沖擊地壓聲-能信息時空分布特征及預測分析*

王　鵬，陳　通，司俊鴻，宋　超

(1.陜西煤業化工技術研究院有限責任公司，陜西 西安710065；2.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054)

?

沖擊地壓聲-能信息時空分布特征及預測分析*

王鵬1，2，陳通1，司俊鴻1，宋超1

(1.陜西煤業化工技術研究院有限責任公司，陜西 西安710065；2.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054)

華亭煤礦沖擊傾向性強、危害性大，要實現沖擊地壓超前預報，必須對其前兆信息進行采集和分析。通過在250103工作面兩幫布置地音監測系統，捕捉沖擊地壓發生全過程的聲-能信息，結合來壓步距、推進距離，對其表現的4個階段：貧寂期、活躍期、突變期、回穩期進行時空特征分析。統計聲-能歷史樣本數據并發現，地音信息小事件異常值占6.72%，大事件異常值占5.68%，能量異常值占5.29%，符合正態分布預測模型。利用層次分析法及循環滾動法，得出地音監測信息綜合指標及判斷準則。實踐表明：所采用的地音監測系統及預測方法能夠實時捕捉聲-能信息并有效刻畫沖擊地壓傾向性狀態，對沖擊事件的發生起到準確辨識及超前預報的作用。

沖擊地壓；聲-能信息；時空特征；沖擊判據

0　引　言

隨著中國礦井開采強度及深度的提高，開采地質條件日趨復雜，所帶來的深部礦井安全問題將愈加明顯，沖擊地壓就是其中的災害之一。采用有效的監測手段和預測方法，是防治沖擊地壓的關鍵。目前，監測沖擊地壓的方法有許多種，如微震法[1]、地音法[2]、壓力監測[3]、地應力監測[4]、電磁輻射和鉆屑法[5-6]。其中，微震法對破裂事件的空間定位與應力分布區域不是通過監測而是根據經驗確定，且不可能根據小事件預測大事件，巖層斷裂不一定遵循先小事件后大事件的規律；壓力監測法不能對煤巖體破壞做連續長期監測與預報；應力監測法測量數據是一個相對應力，還不能做到對煤巖層原巖應力的測量；電磁輻射監測法受地下水和電磁環境干擾，所得監測結果有較大誤差；而鉆屑量法受操作人員的影響以及不能連續監測，從而導致有用信息遺漏而出現漏報[7]。

大量試驗研究表明，不同條件下巖石變形的4個階段[8]：孔隙裂隙壓密階段、彈性變形至微彈性裂隙穩定發展階段、非穩定破裂發展階段、破裂后階段均伴有聲發射現象的發生[9-11]。采用地音監測，不僅在時間上起到即時預測，而且在空間上達到從區域預測到點預測，能夠逐級排除和確認沖擊危險[12]。因此，通過建立地音監測系統，實現地音信息的有效捕捉及分析[13-15]，以此動態刻畫巖體內部微裂紋產生或發展的狀態及所釋放的彈性能，為預測沖擊地壓發生提供可能。基于此，文中以地音監測所得聲-能信息為表征量，通過聲-能信息時空特征分析，得出基于地音聲-能信息沖擊地壓預測模型，并將其成功應用于華亭煤礦，取得了良好的預測效果。

1　聲-能信息捕捉過程

1.1監測系統

地音監測系統主要采用KJ110N型礦井安全監控系統及GDD-1礦用礦壓動態傳感器來實現地音信息采集，整個系統采用井下-地面-遠程三級網絡架構。井下傳感器以具有高速處理功能的多通道智能分站為基本單元，采用CAN總線的傳輸方式進行數據傳輸，并依抗干擾能力強的光纖為傳輸介質，確保數據的穩定性和可靠性。數據存儲方面，采用狀態變化實時存儲技術，在滿足誤差的范圍內，最大限度的節約存儲空間。GDD-1礦用礦壓動態傳感器采集的地音信息表征如下

1)小事件數—煤(巖)產生微小破碎時釋放聲波的分鐘統計數；

2)大事件數—煤(巖)產生較大斷裂時釋放聲波的分鐘統計數；

3)能量—煤(巖)發生破碎或斷裂產生的能量。

1.2安裝工藝

為保證信號有效接收，選取煤柱或工作面兩巷原始結構沒有破壞的煤體，打一個φ42 mm，深1.9 m的鉆孔，將波導桿放入孔內，注漿密封，并將地音接收裝置和GDD-1礦用礦壓動態傳感器相連接，完成數據采集裝置的安裝。測試前，輕敲波導桿，對傳感器進行靈敏校準，測試正常后進行數據采集。

初次安裝時，分別在巷道兩幫安裝2組動態傳感器，4個傳感器的通訊線并接在1對電纜線上，每2個傳感器連接1組18 V電源，并設置好對應的分站號。當工作面向前推進15 m時(即第1組的傳感器距工作面5 m時)，后移第1組傳感器到距工作面45 m處，依次交替，實現整個工作面地音數據采集，具體安裝如圖1所示。

圖1　安裝工藝Fig.1　Installation technology

2　沖擊地壓聲-能信息特征

2.1聲-能信息監測數據特征分析

根據井下實際作業環境，為有效剔除外界信號對數據的干擾，避免監測結果失真，對此作以下假設

1)工作面上覆巖層自然破斷信號不受外界信號的干擾；

2)所有外界干擾信號在一個工作班時間內波動變化值可被接受。

基于上述2個假設，運用SQL Sever2000查詢分析器對地音數據庫某一時間段內的事件數和能量值進行每小時統計，得出沖擊地壓貧寂期、活躍期、突變期、回穩期對應的聲-能狀態圖，如圖2(a)～(d)。

圖2　沖擊地壓全階段聲-能狀態Fig.2　Acoustic energy state of the whole stage of rockburst(a)貧寂期　(b)活躍期　(c)突變期　(d)回穩期

由圖2(a)～(d)可以看出，當圍巖活動處在貧寂期時，地音監測系統幾乎接收不到大事件信號，此時表現圍巖穩定。進入活躍期，小事件信號增多，大事件活躍程度有所增加，且能量累加值不斷增大，所監測的信息值波動范圍幅度加大。當有明顯的應力變化時，小事件數大幅度上升，且大事件數也比較密集，持續時間加長，出現應力平衡的時間段減少，能量集聚變化。依據尖點突變模型[16]

∏(a)=a4+ua2+va.

(1)

可知，此時?2∏/?2a<0，即勢能取極大，系統狀態不穩定，若無外界干擾，沖擊地壓將發生。隨著應力擾動去除，既不能恢復原來的平衡位置又不能繼續增大偏離，進入回穩期，此時?2∏/?2a>0，即勢能取極小，系統狀態又達到了新的平衡，表現為事件數和能量累加值均回歸低態水平。

2.2聲-能信息時空分布特征分析

圖3　沖擊顯現地音信息時空分布特征Fig.3　Spatio-temporal distribution of acoustic information of rockburst(a)小事件　(b)大事件　(c)能量

對250103工作面9個月來壓步距、推進距離統計分析，并與發生沖擊所監測的地音信息映射于同一坐標系下，如圖3所示。不難發現，發生沖擊地壓時的地音能量大多在1.0E+06J，平均來壓步距在15 m左右，尤其在推進300 m左右時，表現出較高的沖擊能量，通過地質資料分析，這與煤層埋藏傾角及見方有一定的關系。此階段沖擊顯現能量值高、事件發生頻繁，其中5.0E+06J以上達到83.7%，部分達到1.0E+07J能量級別。在統計的數據中，有25.6%的礦壓顯現步距在30 m以外，此類礦壓顯現釋放的能量普遍都在1.0E+6J以上，破壞影響力大。因此當工作面推進超過30 m礦壓未顯現時，必須采取相應措施，對其進行強制卸壓。

3　沖擊地壓聲-能預測模型及分析

3.1工業試驗場地狀況

華亭煤礦井田共有5層煤，其中5煤可采，其余為不可采或局部可采。煤層厚度和傾角自南向北增大，平均煤厚為51.51 m.傾角為40°～50°，平均45°.據1506孔煤樣品測試結果，單向抗壓強度4.15～4.86 MPa，單向抗拉強度0.77 MPa，普氏系數0.05.地質構造條件簡單，但動力破壞現象頻發。250103工作面東部為向斜軸部，東低西高，煤層走向轉向180°，傾角為5°～8°，煤厚平均36 m；工作面南部位于背斜東翼，基本沿走向布置，較平緩，煤層底板沿走向次級褶曲發育，底板起伏不平。

3.2聲-能單指標預測模型建立與分析

對某一時間段沖擊全過程地音監測數據進行正態檢驗，如圖4所示。可以看出，監測所得數據基本符合正態分布特征，為此建立小事件數fmin，大事件數fmax和能量E的單項指標預測模型

(2)

圖4　聲-能信息正態檢驗效果Fig.4　Normal test of acoustic energy information

為驗證上述模型的有效性，將華亭煤礦250103工作面連續12個月的監測數據進行單指標沖擊危險性預測分析。統計可得，監測數據中地音信息小事件異常值占6.72%，大事件異常值占5.68%，能量異常值占5.29%.因此，采用上述預測模型，能對捕捉的地音聲-能信息實現單項指標預測。

3.3聲-能綜合指標預測分析

現場大量試驗表明，沖擊地壓聲-能信息之間存在一定的對應關系。較小圍巖裂隙必然伴隨小事件的發生，且能量值偏小；小裂隙的急劇擴張將誘發大事件的產生和大能量的顯現。

通過上述關系，對地音監測數據的處理，建立大、小事件的頻數f及能量E三類地音單項實時預測指標，根據作業班及信息表征的實際要求，設定8 h的長時指標和1 h的短時指標，以此建立沖擊地壓聲-能信息表征因子：8 h長時指標以及1 h短時指標的大事件頻數Llf，小事件頻數Lsf，能量和E.其對應指標集合為

U{Llf，8(i)，Lsf，8(i)，Llf，1(i)，Lsf，1(i)，E8(i)，E1(i)}。利用層次分析法，得出地音聲-能信息表征公式

XAE=W1Llf，1(i)+W2Llf，8(i)+W3Lsf，1(i)+W4Lsf，8(i)+W5E1(i)+W6E8(i).

(3)

其中Wi={0.050 6，0.012 7，0.025 3，0.101 3，0.354 4，0.455 7}(i=1，2，…，6).

由以上計算結果可知：W1>W3，W2W1，W5+W6>0.5.可以得出，1h大事件頻數、8h小事件頻數、1h能量值、8h能量值對聲發射聲-能信息起關鍵作用。即：長時間段，小事件數目居多，此時是圍巖的正常活動，當短時間內聲發射大事件數目增多時，就有沖擊地壓發生的可能。因此，采用上述計算的權值得出的聲發射聲-能綜合指標是合適的。

線性組合相關定律表明，n維正態隨機變量各分量的線性組合必定服從正態分布的規律，將式(3)計算所得值代入式(2)，依據礦井作業班制，利用循環滾動法，取8h為時間尺度，即可判斷當前沖擊地壓發生的可能性。

圖5　聲-能綜合指標Fig.5　Synthesis index of acoustic

圖6　沖擊顯現預測結果Fig.6　Prediction results of rockburst behaviour

提取10月25日24h時間段地音信息，按照上述方法，繪制聲-能綜合指標曲線，如圖5所示，并以此計算出沖擊判據(圖6)。從圖6可以看出，18：30左右出現多組大于0的數據，表明此時間范圍內很有可能發生沖擊顯現。查詢歷史事故數據庫可知，18：50回風順槽工作面外70m范圍巷道底臌，其中端頭支架外35m范圍底臌嚴重，最大底臌高度約1.4m，綜采隊電纜被震落，靠煤壁側的單體柱傾斜，發生了沖擊顯現。由此可以看出，采用聲-能綜合指標可實現對沖擊地壓進行準確預測。

4　結　論

1)地音信息能有效刻畫沖擊地壓發生全過程，其數據表征分為貧寂期、活躍期、突變期、回穩期4個階段，并滿足尖點突變模型，即：當勢能取極大時，采場圍巖失穩，有沖擊發生的可能；當勢能取極小時，采場圍巖穩定，無沖擊發生可能；

2)來壓步距、推進距離與地音聲-能信息有效融合能客觀反映沖擊地壓顯現的時空特征，當推進距離大于來壓步距時，沖擊危險性顯著增強。發生沖擊時，能量普遍都在1.0E+6J以上，破壞影響力大，必須提前采取卸壓措施；

3)地音聲-能信息符合正態分布模型，通過對聲-信息綜合分析，運用循環滾動法，所得出了沖擊地壓聲-能綜合指標模型可有效預測沖擊地壓發生，實現對沖擊災害的超前預報。

References

[1]文光才，李建功，鄒銀輝，等.礦井煤巖動力災害聲發射監測適用條件初探[J].煤炭學報，2011，36(2)：278-282.

WENGuang-cai，LIJian-gong，ZOUYin-hui，etal，Preliminarystudyontheapplicationconditionsofacousticemissionmonitoringdynamicdisastersincoalandrock[J].JournalofChinaCoalSociety，2011，36(2)：278-282.

[2]張宗文，王元杰，趙成利，等.微震和地音綜合監測在沖擊地壓防治中的應用[J].煤炭科學技術，2011，39(1)：44-47.

ZHANGZong-wen，WANGYuan-jie，ZHAOCheng-li，etal.Applicationofmicroseismicandgroundacousticemissioncomprehensivemonitoringandmeasuringtopreventionandcontrolofminestratapressurebumping[J].CoalScienceandTechnology，2011，39(1)：44-47.

[3]顧合龍，王文，林東.電磁輻射在沖擊地壓預測預報中的應用[J].煤炭技術，2015，34(8)：105-108.

GUHe-long，WANGWen，LINDong.Applicationofelectromagneticradiationinrock-brustprediction[J].CoalTechnology，2015，34(8)：105-108.

[4]鄒德蘊，宋景春，許平.基于應力法的沖擊地壓預測系統的研發與應用[J].煤炭科學技術，2007，35(4)：93-95.

ZOUDe-yun，SONGJing-chun，XUPing.Developmentandapplicationofrockburstforecastandpredictionsystembasedonstressmethod[J].CoalScienceandTechnology，2007，35(4)：93-95.

[5]紀洪廣，喬蘭，張樹學，等.深部巖體穩定性評價的聲發射-壓力耦合模式[J].中國礦業，2001，10(2)：51-54.

JIHong-guang，QIAOLan，ZHANGShu-xue，etal.Modeofacousticemissioncoupledwithpressuremeasurementtodiagnosestabilityofdeeprockmass[J].ChinaMiningMagazine，2001，10(2)：51-54.

[6]曲效成，姜福興，于正興，等.基于當量鉆屑法的沖擊地壓監測預警技術研究及應用[J].巖石力學與工程學報，2011，30(11)：2 346-2 351.

QUXiao-cheng，JIANGFu-xing，YUZheng-xing，etal.Rockburstmonitoringandprecautiontechnologybasedonequivalentdrillingresearchanditsapplications[J].ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering，2011，30(11)：2 346-2 351.

[7]王同旭，劉文杰，劉釩，等.沖擊地壓現場監測方法分析與選擇原則[J].山東科技大學學報，2014，33(3)：43-47.

WANGTong-xu，LIUWen-jie，LIUFan，etal.Analysisandselectionprincipleofrockburstfieldmonitoringmethods[J].JournalofShandongUniversityofScienceandTechnology，2014，33(3)：43-47.

[8]蔡美峰，何滿潮，劉東燕，等.巖石力學與工程[M].北京：科學出版社，2002.

CAIMei-feng，HEMan-chao，LIUDong-yan，etal.Rockmechanicsandengineering[M].Beijing：SciencePress，2002.

[9]來興平，張勇，奚家米，等.基于AE的煤巖破裂與動態失穩特征實驗及綜合分析[J].西安科技大學學報，2006，26(3)：289-292.

LAIXing-ping，ZHANGYong，XIJia-mi，etal.Comprehensivecharacteristicsanalysisofcrackpropagationanddyamicaldestabilizaitionofcoal-rockbasedonacousticemissionexperiment[J].JournalofXi’anUniversityofScienceandTechnology，2006，26(3)：289-292.

[10]蘇承東，高保彬，南華，等.不同應力路徑下煤巖變形破壞過程聲發射特征的試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2009，28(4)：757-766.

SUCheng-dong，GAOBao-bin，NANHua，etal.Experimentalstudyonacousticemissioncharacteristicsduringdeformationandfailureprocessesofcoalsamplesunderdifferentstresspaths[J].JournalofRockMechanicsandEngineering，2009，28(4)：757-766.

[11]唐書恒，顏志豐，朱寶存，等.飽和含水煤巖單軸壓縮條件下的聲發射特征[J].煤炭學報，2010，34(9)：37-41.

TANGShu-heng，YANZhi-feng，ZHUBao-cun，etal.Acousticemissioncharacteristicsofwater-saturatedcoalsinuniaxialcompressionexperiment[J].JournalofChinaCoalSociety，2010，34(9)：37-41.

[12]王元杰，齊慶新，毛德兵，等.基于地音監測技術的沖擊危險性預測[J].煤礦安全，2010，4(1)：52-54.

WANGYuan-jie，QIQing-xin，MAODe-bing，etal.Rockburstriskpredictionbasedonacousticemissionmonitoringtechnology[J].SafetyinCoalMines，2010，4(1)：52-54.

[13]齊慶新，李首濱，王淑坤.地音監測技術及其在礦壓監測中的應用研究[J].煤炭學報，1994，19(3)：221-232.

QIQing-xin，LIShou-bin，WANGShu-kun.ApplicationofAEmethodtechniqueinmonitoringgroundpressure[J].JournalofChinaCoalSociety，1994，19(3)：221-232.

[14]陶紀南，張克利，鄭晉峰.巖石破壞過程聲發射特征參數的研究[J].巖石力學與工程學報，1996，15(S1)：452-455.

TAOJi-nan，ZHANGKe-li，ZHENGJin-feng.Researchofparameterofacousticemissionunderrockfailure[J].JournalofRockMechanicsandEngineering，1996，15(S1)：452-455.

[15]任勇，夏永學，張修峰.基于地音活動規律的沖擊危險性評價技術[J].煤礦開采，2010，15(6)：90-92.

RENYong，XIAYong-xue，ZHANGXiu-feng.Evaluationtechnologyofrock-burstdangerbasedonearthacousticdata[J].CoalMiningTechnology，2010，15(6)：90-92.

[16]李明，茅獻彪，茅蓉蓉，等.基于尖點突變模型的巷道圍巖屈曲失穩規律研究[J].采礦與安全工程學報，2014，31(3)：379-384.

LIMing，MAOXian-biao，MAORong-rong，etal.Studyonbucklinginstabilityofsurroundingrockbasedoncuspcatastrophemodel[J].JournalofMining&SafetyEngineering，2014，31(3)：379-384.

Prediction analysis on the spatio-temporal distribution feature of acoustic-energy information of rockburst

WANG Peng1，2，CHEN Tong1，SI Jun-hong1，SONG Chao1

(1.ShaanxiCoalandChemicalTechnologyInstituteCo.，Ltd.，Xi’an710065，China；2.CollegeofSafetyScienceandEngineering，Xi’anUniversityofScienceandTechnology，Xi’an710054，China)

According to strong bursting liability，harmful characteristics of Huating coal mine，the precursor information to realize the prediction of rockburst has been collected and analyzed.The whole process of the acoustic-energy information of rockburst was captured by acoustic emission system which was installed in the 250103 working slope.Combined pressurization distance and advancing distance，temporal and spatial characteristics analysis was made according to the performance of the acoustic emission monitoring information including four stages which were the poor stage，the active stage，the mutation stage and the stabilization stage.Acoustic-energy historical sample data was found that the abnormal value of acoustic emission for the small events accounted for 6.72%，the large events accounted for 5.68% and the energy accounted for 5.29%.Thus，the prediction model of normal distribution was fited the result.Using the analytic hierarchy process and the method of cyclic rolling，the comprehensive index and criterion of the acoustic emission monitoring information are obtained.The practice showed that the monitoring system and the forecasting method can capture the acoustic-energy information in real time and effectively describe the occurrence of the rockburst，it could have an early identification and prediction of the rockburst accident.

rockburst；acoustic-energy information；spatio-temporal feature；rockburst criterion

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0510

1672-9315(2016)05-0669-06

2016-03-14責任編輯：劉潔

王鵬(1983-)，男，陜西漢中人，工程師，博士研究生，E-mail：pengwang555@126.com

TD 713

A