基于人工聲學信號的巖體狀態和動力現象監測系統САКСМ 應用

張建國，魏風清，Шилов Владимир Иванович

（1.河南理工大學，河南 焦作 454000；2.中國平煤神馬能源化工集團有限責任公司，河南 平頂山 467000；3.礦業自動化系統開發、制造和應用跨學科科學技術實驗室（МНТЛ РИВАС），莫斯科 111625）

隨著現代煤炭市場競爭的日趨激烈，對煤礦高產高效開采提出了更高要求，礦井集約化開采強度進一步加大，煤層開采深度快速增加，導致煤層瓦斯壓力、瓦斯含量、地應力顯著增大，煤層開采的礦山地質條件愈加復雜化，引起礦井動力現象危險性升高、動力現象類型多樣化交織。采用傳統的接觸式非連續的鉆孔指標預測方法[1]，已不能滿足現代煤礦高產高效和安全生產的需要，采用以應力應變狀態監測為基礎的、以地震聲學方法和人工聲學方法為主導的非接觸連續式地球物理方法是現代礦井動力現象危險性預測的必然趨勢和結果[2]。

М С Анциферов 等于20 世紀50 年代開始研究煤層突出危險性預測的地震聲學方法，針對頓涅茨克礦區的情況，首次開發了根據聲發射脈沖數量及其增幅評價煤層應力應變狀態的突出危險性預測方法[3]。多年的現場應用表明，煤體聲發射活性強度與工作面附近空間的應力應變狀態不存在單值對應關系，造成地震聲學預測方法的可靠性低[4]。針對地震聲學方法的缺點和不足，С В Мирер 等于20 世紀80 年代開始研究試驗基于礦山設備運行時在地層中激發的人工聲學信號的振幅-頻率特征分析的突出危險性預測方法[5]，并研制了配套的АК-1 型儀器。利用已查明的人工聲學信號的頻譜參數關系，Г И Колчин 等解決了礦山生產的一系列問題，其中包括瓦斯動力現象預測[6]、防突措施效果監測[7]、移動工作面前方地質破壞預測[8]，研制的方法在礦山動力現象預測中得到成功應用。人工聲學信號預測動力現象的主要理論基礎是И В Бобров 發現的煤與瓦斯突出之前一定發生頂板變形延遲[9]和А Г Гликман發現的頂板巖層中被弱化接觸面分離的分層厚度和人工聲學信號之間的函數關系[10]。經過多年的研究試驗，人工聲學方法成為俄羅斯采掘工作面突出危險性和沖擊危險性預測的標準方法[11-14]。

由上述可以看出，人工聲學預測方法在俄羅斯已經過多年的研究試驗，證明人工聲學預測方法應用于礦山動力現象危險性預測是可靠的，但由于其信號處理、分析算法的不完善以及信號濾波選擇的復雜性，限制了人工聲學預測方法的推廣應用。為了實現人工聲學預測方法的自動化智能化，俄羅斯МНТЛ РИВАС 公司于2015 年開發了巖體狀態聲學監測和動力現象預測系統САКСМ，并在庫茲巴斯礦區的С М Киров 煤礦通過了驗收試驗，俄羅斯技術監督局建議推廣應用САКСМ 系統[15]。為此，基于人工聲學信號預測動力現象危險性的機理，根據САКСМ 系統的試驗應用數據，分析了頂板巖層變形動態、煤柱影響帶、地質構造、回風流瓦斯體積分數與人工聲學信號頻譜特征的關系，以期能對中國礦山動力現象危險性預測、頂板變形動態監測、解危措施效果檢驗等提供新的方向和技術手段。

1 人工聲學信號預測動力現象的機理

1.1 頂板變形延遲是動力現象的能量來源

隨著礦井采掘作業深度的增加和礦山地質條件復雜程度升高，圍巖的應力應變狀態在動力現象危險帶的形成中起著越來越重要的作用。在煤與瓦斯突出之前一定發生頂板巖層變形的延遲，頂板變形延遲導致頂板巖層懸頂、地層應力狀態升高和潛在能量的積聚，這是發生煤與瓦斯突出、沖擊地壓等動力現象的原因[16]。當工作面附近頂板巖層發生變形延遲時，支承壓力最大值逐漸靠近工作面煤壁，應力集中系數逐漸升高，工作面附近潛在能量逐漸積聚，為動力現象的發生提供能量來源。

動力現象危險情況是由于煤層圍巖變形發展的特征造成的，煤層圍巖變形延遲是動力現象危險帶形成的必要因素。通過對工作面附近頂板巖層變形動態的監測，就可以評價工作面附近圍巖的應力應變狀態，預測工作面動力現象危險性。

1.2 頂板巖層共振頻率特征與頂板變形動態的關系

由于巷道掘進或者采面回采的影響，工作面附近圍巖的原始穩定平衡狀態受到破壞，頂板巖層中發生離層變形，則頂板巖層可以視為由一系列弱化接觸面分離的巖石分層的疊加。

人工聲學信號在頂板巖層中的傳播特性已得到充分研究。選擇在頂板巖層中激發的人工聲學信號作為研究工具，是基于其出色性能：人工聲學信號總體上是由被弱化接觸面分離的每個巖層分層中產生的固有（共振）彈性振動的疊加組成的，可以用其頻譜中存在的一系列共振頻率來表示，共振頻率的振幅取決于巖層分層之間接觸面的弱化程度[17]。共振頻率振幅越大，接觸面弱化程度越高，共振頻率振幅越小，接觸面弱化程度越低。工作面頂板巖層中產生的彈性共振如圖1。

圖1 工作面頂板巖層中產生的彈性共振Fig.1 Elastic resonance in roof strata of working face

在采掘工作面，當采掘設備對煤體進行作用時，在頂板巖層的每個被弱化接觸面分離的分層中，會產生一定頻率的彈性橫向共振振動，如圖1。在頂板巖層中，人工聲學信號的共振頻率與分層厚度之間存在函數關系[18]：

式中：fp為彈性共振頻率，Hz；V 為橫波的相速度，其大小由經驗確定，對于大多數陸源巖層來說V等于2 500 m/s；h 為頂板巖層中弱化接觸面至煤層的距離，m。

由式（1）可見，根據共振頻率的大小，就可以確定軟化接觸面至煤層的距離，共振頻率越大，軟化接觸面離煤層越近，共振頻率越小，軟化接觸面離煤層越遠。因此，根據人工聲學信號的共振頻率、振幅及其動態，可以評價頂板巖層中軟化接觸面的發育位置及其弱化程度，判斷頂板巖層離層情況以及巖層分層間變形發育特征，作出工作面附近應力應變狀態變化及動力現象危險性的結論。

2 人工聲學信號的頻譜參數

САКСМ 系統將礦山設備作用引起的巖體振動（人工聲學信號）轉換為音頻電信號，根據其頻譜分析結果，構建基于人工聲學信號頻率和振幅的預測參數。

人工聲學信號的頻譜參數主要有：①人工聲學信號頻譜的低頻分量AH，相對單位；②人工聲學信號頻譜的高頻分量AB，相對單位；③振幅等于最大振幅0.5 倍的人工聲學信號頻率的下邊頻，Hz；④振幅等于最大振幅0.75 倍的人工聲學信號頻率的下邊頻fH′，Hz；⑤人工聲學信號頻譜的最大頻率F，Hz；⑥人工聲學信號的能量E，相對單位。

預測參數主要有：①相對應力系數KO.H，KO.H=AB/AH，用來預測沖擊危險性和突出危險性，其臨界值為3；②煤的突然壓出預測系數Kg，其臨界值為0.5；③底板動力破壞預測系數Km，其臨界值為0.7；④地質破壞預測系數Pg，其臨界值為7；⑤卸壓鉆孔有效性評價系數PE，對于小于20 m 的鉆孔其臨界值為3，對于大于20 m 的鉆孔其臨界值為3.5。

具有動力現象危險性的人工聲學信號頻譜圖如圖2，無動力現象危險性的人工聲學信號頻譜圖如圖3。

圖2 具有動力現象危險性的人工聲學信號頻譜圖Fig.2 Spectrum of artificial acoustic signal with danger of dynamic phenomenon

圖3 無動力現象危險性的人工聲學信號頻譜圖Fig.3 Spectrum of artificial acoustic signal without danger of dynamic phenomenon

當工作面進入動力現象危險帶時，主要是距離煤層10 m 以上的頂板巖層發生變形延遲，根據式（1）計算，對應的頻率大約為240 Hz。以頻率240 Hz為界，將人工聲學信號的頻譜劃分為高頻分量和低頻分量。變形延遲在聲學信號頻譜上的反映是低頻分量振幅的減小和高頻分量振幅的增大。

3 САКСМ 系統組成與功能

3.1 САКСМ 系統組成

САКСМ 系統是一套程序-設備綜合體，主要由本安型數字地震檢波器ГИЦ、本安型網絡延長器-交換機КУСИ 以及安裝有程序АКМП-РИВАС 的計算機組成。САКСМ 系統組成示意圖如圖4。

圖4 САКСМ 系統組成示意圖Fig.4 Schematic diagram of САКСМ system composition

本安型數字地震檢波器ГИЦ 提供人工聲學信號的接收、模擬信號到數字信號的轉換、數字信號的放大以及通過礦山Wi-Fi 網絡傳輸至地面。地震檢波器ГИЦ 的主要參數如下：①傳輸頻帶：20～5000 Hz；②接收信號的動態范圍：≥90 dB；③消耗電流：≥130 mA；④電源電壓：8～16 V；⑤傳輸頻帶中振幅-頻率特性的不均勻性：≤50%。

本安型網絡延長器-交換機КУСИ 接收來自于本安型數字地震檢波器ГИЦ 的數字信號，并傳輸至井下分站，通過礦井工業環網傳輸至地面計算機中。

程序АКМП-РИВАС 完成人工聲學信號的處理、分析，并發出巖體狀態和動力現象危險性監測預測信息，數據傳輸至安全監測信息中心。

3.2 САКСМ 系統功能

САКСМ 系統程序АКМП-РИВАС 由2 個主要的程序模塊組成：Server（服務器）和Client（客戶端）。

服務器程序的主要功能為：①檢查人工聲學信號的質量；②處理人工聲學信號；③數據分析和數據存儲；④來自工作面人工聲學信號的存儲。

客戶端程序的主要功能為：①設置人工聲學信號的處理控制參數；②人工聲學信號的可視化并報告巖體的當前狀態；③以各種形式顯示數據處理分析結果；④工作面人工聲學信號記錄的回溯分析。

САКСМ 系統在自動模式下能夠完成：①動力現象危險性預測：沖擊地壓，煤與瓦斯突出，煤的突然壓出，巷道底板巖層的動力破壞；②工作面狀態監測：工作面前方地質破壞，工作面應力應變狀態，頂板下沉過程；③動力現象防治措施效果評價：卸壓鉆孔。

3.3 地震檢波器安裝方式

地震檢波器安裝方式如圖5。

圖5 地震檢波器安裝方式Fig.5 Installation method of geophone

地震檢波器的安裝方式如下：①在掘進工作面安裝1 個地震檢波器，與巖體接觸良好，距離工作面20～50 m；②在回采工作面，距離采面與機巷、風巷交叉點40 m 內各安裝1 個地震檢波器，固定在工作面機械化支架的元件上。

4 現場試驗應用

4.1 試驗礦井概況

試驗是在西伯利亞煤炭能源庫茲巴斯公司的С М Киров 礦井Поленовский 和Болдыревский 煤層的準備工作面和回采工作面進行的。

Болдыревский 煤層厚度2.05～2.9 m，原始瓦斯含量22～25 m3/t。直接頂板主要是粉砂巖、砂巖和泥巖；基本頂為厚度20 m、強度70 MPa 的砂巖；煤層底板為粉砂巖。采掘作業深度達到560 m，煤層為沖擊地壓威脅煤層。

Поленовский 煤層位于Болдыревский 煤層下部45～48 m，Поленовский 煤層是Болдыревский 煤層的保護層。煤層厚度1.72～1.8 m，原始瓦斯含量20～21 m3/t。直接頂板為泥巖和厚度1.5～8 m、強度30～40 MPa 的粉砂巖；基本頂為強度80～100 MPa、厚度6～26 m 的砂巖；煤層直接底板由強度30～40 MPa 的泥巖組成。采掘作業深度520 m，煤層為沖擊地壓威脅煤層。

使用САКСМ 系統總計在非危險帶中完成了2 142 個觀測循環，在地質破壞帶中完成了63 個觀測循環，在礦山壓力升高帶中完成了107 個觀測循環。

4.2 回采工作面頂板巖層變形動態

Болдыревский 煤層2458 回采工作面頂板巖層下沉和垮落不同階段的人工聲學信號1/3 倍頻譜如圖6。2458 回采工作面頂板巖層人工聲學信號的共振頻率和弱化接觸面位置見表1。

圖6 2458 回采工作面人工聲學信號的1/3 倍頻譜Fig.6 One-third of the frequency spectrum of the artificial acoustic signal of 2458 working face

表1 2458 回采工作面頂板巖層人工聲學信號的共振頻率和弱化接觸面位置Table 1 Resonance frequency and softened contact surface position of roof strata of 2458 working face

由圖6 和表1 可知：

1）在頂板下沉帶之外和臨近頂板垮落之前，弱化接觸面的發育位置基本一致，處于煤層頂板上方7.4～42 m 之間，最強弱化接觸面位于煤層頂板上方15.6 m 處。

2）頂板開始垮落時，弱化接觸面的發育位置向煤層方向靠近，處于煤層頂板上方4.5～15.6 m 之間，最強弱化接觸面的位置保持不變，位于煤層頂板上方15.6 m 處，煤層頂板上方42 m 處的弱化接觸面被壓實，共振頻率的振幅減小。

3）頂板垮落完成之后，靠近煤層頂板上方4.5～15.6 m 之間的弱化接觸面消失，而在煤層頂板上方42 m 處發育出最強弱化接觸面，表明頂板垮落卸壓影響范圍可達煤層頂板上方42 m 處。

4.3 礦山壓力升高帶預測

2503 瓦斯排放巷穿過煤柱影響帶時的相對應力系數Kо.н分布如圖7[19]。

圖7 2503 瓦斯排放巷穿過煤柱影響帶時相對應力系數Kо.н 的分布Fig.7 Distribution of relative stress coefficient Kо.н when 2503 gas drainage roadway passes through coal pillar influence zone

2503 瓦斯排放巷布置在Поленовский 煤層中，Болдыревский 煤層的煤柱在Поленовский 煤層中形成了礦山壓力升高帶。在煤柱影響帶中，相對應力系數Kо.н的最大值達到背景值的2 倍以上，這可以確保САКСМ 系統分辨出礦山壓力升高帶。

4.4 地質破壞預測

2594 運輸巷中地質破壞預測系數Pg的變化如圖8[19]。

圖8 2594 運輸巷中地質破壞預測系數Pg 的分布Fig.8 Distribution of geological failure prediction coefficient Pg in 2594 transportation roadway

2594 運輸巷布置在Поленовский 煤層中，存在1 個落差為2 m 的斷裂破壞，斷裂面向著工作面推進方向傾斜。由圖8 可知，地質破壞預測系數Pg可以提前7 m 預測地質破壞的存在。

4.5 瓦斯涌出與相對應力系數的關系

2459 回采工作面回風流瓦斯體積分數C 與相對應力系數Kо.н的關系如圖9[20]。

圖9 2459 回采工作面回風流瓦斯體積分數C與相對應力系數Kо.н 的關系Fig.9 Relationship between gas concentration C and relative stress coefficient Kо.н in return air flow of 2459 working face

由圖9 可知，2459 回采工作面回風流瓦斯體積分數C 與相對應力系數Kо.н成線性反比關系，隨著相對應力系數Kо.н的增大，回風流瓦斯體積分數C減小，工作面附近巖體的應力狀態對瓦斯涌出起著控制作用。相對應力系數Kо.н的減小表明距離煤層相當遠處的弱化接觸面的發育，支承壓力峰值向工作面前方煤體深部移動，工作面附近巖體相對卸壓，有利于瓦斯的釋放，瓦斯體積分數C 升高；相對應力系數Kо.н的增大表明距離煤層較近處的弱化接觸面的發育，支承壓力峰值靠近工作面煤壁，工作面附近煤體被擠壓，不利于瓦斯的釋放，瓦斯體積分數C降低。

5 結 語

1）動力現象危險帶的形成是工作面附近頂板巖層變形延遲的結果。變形延遲引起頂板巖層懸頂、巖體應力狀態升高和潛在能量的積聚，這是發生煤與瓦斯突出、沖擊地壓等動力現象的原因。

2）人工聲學信號是頂板巖層中被弱化接觸面分離的每個巖層分層中產生的彈性共振振動的疊加。根據其頻譜特性可以分析頂板巖層中弱化接觸面的發育位置及其弱化程度，判定頂板巖層的變形動態及其相對應力狀態，監測工作面附近巖體狀態，預測動力現象危險性。

3）САКСМ 系統的監測預測機理科學、數據處理技術先進、預測結果可靠性高，是一種連續化、自動化工作面附近巖體狀態監測和動力現象預測系統，符合現代煤礦安全生產監測預測連續化、自動化、定量化、科學化的需求，在沖擊地壓和煤與瓦斯突出礦井中具有廣泛的應用前景。