基于地音监测的工作面开切眼期间冲击危险性评价

邢麟楠

（1.中煤科工开采研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013）

由于煤矿生产的需要，必须不断完成开拓巷道、采准巷道和回采巷道等掘进部署。对于冲击地压矿井，当掘进工序相互扰动而造成采掘空间周围应力叠加时，容易诱发冲击地压。在工作面切眼贯通期间，巷道对掘与交叉不可避免，在此过程进行冲击危险性的准确评价，对指导冲击解危工作具有重要意义[1]。

冲击危险性评价方法包括综合指数法等多因素综合评价方法和基于地音等监测的冲击危险性评价方法等[2-9]。多因素综合评价方法虽然选取的评价指标较为全面，但无法实现实时评价，且各评价指标关联度尚需进一步研究。地音监测方法通过捕捉冲击地压发生前煤岩体破裂所产生的前兆信息，可以实现对掘进工作面的超前区域及迎头后方围岩的微裂隙扩展过程及冲击危险程度的实时精细化监测和准确评价[10-12]。为此，以某矿冲击危险性工作面切眼贯通为背景，借助地音监测系统对切眼贯通期间地音异常活动的监测与评估，构建了基于地音监测数据的冲击危险性评价方法，实践表明具有良好的应用效果。

1 工作面概况

某矿二水平南一区21 层一段工作面平均埋深420 m，设计走向长度660 m，倾向长度55～124 m，所采煤层煤厚2.80～4.11 m，煤层倾角28°～36°。工作面切眼位于工作面开采境界最南部，断面为矩形，净高3.7 m，净宽2.5 m，总长58 m。切眼施工工艺采用机械化综掘，支护方式顶板采用锚网索联合支护，锚杆间排距为1 m×0.9 m，锚索布置在巷道中间每3 m 1 对，两帮铺网。二水平南一区21 层一段工作面顶底板岩性见表1。

表1 二水平南一区21 层一段工作面顶底板岩性Table 1 Lithology of roof and floor of working face of section 1, floor 21, south zone 1, level 2

二水平南一区21 层一段工作面具有弱冲击危险性，为了减小上下巷同时掘进造成的应力集中，切眼贯通采取了冲击地压防治措施。工作面贯通前，下巷超前上巷掘进，由下向上施工切眼。当下巷掘进至距离切眼尽头20 m 时，停止上巷作业直至切眼贯通。工作面上下巷道布置有ARES-5/E 地音监测系统，其中下巷布置有1#、2#地音探头，上巷布置有3#、4#地音探头，对工作面切眼贯通期间进行地音实时监测。ARES-5/E 地音监测系统布置方案图如图1。

图1 ARES-5/E 地音监测系统布置方案图Fig.1 Layout of ARES-5/E ground acoustic emission monitoring system

通过统计地音事件频次、能量等地音参量，找出地音活动规律，结合采掘情况评价监测区域的冲击危险等级。当系统评价结果超出设定的危险等级时，立即停掘并进行解危卸压。

2 基于地音监测的冲击地压危险性评价技术

2.1 危险性评价指标

煤岩体是典型的非均匀性材料，其内部含有大量微裂纹、孔隙、节理裂隙等，在受载的不同阶段会产生丰富的地音信号。地音监测系统通过信号采集器接收采掘工作面微破裂发出的震动波，经过信号处理，最后得到包括能量、频次等表征煤岩体破裂程度的评价指标。通过现场实践表明，地音能量强度及频次的变化，可以很好反映煤岩体内应力及冲击地压危险性的变化。

评价地音危险状态受开采与非开采状态影响。井下生产对地音数据的具有显著影响，因此在采用地音法进行冲击危险性评价时，首先需要确定评价时间段是属于工作班还是非工作班，否则评价时容易出现较大的偏差。因此，结合生产状态可以将地音能量和频次细化为4 个指标：工作班地音活动频次PAZW、非工作班地音活动频次PAZN、工作班间班地音能量强度PEZW 和非工作班地音能量强度PEZN。

2.2 冲击危险性评价模型

在地音监测冲击危险性评价指标确定之后，尝试使用阈值法构建危险评价模型，包括对PAZW、PAZN、PEZW、PEZN 4 个指标设定不同的评价门槛，发现其评价结果具有随机性，不具指导生产的能力，必须探索新的方法。由于地音活动与煤岩体破裂阶段有关，地音前期的活动情况往往预示着后期的发展状态，在采用地音法进行冲击危险性评价时，可通过地音活动的变化规律来实现，该思想也是波兰煤矿采用地音法评价与预测冲击地压的基础[13]。地音异常系数k 是衡量一段时间内地音活动异常程度的参数，以工作班地音频次异常系数kazw为例，评价指标值按如下表示：

以此类推，可计算得到其余的3 个指标：非工作班地音活动频次异常系数kazn、工作班间班地音能量强度异常系数kezw、非工作班地音能量强度异常系数kezn。

根据二水平南一区21 层一段工作面切眼贯通期间冲击事件发生前地音的活动规律，按当前班地音活动的地音异常指数大小将地音危险等级划分为a、b、c、d 4 个等级。冲击危险等级划分标准见表2。表2 中地音异常指数k 取Max｛kazw，kazn，kezw，kezn｝。

表2 冲击危险等级划分标准Table 2 Classification standard of impact hazard level

3 地音监测数据分析

提取2017 年12 月至2018 年2 月工作面切眼贯通期间地音数据，通过对各地音探头能量与频次的地音异常指数的变化趋势进行统计分析，结合井下冲击显现情况，能够得出冲击发生前地音前兆规律和冲击危险性评价的准确度。

3.1 冲击地音前兆信息判别

1）地音能量和频次的持续增长预示着冲击危险增加[14-15]。切眼周边煤岩体在掘进时所受的原岩应力状态被打破，压力升高区的煤岩体从塑性变形到失稳破坏过程中，煤岩体内裂隙扩展加快，地音能量与频次增加。若单个地音通道连续至少2 d 的危险等级达到d，可判定该探头前后70 m 范围内存在冲击危险。2017 年12 月31 日05：21：58 在下巷掘进工作面附近发生1 起冲击事件，2017 年12 月31 日冲击显现位置如图2。利用微震监测系统定位的震源位置为下巷切眼口前方10 m，能量为2.5×105J。据下巷中部作业工人反映事件发生时有非常大的煤炮声，风流逆流，煤尘增大。1#地音探头活动情况如图3。由于地音监测系统1#地音探头已持续2 d 危险等级为d，故切眼掘进头已停掘。

图2 2017 年12 月31 日冲击显现位置Fig.2 Location of impact appearance on December 31, 2017

图3 1#地音探头活动情况（2017 年12 月）Fig.3 Activity of 1# ground acoustic emission probe

2）地音能量和频次的突然增长代表着冲击危险增加。相向掘进过程中，相互扰动导致煤岩体应力集中程度增加，当局部煤岩体应力叠加迅速时，内部裂隙急剧扩展与贯通，煤岩体突然失稳破坏。若邻较近2 个地音探头在最近1 个班同时危险等级突然达到d，判定这2 个探头的有效监测区域存在冲击危险。例如2018 年1 月7 日15:31:40 发生在上巷掘进头附近的1 起冲击事件，冲击显现位置如图4。当时掘进工作面正在顶板施工支护锚杆，工作面突然有强烈震感，顶板掉渣严重，部分已打好的锚杆托盘和螺帽松动脱离。1#、3#探头的地音能量和频次突然增加，2018 年1 月的1#、3#地音探头活动情况分别如图5、图6。

图4 2018 年1 月7 日冲击显现位置Fig.4 Location of impact appearance on January 7, 2018

图5 1#地音探头活动情况（2018 年1 月）Fig.5 Activity of 1# ground acoustic emission probe

图6 3#地音探头活动情况（2018 年1 月）Fig.6 Activity of 3# ground acoustic emission probe

3）地音能量和频次由高降低并不意味着掘进工作面的危险程度降低，当地音活动持续沉寂也预示着冲击危险的增加。煤岩体作为1 种典型的非均匀连续介质，受载后表现一定的承载能力，通过变形等方式储存外界传递的能量，当达到极限形变时，煤岩体失稳破坏，内部储存的能量突然释放，导致冲击地压的发生。例如在工作面切眼贯通末期，3#地音探头接收的能量持续沉寂3 d 后，在切眼与上巷的交叉位置发生了1 次冲击事件，2018 年1 月7 日冲击显现位置如图7，2018 年2 月的3#地音探头活动情况如图8。

图7 2018 年1 月7 日冲击显现位置Fig.7 Location of impact appearance on January 7, 2018

图8 3#地音探头活动情况（2018 年2 月）Fig.8 Activity of 3# ground acoustic emission probe

3.2 地音对冲击危险性评价的准确率

冲击地压危险性评价的准确率是衡量地音危险性评价优劣的1 个重要标准，对于井下发生冲击显现并且地音系统给出d 级预警的现象，定义为地音报准；井下发生冲击显现而地音系统没有给出d 级预警的现象，定义为地音漏报；井下未发生冲击显现而地音系统给出d 级预警的现象，定义为地音误报。

通过统计得出的工作面切眼掘进期间地音预警情况见表3。

表3 工作面切眼掘进期间地音预警情况Table 3 Ground acoustic emission early warning during cutting excavation of working face

地音报准率、漏报率、误报率的计算方法如下：

式中：aB为地音报准率；aL为漏报率；aW为误报率；Nb为地音报准次数；Nl为漏报次数；Nw为误报次数；Ny为地音预警次数。

根据表3，由式（2）～式（4）可得：地音报准率为66.6%，漏报率16.7%，误报率16.7%，实践表明地音监测对现场冲击危险具有较好的评价效果。

4 结 语

1）地音前期的活动情况往往预示着后期的发展状态，通过地音异常系数衡量一段时间内地音活动的异常程度，并按当班地音活动的地音异常指数大小将地音危险等级划分为a、b、c、d 4 个等级。

2）地音系统的单通道活动持续增长或持续沉寂、2 个或以上通道活动突然增长预示着冲击危险的增加，可以作为冲击地压发生前的地音前兆信息。

3）地音报准率是衡量冲击危险性评价准确率的1 个重要标准，统计数据得出工作面切眼掘进期间地音报准率为66.6%，漏报率16.7%，误报率16.7%，实践表明地音监测系统对冲击危险性评价具有较好效果。