(xù)的預測。早在20世紀40年代，美國用聲發(fā)射技術和監(jiān)測系統(tǒng)對巖爆進行了預測；在20世紀80年代，英國采用聲發(fā)射突出預測系統(tǒng)在南威爾士煤田的Cynheire礦進行了煤與瓦斯突出預測的試驗[6-7]。近年來，俄羅斯研究人員發(fā)現(xiàn)突出危險帶聲發(fā)射信號頻率比非突出危險帶聲發(fā)射信號頻率窄，且突出危險帶聲發(fā)射信號多集中在高頻范圍[8]。石顯鑫等[9]研究認為，聲發(fā)射的總事件、大事件和能量參數(shù)能較好地反映聲發(fā)射活動特征，總事件的增多、大事件的急劇增加，是突出發(fā)生的預兆。賀虎等[10]分析了煤巖體損傷破壞與聲發(fā)射之間的耦合關系，論述了利用聲發(fā)射評價沖擊礦壓危險的可行性。曹樹剛等[11]對突出煤樣破壞全過程聲發(fā)射進行了研究，通過對比分析聲發(fā)射的表征參數(shù)，發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射振鈴事件可作為煤巖動力災害預測的重要參數(shù)之一。王恩元等[12]將聲電監(jiān)測預警系統(tǒng)應用于煤與瓦斯突出監(jiān)測預警，取得了較好的預警效果，顯著提高了突出預警準確率。

以上研究表明，國內(nèi)外廣大科研工作者在實驗室和現(xiàn)場對突出煤巖體破壞時聲發(fā)射特征進行了大量研究，取得了卓有成效的成果，但研究聲發(fā)射監(jiān)測在石門揭煤中應用的較少。由于石門揭煤的復雜性和地質(zhì)條件的多樣性，且石門揭煤過程是發(fā)生突出危險的重要區(qū)域，所以，本文對石門揭煤過程中的瓦斯噴孔進行了聲發(fā)射監(jiān)測，分析了聲發(fā)射在噴孔發(fā)生前后時間和強度上的變化規(guī)律，探討了噴孔動力現(xiàn)象與聲發(fā)射響應的內(nèi)在動力學演化規(guī)律，為預防噴孔的發(fā)生和突出危險的發(fā)生提供聲發(fā)射依據(jù)。本研究成果對石門揭煤中突出危險性的監(jiān)測預報有一定的參考意義。

1　現(xiàn)場測試

1.1測試地點概況

現(xiàn)場測試是在河北某礦進行，該礦可采與局部可采煤層共7層，分別是5、7、8、9、11、12-1和12-2煤層，主要分布于煤系地層中部的二疊系下統(tǒng)大苗莊組和石炭系上統(tǒng)趙各莊組。其中主要可采煤層為7、9和12-1煤層，均屬復結構的中厚～厚煤層。該礦水文地質(zhì)條件屬中等型，其中5煤層頂板及12-1煤層、14煤層砂巖裂隙含水層含水性較強，是采掘、開拓工作面的主要充水水源。

聲發(fā)射系統(tǒng)應用在該礦的-850主石門揭煤，-850主石門位置如圖1所示。該主石門位于三水平首采區(qū)——十四采區(qū)，為銜接-1100～-850暗立井的重要開拓工程，位于-850西大巷西北方向，開口處在-850西大巷W14點前24.9 m。-850主石門所在的5煤層受斷層和原始沉積的影響，煤層厚度不穩(wěn)定，煤厚為0.2～5.2 m，平均厚度為2.26 m，頂板為灰黑色泥巖，厚度為0.5 m，底板為深灰色粉砂巖，厚度為1.2 m。巖層傾角較緩，平均為8 °。5煤層受斷層和地應力的影響，煤層松軟易碎，硬度較小，根據(jù)施工的地質(zhì)探查鉆孔以及地面鉆孔測得5煤層普氏系數(shù)為0.19～0.39，瓦斯放散初速度為17.3～23.8 mL/s，瓦斯含量為2.26～10.05 m3/t。

圖1　-850主石門位置

1.2現(xiàn)場測試方案

為對揭煤過程中的突出危險性進行有效監(jiān)測預警，該礦安裝了GDD12聲電瓦斯同步監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)包括聲發(fā)射傳感器、電磁輻射傳感器、主機及其他相關部分。該系統(tǒng)可進行煤與瓦斯突出在線式監(jiān)測，具有探測范圍廣、靈敏度高、安裝簡潔方便等特點，監(jiān)測儀器可通過分站接入井下環(huán)網(wǎng)，再通過交換機將數(shù)據(jù)上傳至井上的監(jiān)控中心，便于及時查看和分析。主機和傳感器都要隨工作面的推進同步前移。由于聲發(fā)射傳感器探測距離為7～22 m，所以，將聲發(fā)射探頭用專用夾具固定在距離工作面5 m的波導桿上，監(jiān)測儀器和傳感器也要隨工作面的推進同步前移?，F(xiàn)場監(jiān)測儀器布置如圖2所示。

圖2　現(xiàn)場監(jiān)測儀器布置

2　瓦斯噴孔聲發(fā)射響應規(guī)律分析

2.1瓦斯噴孔發(fā)生前后聲發(fā)射響應規(guī)律

瓦斯噴孔是一種典型的突出危險顯現(xiàn)現(xiàn)象，本文結合現(xiàn)場打鉆過程中噴孔發(fā)生前后聲發(fā)射響應規(guī)律進行分析。瓦斯噴孔發(fā)生前后聲發(fā)射強度變化與瓦斯體積分數(shù)對比如圖3—圖5所示。

圖3中，11：30左右發(fā)生了一次噴孔現(xiàn)象，這次噴孔發(fā)生時，瓦斯體積分數(shù)突然升高，由0.02%躍升至0.35%，在相對瓦斯體積分數(shù)較高的環(huán)境下持續(xù)時間約為90 min，這個過程前期伴有少量的煤噴出。這次噴孔發(fā)生前聲發(fā)射強度出現(xiàn)了明顯的反應，在發(fā)生噴孔3 h前的聲發(fā)射穩(wěn)定期內(nèi),聲發(fā)射強度一直在50 mV左右波動，在噴孔前3 h內(nèi)(08:00)聲發(fā)射強度開始出現(xiàn)升高，2 h內(nèi)(09:30)達到最高200 mV左右，然后下降再升高，總體呈現(xiàn)波動型變化趨勢。11:30噴孔開始發(fā)生，在12:00，瓦斯體積分數(shù)達到最高，噴孔發(fā)生后聲發(fā)射強度在100 mV左右平穩(wěn)波動，但這個時間段內(nèi)的聲發(fā)射強度要高于發(fā)生異常前的穩(wěn)定值，約為聲發(fā)射穩(wěn)定期內(nèi)的2倍。

圖4中，5月23日凌晨發(fā)生了一次噴孔現(xiàn)象，本次噴孔瓦斯體積分數(shù)最高達到0.40%，持續(xù)時間約為3 h，而且噴出的煤量較多。這次噴孔發(fā)生前聲發(fā)射變化規(guī)律:在噴孔發(fā)生3 h前，即穩(wěn)定期聲發(fā)射強度基本維持在75 mV左右，前2.5 h左右(23:30)，聲發(fā)射強度開始出現(xiàn)異常升高，在前1.5 h左右(00:30)達到最高的240 mV，然后開始出現(xiàn)下降，噴孔發(fā)生前0.5 h左右(01:30)降到80 mV左右。02：00發(fā)生噴孔，在02:30瓦斯體積分數(shù)升到最高，噴孔后聲發(fā)射強度在75 mV附近波動，與異常前強度基本持平。

圖3　5月15日噴孔發(fā)生前后聲發(fā)射強度變化與瓦斯體積分數(shù)對比

圖4　5月23日噴孔發(fā)生前后聲發(fā)射強度變化與瓦斯體積分數(shù)對比

圖5　5月26日噴孔發(fā)生前后聲發(fā)射強度變化與瓦斯體積分數(shù)對比

2015年5月26日發(fā)生了一次間歇性多次噴孔事件(圖5)，第1次噴孔開始的時間是10:00前，瓦斯體積分數(shù)突然從0.05%異常升高到0.3%，接著在12:00前和16:00前發(fā)生了第2、3次噴孔事件，且第3次瓦斯體積分數(shù)最高達0.36%，從瓦斯體積分數(shù)和現(xiàn)場噴煤量的情況來看，這3次噴孔事件中，第3次噴孔能量最大。在2次較大噴孔發(fā)生前，聲發(fā)射強度都有較為明顯的變化。從圖5可以看出，10:00前(第1次噴孔前)，聲發(fā)射強度呈階梯狀上升，提前2 h(08:00)聲發(fā)射強度開始出現(xiàn)異常升高現(xiàn)象，噴孔前30 min(09:30)，聲發(fā)射強度升到最高122 mV，并在噴孔前(10:00)降低到75 mV左右。在12:00前,即這次小規(guī)模噴孔前后，聲發(fā)射強度變化幅度不明顯。在16:00前，即這次噴孔發(fā)生前，聲發(fā)射強度提前3 h(13:00)開始出現(xiàn)異常升高，并在前1.5 h內(nèi)(14:30)升到最高125 mV，然后出現(xiàn)規(guī)律性的下降,在噴孔前30 min(15:30)降到70 mV左右。16:00發(fā)生噴孔后，聲發(fā)射強度在70 mV左右變化，較出現(xiàn)異常前有較大幅度升高。26日的2次聲發(fā)射異常都提前瓦斯異常2～3 h出現(xiàn)變化且有較強的規(guī)律性。

2.2瓦斯噴孔事件聲發(fā)射響應規(guī)律分析

從圖3—圖5可以得出，3次噴孔前，聲發(fā)射強度都有很明顯的前兆變化，在噴孔前的2～3 h，聲發(fā)射強度開始出現(xiàn)異常升高現(xiàn)象，而且在升高之前都處于一個相對平穩(wěn)的狀態(tài)，沒有出現(xiàn)大的波動，聲發(fā)射強度峰值是平穩(wěn)時期強度的2～3倍，在噴孔發(fā)生前期，聲發(fā)射強度又恢復到一個相對穩(wěn)定的值。這個前兆反應說明現(xiàn)場的聲發(fā)射監(jiān)測能夠?qū)γ簬r動力現(xiàn)象的發(fā)生做出很好的提前響應。當聲發(fā)射強度出現(xiàn)類似的變化趨勢時，應該加強掘進工作面前方的安全檢查，注意掘進工作面前方的施工安全，防范煤與瓦斯突出危險的發(fā)生。

比較15日、23日、26日3次動力噴孔現(xiàn)象，從瓦斯體積分數(shù)、聲發(fā)射信號變化方面和噴孔的持續(xù)時間和規(guī)模方面可以發(fā)現(xiàn)，聲發(fā)射信號對瓦斯噴孔顯現(xiàn)具有明確的響應，當煤體聲發(fā)射強度和瓦斯體積分數(shù)呈現(xiàn)快速增長時，說明掘進工作面前方瓦斯噴孔危險性逐漸增強，需要進一步做好突出防范措施。

從這3次動力事件中可以看出，聲發(fā)射強度可以從2個不同方面反映出噴孔動力的大?。孩?聲發(fā)射峰值強度越高，噴孔動力現(xiàn)象越明顯；② 聲發(fā)射峰值強度較穩(wěn)定期內(nèi)強度增加倍數(shù)越多，噴孔動力現(xiàn)象越嚴重。

3　聲發(fā)射強度與瓦斯體積分數(shù)變化關系

從聲發(fā)射強度和瓦斯體積分數(shù)變化的觀測結果可以看出，前兆變化很明顯，主要原因是打鉆擾動了前方原本封閉、平衡的煤巖體，瓦斯迅速解析產(chǎn)生很大的瓦斯壓力，使深部煤巖體發(fā)生破裂，產(chǎn)生應力波，積蓄的能量越高，破裂越嚴重，聲發(fā)射強度越強。當鉆桿鉆進到破裂的煤巖體時，噴孔發(fā)生，能量得到釋放，聲發(fā)射強度迅速恢復到較低水平。

3.1聲發(fā)射強度增長速率與瓦斯體積分數(shù)變化的關系分析

聲發(fā)射強度增長速率最大值與瓦斯體積分數(shù)變化的關系見表1。從表1可以看出，瓦斯體積分數(shù)變化大，聲發(fā)射強度增長速率快，兩者的變化不是直接的線性關系，但具有較好的吻合一致性。從表1中噴孔聲發(fā)射強度增長速率對比可以發(fā)現(xiàn)，聲發(fā)射強度增長速率越快，噴孔動力現(xiàn)象越明顯；26日聲發(fā)射強度增長速率沒有前2次增長速率快，且瓦斯體積分數(shù)變化差值比15日和23日變化小，這是因為這次是間斷式多次噴孔，能量得到了緩慢的釋放，但從總體能量來看，26日噴孔規(guī)模要強于前2次，所以，聲發(fā)射強度增長速率能部分反映出噴孔強度變化，聲發(fā)射強度增長速率越快，噴孔動力越強。

表1　聲發(fā)射強度增長速率最大值與瓦斯體積分數(shù)變化的關系

3.2聲發(fā)射與瓦斯涌出關系探討

根據(jù)現(xiàn)場情況和地質(zhì)條件分析，可得出聲發(fā)射與瓦斯涌出之間的主要關系：① 石門揭煤巷道處于-850 m，水平埋深大，地應力較大，很容易造成應力集中現(xiàn)象，引起內(nèi)部煤巖層的斷裂，產(chǎn)生聲發(fā)射應力波，打鉆過程內(nèi)部地應力通過瓦斯噴出得到釋放，所以，聲發(fā)射要提前于瓦斯體積分數(shù)變化；② 掘進工作面地質(zhì)條件復雜，在其前方和頂部不遠處就是3 m厚的煤層，煤質(zhì)軟，瓦斯含量高，瓦斯壓力大，在卸壓過程中很容易造成煤巖體的破壞，產(chǎn)生震動。

4　結語

對石門揭煤過程中的瓦斯噴孔進行了聲發(fā)射監(jiān)測，分析了瓦斯噴孔發(fā)生前后聲發(fā)射響應規(guī)律、聲發(fā)射強度增長速率與瓦斯體積分數(shù)變化關系，得出了如下結論，為預防瓦斯噴孔和突出危險的發(fā)生提供了一定的幫助。

(1) 石門揭煤過程中，聲發(fā)射強度通常在噴孔發(fā)生前2～3 h迅速升高，峰值強度達到平穩(wěn)時期的2～3倍，在噴孔發(fā)生前又降低到一個低值并小幅度變化。

(2) 聲發(fā)射強度前兆變化反映了噴孔動力的大小，聲發(fā)射峰值強度越高，噴孔動力現(xiàn)象越明顯；聲發(fā)射峰值強度較穩(wěn)定期內(nèi)強度增加倍數(shù)越多，噴孔動力現(xiàn)象越嚴重；聲發(fā)射強度增長速率越快，噴孔動力越強。

(3) 地質(zhì)構造復雜，地應力集中，煤層較軟，瓦斯含量及瓦斯壓力大，噴孔前煤巖體破裂釋放能量等導致聲發(fā)射強度變化超前于瓦斯體積分數(shù)升高。

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Study of response regularity of acoustic emission in gas jet orifice

LI Guo′ai1,2,LI Zhonghui1,2,LOU Quan1,2,LI Xuelong1,2,ZHANG Weiqiang1,2

(1.Key Laboratory of Gas and Fire Control for Coal Mines of Ministry of Education, Xuzhou 221116, China; 2.School of Safety Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116 China)

In order to prevent danger of coal and gas outburst in process of rock cross-cut coal uncovering, tests and analysis on acoustic emission in rock cross-cut coal uncovering process in a coal mine were conducted based on acoustic emission monitoring system. The analysis and research results indicates that acoustic emission intensity increases rapidly in 2-3 hours before jet orifice occurred, peak strength can reach 2-3 times higher than that no outburst danger, then dropped to lower level before jet orifice occurred. The more serious the jet orifice was, the higher the intensity of acoustic emission was. The variation range of the acoustic emission intensity could reflect severity of the jet orifice, the more obvious the jet orifice was, the more severe the changes of gas concentration was, the greater the growth rate of coal and rock acoustic emission intensity was and the higher the peak intensity was. The analysis and research results have important reference significance for monitoring and forecasting of coal outburst risk in rock cross-cut coal uncovering.

rock cross-cut coal uncovering; jet orifice; acoustic emission; precursor law; stress concentration

1671-251X(2016)05-0036-05

10.13272/j.issn.1671-251x.2016.05.009

2015-12-22；

2016-01-27；責任編輯：張強。

國家自然科學基金項目(51574231)；教育部科學技術研究項目(113031A)；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助項目(2014ZDPY23)；江蘇省研究生培養(yǎng)創(chuàng)新工程項目(KYLX15_1429)。

李國愛(1990-)，男，河南林州人，碩士研究生，研究方向為礦山煤巖動力災害，E-mail：lga_2014@163.com。

TD713

A網(wǎng)絡出版時間：2016-04-29 11:24

李國愛，李忠輝，婁全，等.瓦斯噴孔過程聲發(fā)射響應規(guī)律研究[J].工礦自動化，2016,42(5)：36-40.