基于地音監測的工作面開切眼期間沖擊危險性評價

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實驗室，北京 100013）

由于煤礦生產的需要，必須不斷完成開拓巷道、采準巷道和回采巷道等掘進部署。對于沖擊地壓礦井，當掘進工序相互擾動而造成采掘空間周圍應力疊加時，容易誘發沖擊地壓。在工作面切眼貫通期間，巷道對掘與交叉不可避免，在此過程進行沖擊危險性的準確評價，對指導沖擊解危工作具有重要意義[1]。

沖擊危險性評價方法包括綜合指數法等多因素綜合評價方法和基于地音等監測的沖擊危險性評價方法等[2-9]。多因素綜合評價方法雖然選取的評價指標較為全面，但無法實現實時評價，且各評價指標關聯度尚需進一步研究。地音監測方法通過捕捉沖擊地壓發生前煤巖體破裂所產生的前兆信息，可以實現對掘進工作面的超前區域及迎頭后方圍巖的微裂隙擴展過程及沖擊危險程度的實時精細化監測和準確評價[10-12]。為此，以某礦沖擊危險性工作面切眼貫通為背景，借助地音監測系統對切眼貫通期間地音異常活動的監測與評估，構建了基于地音監測數據的沖擊危險性評價方法，實踐表明具有良好的應用效果。

1 工作面概況

某礦二水平南一區21 層一段工作面平均埋深420 m，設計走向長度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械化綜掘，支護方式頂板采用錨網索聯合支護，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。二水平南一區21 層一段工作面頂底板巖性見表1。

表1 二水平南一區21 層一段工作面頂底板巖性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21 層一段工作面具有弱沖擊危險性，為了減小上下巷同時掘進造成的應力集中，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，由下向上施工切眼。當下巷掘進至距離切眼盡頭20 m 時，停止上巷作業直至切眼貫通。工作面上下巷道布置有ARES-5/E 地音監測系統，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行地音實時監測。ARES-5/E 地音監測系統布置方案圖如圖1。

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

通過統計地音事件頻次、能量等地音參量，找出地音活動規律，結合采掘情況評價監測區域的沖擊危險等級。當系統評價結果超出設定的危險等級時，立即停掘并進行解危卸壓。

2 基于地音監測的沖擊地壓危險性評價技術

2.1 危險性評價指標

煤巖體是典型的非均勻性材料，其內部含有大量微裂紋、孔隙、節理裂隙等，在受載的不同階段會產生豐富的地音信號。地音監測系統通過信號采集器接收采掘工作面微破裂發出的震動波，經過信號處理，最后得到包括能量、頻次等表征煤巖體破裂程度的評價指標。通過現場實踐表明，地音能量強度及頻次的變化，可以很好反映煤巖體內應力及沖擊地壓危險性的變化。

評價地音危險狀態受開采與非開采狀態影響。井下生產對地音數據的具有顯著影響，因此在采用地音法進行沖擊危險性評價時，首先需要確定評價時間段是屬于工作班還是非工作班，否則評價時容易出現較大的偏差。因此，結合生產狀態可以將地音能量和頻次細化為4 個指標：工作班地音活動頻次PAZW、非工作班地音活動頻次PAZN、工作班間班地音能量強度PEZW 和非工作班地音能量強度PEZN。

2.2 沖擊危險性評價模型

在地音監測沖擊危險性評價指標確定之后，嘗試使用閾值法構建危險評價模型，包括對PAZW、PAZN、PEZW、PEZN 4 個指標設定不同的評價門檻，發現其評價結果具有隨機性，不具指導生產的能力，必須探索新的方法。由于地音活動與煤巖體破裂階段有關，地音前期的活動情況往往預示著后期的發展狀態，在采用地音法進行沖擊危險性評價時，可通過地音活動的變化規律來實現，該思想也是波蘭煤礦采用地音法評價與預測沖擊地壓的基礎[13]。地音異常系數k 是衡量一段時間內地音活動異常程度的參數，以工作班地音頻次異常系數kazw為例，評價指標值按如下表示：

以此類推，可計算得到其余的3 個指標：非工作班地音活動頻次異常系數kazn、工作班間班地音能量強度異常系數kezw、非工作班地音能量強度異常系數kezn。

根據二水平南一區21 層一段工作面切眼貫通期間沖擊事件發生前地音的活動規律，按當前班地音活動的地音異常指數大小將地音危險等級劃分為a、b、c、d 4 個等級。沖擊危險等級劃分標準見表2。表2 中地音異常指數k 取Max｛kazw，kazn，kezw，kezn｝。

表2 沖擊危險等級劃分標準Table 2 Classification standard of impact hazard level

3 地音監測數據分析

提取2017 年12 月至2018 年2 月工作面切眼貫通期間地音數據，通過對各地音探頭能量與頻次的地音異常指數的變化趨勢進行統計分析，結合井下沖擊顯現情況，能夠得出沖擊發生前地音前兆規律和沖擊危險性評價的準確度。

3.1 沖擊地音前兆信息判別

1）地音能量和頻次的持續增長預示著沖擊危險增加[14-15]。切眼周邊煤巖體在掘進時所受的原巖應力狀態被打破，壓力升高區的煤巖體從塑性變形到失穩破壞過程中，煤巖體內裂隙擴展加快，地音能量與頻次增加。若單個地音通道連續至少2 d 的危險等級達到d，可判定該探頭前后70 m 范圍內存在沖擊危險。2017 年12 月31 日05：21：58 在下巷掘進工作面附近發生1 起沖擊事件，2017 年12 月31 日沖擊顯現位置如圖2。利用微震監測系統定位的震源位置為下巷切眼口前方10 m，能量為2.5×105J。據下巷中部作業工人反映事件發生時有非常大的煤炮聲，風流逆流，煤塵增大。1#地音探頭活動情況如圖3。由于地音監測系統1#地音探頭已持續2 d 危險等級為d，故切眼掘進頭已停掘。

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

圖3 1#地音探頭活動情況（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增加。相向掘進過程中，相互擾動導致煤巖體應力集中程度增加，當局部煤巖體應力疊加迅速時，內部裂隙急劇擴展與貫通，煤巖體突然失穩破壞。若鄰較近2 個地音探頭在最近1 個班同時危險等級突然達到d，判定這2 個探頭的有效監測區域存在沖擊危險。例如2018 年1 月7 日15:31:40 發生在上巷掘進頭附近的1 起沖擊事件，沖擊顯現位置如圖4。當時掘進工作面正在頂板施工支護錨桿，工作面突然有強烈震感，頂板掉渣嚴重，部分已打好的錨桿托盤和螺帽松動脫離。1#、3#探頭的地音能量和頻次突然增加，2018 年1 月的1#、3#地音探頭活動情況分別如圖5、圖6。

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

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

圖6 3#地音探頭活動情況（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工作面的危險程度降低，當地音活動持續沉寂也預示著沖擊危險的增加。煤巖體作為1 種典型的非均勻連續介質，受載后表現一定的承載能力，通過變形等方式儲存外界傳遞的能量，當達到極限形變時，煤巖體失穩破壞，內部儲存的能量突然釋放，導致沖擊地壓的發生。例如在工作面切眼貫通末期，3#地音探頭接收的能量持續沉寂3 d 后，在切眼與上巷的交叉位置發生了1 次沖擊事件，2018 年1 月7 日沖擊顯現位置如圖7，2018 年2 月的3#地音探頭活動情況如圖8。

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

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

3.2 地音對沖擊危險性評價的準確率

沖擊地壓危險性評價的準確率是衡量地音危險性評價優劣的1 個重要標準，對于井下發生沖擊顯現并且地音系統給出d 級預警的現象，定義為地音報準；井下發生沖擊顯現而地音系統沒有給出d 級預警的現象，定義為地音漏報；井下未發生沖擊顯現而地音系統給出d 級預警的現象，定義為地音誤報。

通過統計得出的工作面切眼掘進期間地音預警情況見表3。

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

地音報準率、漏報率、誤報率的計算方法如下：

式中：aB為地音報準率；aL為漏報率；aW為誤報率；Nb為地音報準次數；Nl為漏報次數；Nw為誤報次數；Ny為地音預警次數。

根據表3，由式（2）～式（4）可得：地音報準率為66.6%，漏報率16.7%，誤報率16.7%，實踐表明地音監測對現場沖擊危險具有較好的評價效果。

4 結 語

1）地音前期的活動情況往往預示著后期的發展狀態，通過地音異常系數衡量一段時間內地音活動的異常程度，并按當班地音活動的地音異常指數大小將地音危險等級劃分為a、b、c、d 4 個等級。

2）地音系統的單通道活動持續增長或持續沉寂、2 個或以上通道活動突然增長預示著沖擊危險的增加，可以作為沖擊地壓發生前的地音前兆信息。

3）地音報準率是衡量沖擊危險性評價準確率的1 個重要標準，統計數據得出工作面切眼掘進期間地音報準率為66.6%，漏報率16.7%，誤報率16.7%，實踐表明地音監測系統對沖擊危險性評價具有較好效果。