应用ARES-5/E 地音系统分析梨树煤矿右三高抽巷冲击危险性

刘 刚，肖福坤，胡 刚，叶 青，张 强

(1.黑龙江科技大学，黑龙江省煤矿深部开采地压控制与瓦斯治理重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150027；2.龙田煤业有限公司，河南 辉县 453600；3.黑龙江龙煤鸡西矿业公司 梨树煤矿计划科，黑龙江 鸡西 158160)

矿山压力与灾害控制

应用ARES-5/E 地音系统分析梨树煤矿右三高抽巷冲击危险性

刘 刚1，肖福坤1，胡 刚1，叶 青2，张 强3

(1.黑龙江科技大学，黑龙江省煤矿深部开采地压控制与瓦斯治理重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150027；2.龙田煤业有限公司，河南 辉县 453600；3.黑龙江龙煤鸡西矿业公司 梨树煤矿计划科，黑龙江 鸡西 158160)

为掌握梨树矿右三高抽巷推进过程中岩体所释放的能量、频次和冲击危险性，分析了该巷道的地音数据。研究结果表明：梨树矿右三高抽巷岩体能量释放呈现“高能-低能-高能-低能-高能”的特点，频率呈现“低频-高频-高频-高频-低频”的特点。从声发射事件、能量和事件的平均能量可知，距离工作面80m区域之内，相对安全。距离工作面80～170m范围之内，相对较危险。距离工作面170～210m区域，相对危险。通过分析1月2日～8日数据可知，可以提前4～5d预测危险的来临，采取相应的措施，解除危险。

ARES-5/E地音系统；高抽巷；地应力

1概 述

冲击地压是煤矿开采过程中典型动力灾害之一，其发生可能会诱发煤与瓦斯突出、煤层自燃、顶板断裂等次生灾害，造成严重的后果，煤矿开采过程预防治理冲击地压是亟待解决的问题。

通过长期工程实践累积经验，人们发现岩石破裂过程以弹性波形式向外界释放能量，必然会发生声发射(AE)现象[1-2]。常见的采矿活动所引起的动力现象大致分两类：反映强烈的，是采矿微震的范畴；反映较弱的，如卸压、轻微振动、声响等属于采矿地音的范畴，也称之为岩石的声发射。

声发射技术主要接收煤岩体裂纹扩展所释放的弹性波，所以仅能接收能量较低、波动较弱的地音信号。振动频率从0～2000Hz范围内，能量低于102J，下限不定，振动范围从几米到大约200m。在煤矿开采过程中，由于巷道的开掘、工作面推进的扰动，易诱发煤岩体破裂产生地音信号，能量的震动通常在0～103J之间，震动的频率大约会在150～3000Hz范围。地音能探测到高频低能信号，微震可监测到高能低频信号。能量的释放必然与应力释放紧密结合在一起，所以通过能量释放量的大小可以推测煤岩体应力变化的情况。

ARES-5/E地音监测系统是危险性评估的专用设备。通过监测煤岩体所释放的地音信号，对所监测局部区域的危险程度都能有较准确地预测。高能量的释放往往与大型断裂存在一致性，可导致煤岩体整体或局部失稳，严重时可能发生冲击地压[3-5]。通过对监测数据进行统计分析，研究煤岩体的破坏规律，从而实现对煤矿冲击危险的评价和预警[6]。

近些年，进入深部开采阶段较难治理和控制的灾害为冲击地压，由于发生区域的不确定性、隐蔽性、突发性、猛烈性和破坏性，给安全生产带来了严重威胁[7]。通过研究微震监测系统的能量变化判断工作面发生冲击地压的区域[8]。张宗文等[9]对微震和地音技术进行了对比分析，分别应用ARAMIS M/E 微震监测系统与ARES-5/E地音监测系统对华丰煤矿工作面进行监测，综合分析给出了微震和地音联合监测的冲击地压防治方法；夏永学等[10]利用地音系统和微震系统对千秋煤矿进行了监测，给出了千秋煤矿评价冲击危险性的微震和地音指标；鞠文君等[11]提出了冲击地压矿井的4种主要监测预警模式；肖福坤等[12-18]对煤岩体损伤破坏过程中能量转移、转化规律和声发射特性进行了分析；刘刚等[19-20]分析了组合煤体和花岗岩破坏过程声发射特征。

上述学者主要针对某些煤矿冲击地压和冲击危险进行研究和分析，应用ARES-5/E地音监测系统在应力场变化和危险区域联合分析鲜有报道，本文结合梨树矿右三高抽巷破碎岩体高地应力缓慢释放的实际情况，应用地音系统监测巷道能量、频次和事件的变化规律及对冲击危险性进行判定。

2 现场实验背景分析

2.1 地质情况

梨树煤矿设计生产能力0.15Mt/a，2003年改扩建，2007年进行了试生产，现矿井初步核定生产能力0.6Mt/a。截至2013年12月末14号煤层可采储量8.556Mt。矿井位于鸡西市东南方向46km，距离鸡西市区约50km，地理坐标为东120°36′15.85″，北纬41°15′17.3″，井田东西走向长2.58km，南北倾斜宽4.11km，井田面积约10.6km2。矿井开拓方式为斜井开拓，水平标高-275m，开采14号煤层。现场勘查了梨树矿右三高抽巷，了解巷道围岩结构特征，岩体节理裂隙发育情况。

2.2 地音原理简介

地音监测系统工作原理：通过一段时间的初期监测，收集事件数和能量在正常开采活动中的平均值，以此为基准来判断开采活动中危险等级；通过对巷道长期的监测并分析出规律，因为可以提前为下一个危险期做评价和预警。ARES-5/E井下传感器对巷道进行实时监测，并且将采集的声发射信号传到发射器中，发射器对监测的信号过滤和放大，然后通过矿用电缆传到地面中心站，中心站会对信号进行统计和分类，将最终结果输送到地音系统软件中；最后，系统自带的软件会根据采集的数据做出能量和频次图表，可以根据这些图表对所测区域进行危险性综合评价。

2.3 传感器布置

地音探头一般安装在工作面的上下巷道中，安装方式为每条巷道两侧各布置传感器2～3个。由于梨树矿右三高抽巷巷道右侧布置风筒，不能钻取有效孔位和安装传感器，结合梨树矿巷道掘进过程中的实际情况并分析问题相关性，采取在巷道左侧均布置传感器的方式。为保证地音监测结果的可靠性(传感器有效可控半径范围内)，在实际监测中，第一个探头布置在距工作面50m处，考虑到推进速度的影响，减少地音探头的移动次数，地音探头之间的距离为20～30m，可保证监测到工作面前方50m，后方100m的地音信息。传感器位置布置如图1所示。

图1 传感器布置

3 地音数据分析

通常情况下，在进行地音数据处理时，有些重要的参数必须统计出来，其中包括：工作班的累计能量、能量的平均值和累计能量，地音活动的频次以及每个传感器所处位置和记录的时间。由于对该矿所测巷道岩石做过了室内实验并总结出该巷道岩石的一些特性，再结合上述一些基础理论来对该矿进行综合性的分析，并对所测区域进行危险等级评估。

ARES-5/E地音监测系统于2014年12月10日开始正常工作，截止至2015年4月14日，得到7个传感器采集到的总活动数和总能量累计图。图2为G1探头在此期间所接收的所有数据。

图2 地音探头收集的频次和能量曲线

从图2曲线的变化趋势来看，事件分布比较零散，说明能量释放后需要一段时间才能二次积聚，期间出现较明显的5次变化，其中包括2次高频低能、2次低频高能和1次高频高能。能量和事件频次存在一致性，只是事件所携带的能量不一致，导致曲线波动性大小存在不一致性。从曲线几次突变可以发现，能量呈现“高能-低能-高能-低能-高能”，可以体现能量释放的规律性。频率呈现“低频-高频-高频-高频-低频”，体现频次的释放规律。能量呈现1日前和9日后都有长期的能量平稳期而且能量小。所以1日到9日之间属于异常状态。1月9日能量达到最大值，但是频率却不是最大值，频率和能量不具有直接相关性。由于该监测巷道为岩巷，当1月9日达到峰值时，其岩石承受最大破坏应力应发生在1月9日前1个或2个峰值期间，大约在1月4日到8日之间，此阶段应该判断为最危险阶段。所以根据图2的特征规律，应该在下个最大峰值来临前几天做好顶板支护和人员及时撤离准备工作。

地音监测结果注意采取统计学的分析方法，从时间和空间两个角度来衡量各个参量的变化规律，地音监测结果的绝对分析是指针对某一地音信号的频谱(包括频率、振幅、能量、延时、时差等)进行分析。由于数据量较大，仅针对2015年1月1～9日信息进行讨论。

图3为各探头监测事件数。由图3分析可知，G3，G4，G5 3个探头接收到的事件数较多，其中G3，G5探头总事件数分别为4514及4116个，事件数相对较多，但总能量均较低，分别为9.34×105J，6.79×105J。

图3 各探头监测事件数

图4为各探头监测的总能量。由图4分析可知，G6，G7探头接收到的事件数虽然相对较低，但总能量最高，分别达到1.6×106J和1.22×106J。从图3事件数整体分析，距离工作面80m区域之内，事件数较少，整体趋于稳定，现场岩体破裂数较少，相对安全。相较于距离工作面80～170m范围之内事件数积聚区域，此区域岩体破裂数较多，是相对较危险区域。距离工作面170～210m区域，事件数呈现衰减区域，岩体破裂数逐渐减少，是相对危险区域。从图4能量变化规律分析得到，距离工作面80m区域之内，能量相对较低，此区域稳定。距离工作面80～170m范围之内，能量逐渐增长，此区域相对安全，距离工作面170～210m区域，能量积聚增长，此区域相对危险。

图4 各探头监测的总能量

从能量及事件数综合评价(图5)可看出在工作面140m范围内，平均能量逐渐增加，危险性随远离工作面逐渐增加，距工作面140～170m范围内，平均能量减少，该区域危险性较低，距工作面170～210m，平均能量急剧增长，此区域较危险。从G1探头至G7探头事件平均能量整体处于逐步上升状态，这主要是由于G6，G7地音探头靠近“L”型巷道交叉口，该区域应力集中。工作面附近由于长期未有进尺，岩体处于稳定状态。2015年1月4日下午16点人员应及时撤离至安全区域，且对“L”型巷道交叉口顶板加强支护。在时间上和空间上都能对该巷道进行准确判断。

图5 各探头监测事件平均能量

4 地音的冲击危险性评价

为具体分析发生在1月9日前1个或2个峰值期间能量和频率的变化规律，对1月2日到8日之间地音数据进行细化研讨。

一般而言，在分析地音监测结果时，主要关心的参数包括：每个工作班累计能量、平均能量、总的能量和事件活动的频率。统计发现，上述地音参数活动的变化规律具有异常复杂性，难以对未来冲击地压进行准确预报。即便如此，地音能量和频次的突变仍然预示着可能发生冲击危险，且这2个参数是冲击地压发生前的2个重要短期特征。

采用ARES-5/E地音监测系统对冲击地压危险分为4个等级：A级：无冲击危险；B级：弱冲击危险，此时应加强该区域监测强度和作业管理；C级：中等冲击危险，应采取一定的解压措施，例如钻孔、注水等，以降低工作面的压力，减少冲击危险性；D级：强冲击危险，立即停止该区域任何作业，且人员及时撤离至安全区域；采用一些防冲措施，实时检查防冲效果；只有等监测的危险等级降级后，方可继续井下作业。

地音监测技术主要针对煤岩体的微破裂，释放能量较小，频率较高。微破裂急剧大量出现，说明煤岩体即将发生宏观断裂，可能发生冲击地压，故通过地音事件的能量和频率的突升，可以预判大型破断即将来临。为了能更清晰说明危险性程度，选取地音异常指数(能量异常指数PE和PN频率异常指数)作为评价危险性的标准。其计算方法如公式(1)和(2)所示：

(1)

(2)

危险程度的划分指标每个矿都不一样，由于每个矿的地质条件的差异，都会给一个能量异常指数和频次异常指数。如果超过这个指数就可能处于危险。根据以往研究经验，结合梨树矿右三高抽巷生产实际情况，确定3层次预警线。第1条预警线异常指数值为0.5，第2条预警线异常指数值为1，第3条预警线异常指数值为2。分别为安全线、预警线和警戒线。生产班异常指数如图6，检修班异常指数如图7。由现场提供工况，从2014年12月10日至2015年1月9日，现场没有任何进尺，也没有放炮和打锚杆，右三高抽巷第1台胶带4号前24m为正断层，在该正断层往外刷帮、拉底。由于刷帮、拉底产生高频低能振动且经过断层，能量和事件传播大量衰减，故对采集区域无影响。

图6 生产班地音异常指数曲线

图7 检修班地音异常指数表

图6和图7的横坐标分别表示2015年1月2号到2015年1月8号生产班次和检修班次，通过图6可知，在正常采掘过程中，1月4日接收到较多的能量释放信号，证明岩体此时出现严重的破坏。通过图7可知，在未进行生产的检修时段，1月5日能量和频次均出现大幅上升，此时不存在开采扰动，所接收到的地音信号均来自于岩体断裂。从连续2d的数据可知，岩体连续断裂，将有冲击危险。

测出的异常指数是2，超过这个数的就有危险可能性，可以看到2014年1月4日下午16点后，该矿通道1(G1)所测的区域有危险性，且危险等级被定为D级。该矿应加强支护及让人员迅速撤离掘进面。

通过前后对比可知，1月9日前出现2次能量的突变，分别发生在1月4日和1月5日。2次岩体的大断裂为9日能量的大释放埋下伏笔。有效地抓住规律，可以提前4～5d预测危险的来临，采取相应的措施，解除危险。

5 结 论

(1)通过分析地音监测数据可知，梨树矿右三高抽巷岩体能量释放呈现“高能-低能-高能-低能-高能”的特点，频率呈现“低频-高频-高频-高频-低频”的特点。

(2)当1月9日地音能量达到峰值时，其岩石承受最大破坏应力应发生在1月9日前1个或2个峰值期间，也就大约在1月4日到8日之间，此阶段应该判断为最危险阶段。

(3)从声发射事件、能量和事件的平均能量可知，距离工作面80m区域之内，相对安全。距离工作面80～170m范围之内，是相对较危险区域。距离工作面170～210m区域，是相对危险区域。

(4)通过分析1月2日至8日数据可知，有效地抓住规律，可以提前4～5d预测危险的来临，采取相应的措施，解除危险。

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[责任编辑：潘俊锋]

Analysis of Rock Burst Hazard of Righ Three High Level Drainage Roadway in Lishu Coal Mine with ARES-5/E Ground Sonic System

LIU Gang1，XIAO Fu-kun1，HU Gang1，YE Qing2，ZHANG Qiang3

(1.Heilongjiang University of Science and Technology，Heilongjiang Key Laboratory of Deep Mining Pressure Control and Gas Management，Harbin 150027，China；2.Longtian Coal Industry Co.，Ltd.，Huixian 453600，China；3.Lishu Coal Mine,Heilongjiang Longmei Jixi Mine Industry Co.，Ltd.，Jixi 158160，China)

In order to obtain relaxed energy，frequency and outburst hazard of rock mass during advancing process of right three high level drainage tunnel in Lishu coal mine，the ground sonic data of the tunnel was analyzed.The results showed that energy relaxation character appeared as ‘high energy-low energy-high energy-low energy-high energy’，frequency character like as‘ low frequency -high frequency -high frequency-high frequency-low frequency’，according acoustic emission event，energy and average energy，the area within 80m to working face was relative safety，the scope 80～170m to working face was relative dangerous，the scope 170～210m to working face was relative dangerous，according data that collected from January 2ndto 8th，the hazard could be forecast 4～5 days in advance，then some schemes could be put forward，and hazard could be relaxed.

ARES-5/E ground sonic system；high level drainage tunnel；ground pressure

2016-11-24

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.03.020

国家自然科学基金项目(51574115，51374097，51604100)；黑龙江省煤矿深部开采地压控制与瓦斯治理重点实验室开放课题(基于声发射表征组合煤岩体冲击倾向研究)

刘 刚(1986-)，男，黑龙江伊春人，助教，研究方向为矿山压力及岩层控制、冲击地压防治。

刘 刚，肖福坤，胡 刚，等.应用ARES-5/E地音系统分析梨树煤矿右三高抽巷冲击危险性[J].煤矿开采，2017，22(3)：65-69.

TD324.2

A

1006-6225(2017)03-0065-05