煤巷掘進突出危險聲發射監測效果考察與應用

胡 杰

(1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶市沙坪壩區，400037；2.煤礦災害防控全國重點實驗室，重慶市沙坪壩區，400037)

0 引言

隨著礦井災害治理技術及裝備的不斷發展與進步，煤礦機械化、自動化以及智能化水平逐步提升[1-2]，煤礦災害事故起數及規模得到了有效控制且成效顯著[3-4]。但伴隨采掘深度、速度以及規模的不斷擴大，煤礦災害事故防控受到了新的沖擊與挑戰[5-6]。受煤層賦存多變性、應力運移復雜性、超前探測存在一定的盲區等多因素影響[7]，突出礦井煤巷掘進仍是突出事故的高發點，尤其是地質條件更為復雜的西南礦區[8-9]，如2023年1—2月期間，貴州省煤礦連續發生了3起煤巷掘進面突出事故，由此說明煤巷掘進突出危險有效防控仍是突出礦井的重點工作[10-11]。根據現行《防治煤與瓦斯突出細則》[12]要求，礦井主要采用兩個“四位一體”進行煤與瓦斯突出預測與防治，但傳統預測指標相對單一、多以反饋瓦斯因素的指標為主，且測定過程受人為因素影響較大，測定準確性受到影響，并給掘進連續性帶來影響。瓦斯、應力及地質融合的煤巷掘進工作面突出預警缺乏[13]，而聲發射預測技術具備超前、非接觸、連續等特點[14-15]，可有效反饋采掘應力變化，在監測裝備、監測工藝[16]及信號濾噪[17]方面已取得一定研究成果，因此根據煤礦瓦斯災害嚴重程度的地域性差異，筆者以貴州安晟能源大方煤業有限公司(以下簡稱“小屯煤礦”)為試驗礦井，開展煤巷掘進過程中突出危險性聲發射監測效果考察與應用。

1 試驗工作面概況

小屯煤礦位于貴州省畢節市大方縣城南部，井田范圍南北長3.5 km、東西寬2.1 km，面積約6.737 9 km2，開采深度+1 350～+1 620 m，設計生產能力120萬t/a，其中一期為60萬t/a，含可采及局部可釆煤層6層，一期主要開采6上、6中、6下和7號煤層等上部煤層。試驗開展前結合小屯煤礦采掘部署情況，選取正在進行煤巷掘進作業的16中13運輸巷(以下簡稱“13運輸巷”)為試驗工作面。

13運輸巷煤巷掘進工作面位于井田一采區南翼16中13回采工作面內，工作面埋深約300 m，標高+1 385～+1 420 m，東南面設計為16中15工作面。在13運輸巷下方垂距25～30 m、平距約29 m處布置13運輸巷底抽巷，并已完成掘進及巷道布置，如圖1所示。13運輸巷設計長度1 580 m，采用綜掘方式沿6中煤層底板掘進，并采用錨索+錨網噴結合的工藝進行巷道支護，試驗開展前已掘進約1 230 m，本次現場試驗在待掘進范圍段內開展。

圖1 小屯煤礦16中13工作面巷道布置示意

16中13工作面主采6中煤層，煤層平均傾角2°，平均煤厚2.28 m，煤層存在一定幅度的起伏變化。根據參數測定結果，6中煤層最大瓦斯壓力0.96 MPa，煤的堅固性系數0.49，屬于突出煤層，其原始瓦斯含量為12.107 5 m3/t。13運輸巷掘進工作面采用穿層鉆孔預抽煤巷條帶瓦斯作為區域防突措施，掘進期間通過鉆屑瓦斯解吸指標K1值及鉆屑量S值預測工作面突出危險性，當測值超過臨界值時，補充施工超前排放鉆孔作為局部防突措施。根據小屯煤礦突出預測敏感指標及臨界值考察結果，鉆屑瓦斯解吸指標K1值敏感性優于鉆屑量S，其臨界值為0.45 ml/(g·min1/2)。

2 監測系統布置與安裝

2.1 監測系統簡介

本研究采用中煤科工集團重慶研究院有限公司自主研發的煤巖動力災害聲發射監測系統進行監測效果考察，該系統主要由地面服務器、監測軟件、信號傳輸電纜、孔內監測傳感器、傳感器推送安裝裝置、一體式信號采集主機與電源等機構組成[16]，系統整體結構示意如圖2所示。系統具有聲發射信號自動采集、信號實時傳輸、數據實時分析、危險性超前預警等無人值守功能，與《防治煤與瓦斯突出細則》(第四條、第八十六條)、《貴州省煤礦瓦斯防治綜合管理辦法》(第二十條)等相配套，支持煤礦災害綜合預警以及災害防治智能化、無人化需要。

圖2 監測系統架構

2.2 監測系統安裝

監測系統安裝主要包括監測軟件安裝、地面服務器安裝、井下監測主機安裝、聲發射傳感器安裝、線纜布設及信號并網傳輸等。先將監測軟件安裝在地面服務器上并完成調試，隨后經現場協商將地面服務器安裝在小屯煤礦通防科，通過分配礦方網段內固定IP實現地面服務器與井下環網的數據傳輸。井下監測主機安裝在井下車場機電硐室內，并通過光纖、交換機與井下主環網實現數據并網，最后利用信號傳輸線纜將傳感器內監測信號傳輸至井下監測主機，實現監測信號的井上下實時互聯互通。

結合13運輸巷布置情況以及傳感器安裝工藝研究結果[17]，聲發射監測傳感器通過13運輸巷底板巷施工的穿層鉆孔進行安裝，鉆孔孔徑94 mm，終孔點位于6中煤層頂板且鉆孔軌跡不在掘進輪廓線范圍內，傳感器安裝示意如圖3所示，穿層鉆孔施工完畢后利用四分管將聲發射監測傳感器輸送至孔底，并通過可伸縮式彈性倒爪結構進行固定，最后在孔口處利用馬麗散進行封孔，避免巷道內干擾噪聲進入試驗鉆孔內，以此完成監測傳感器的安裝與固定。

圖3 監測傳感器安裝示意

3 試驗考察及現場應用

根據現場實際，在13運輸巷底板巷施工穿層鉆孔，在13運輸巷煤巷掘進工作面前方布設了4個監測傳感器，每個傳感器對應的巷道監測范圍劃定為一個監測考察循環，傳感器安裝情況見表1，監測循環劃分情況如圖4所示。通過監測循環1考察聲發射信號特征參數隨掘進變化的情況，同時對比分析掘進過程中突出預測指標、瓦斯涌出以及實際揭露煤層等情況，考察確立聲發射預警指標的臨界值。根據循環1考察確立的預警指標臨界值，在循環2至循環4監測區段進行現場驗證，并對日常掘進進行輔助指導及應用。

表1 監測傳感器安裝

圖4 監測循環劃分示意

根據前期研究基礎，本次試驗以聲發射能量指標進行考察與應用。由于聲發射屬于被動式信號采集，信號產生周期具備隨機性與不確定性，因此為便于統計以及提高數據分析的準確性，以2 h為基礎時間點計算能量平均值，同時為避開監測距離對監測信號的影響，選取監測系統中嵌入的能量均值累計值的趨勢判識指標Ken為預警指標進行現場考察及應用。

3.1 初期試驗考察

由表1可知，循環1監測區段為13運輸巷里程1 275～1 317 m，即本系統開始監測時，13運輸巷掘進工作面與CHN1傳感器距離為42 m?？紤]預測指標測點的位置因素，將預測指標最大測定值的測點位置與班次掘進進尺相對應進行數據分析，通過整理得出掘進該區段期間的鉆屑瓦斯解吸指標K1值、班次瓦斯最大濃度與預警指標的對比曲線，如圖5、圖6所示。

圖5 監測循環1中預警指標Ken與鉆屑瓦斯解吸指標對比曲線

圖6 監測循環1中預警指標Ken與瓦斯濃度對比曲線

由圖5可知，監測循環1內鉆屑瓦斯解吸指標K1值共測定5次，其中有2次測定值超過了礦方考察臨界值0.45 ml/(g·min1/2)，最大測定值達0.51 ml/(g·min1/2)，由此說明具備突出可能性；而在2次高值測點前2～3個班，趨勢判識指標Ken也出現了高值，說明趨勢判識指標Ken與瓦斯解吸指標K1值具有一致性與超前性。由圖6可知，班次瓦斯濃度曲線在監測循環1內均未出現超限情況，即瓦斯涌出較為正常。監測循環1內Ken值超過1.5出現2次、1.4～1.5出現1次、1.3～1.4出現3次，因此對比K1值異常次數，確立趨勢判識指標Ken臨界值為1.5。

3.2 現場應用

根據初期考察試驗確立的趨勢判識指標Ken的臨界值，在監測循環2至監測循環4進行了現場應用，監測范圍為巷道里程1 317～1 403 m，聲發射系統共監測51個班次，判識結果為異常的共5次，其余正?！，F場實際情況表明：煤巷掘進工作面瓦斯濃度無超限，即瓦斯涌出正常；礦井日常預測指標測定結果中鉆屑量S值正常無超標情況，鉆屑瓦斯解吸指標K1值共超過其考察臨界值3次，即出現3次測定值結果異常，同時在循環2末段以及循環3初段巷道揭煤煤層處出現軟分層情況，如圖7所示?，F場應用期間巷道揭煤的地質情況示意如圖8所示。

圖7 掘進工作面煤體異常斷面

圖8 現場應用期間煤巷地質情況示意

將監測結果與現場實際情況進行對比分析，結果見表2。

表2 監測結果異常情況對比分析

由表2可以看出，監測預警結果異常班次中，中間3次異常為連續3個班，因此3個班次的監測異常結果可視為1次判識異常，即聲發射監測系統預警次數與實際出現異常次數相符。2022年3月28日早班Ken達到3.32，聲發射預警結果為異常，早班結束后累計進尺為1 342 m，對比K1值測定數據，在里程為1 348 m的測點位置K1值為0.58 ml/(g·min1/2)，超過考察K1值臨界值0.45ml/(g·min1/2)，出現異常且實際揭露煤層出現了軟分層，現場情況與聲發射監測結果一致，對比預警班次掘進位置與預測指標超臨界值的測點位置可知，監測系統可超前6 m給出異常判識結果。

同理，3月24日早班、3月31日中班分別超前了4.6、4.0 m給出了異常判識結果。由此說明聲發射監測結果為異常后，試驗煤巷再掘進4～6 m后現場出現異常(測點位置預測指標測定值異?；虻刭|異常)，驗證了考察確立的Ken臨界值是合理有效的。

綜上所述，現場應用期間聲發射監測系統可超前4～6 m就可發出預警信息的目標，預警結果與實際相符，監測效果可靠，可應用于煤巷掘進突出危險性監測預警領域，為煤巷安全高效掘進提供一種有效監測手段。

4 結論

(1)基于小屯煤礦16中13回采工作面巷道布置情況，通過上向穿層鉆孔超前布設聲發射監測傳感器，構建了集“井下信號無損采集——數字信號并網傳輸——井上實時監測預警”于一體的井上下聯動聲發射監測預警系統。

(2)提取能量特征參數趨勢判識指標為預警指標，消除了監測距離對聲發射監測信號影響；通過分析掘進期間聲發射預警指標與鉆屑瓦斯解吸指標K1值、班次瓦斯濃度相關關系，確立了預警指標Ken的臨界值。

(3)現場應用期間驗證了預警指標Ken臨界值的準確性，聲發射系統監測預警結果與礦井實際情況相符、效果可靠，實現了超前4～6 m發出預警信息，可作為工作面突出危險性預測的一種有效手段進行應用。