矿井煤岩动力灾害声发射监测传感器孔底安装方法研究

李建功

(1.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037； 2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037；3.重庆大学 资源与安全学院，重庆 400044)

随着矿井开采深度的增加，以地应力为主导的各种煤岩动力灾害日益突出，因此，对深部开采条件下的煤岩动力灾害的监测预警尤为重要[1-7]。声发射技术作为一种非接触式连续预测技术，能够对矿井煤岩动力灾害进行超前监测预警[5-15]，研究提高深部开采条件下煤岩动力灾害的预测准确度，已逐渐被业内广泛重视。声发射传感器作为声发射监测系统的一个重要组成部分，其安装效果的好坏直接影响着传感器接收声发射信号的能力和对噪声的阻隔效果[16-19]。当前声发射传感器的安装主要采用孔底注浆安装方式，但针对大角度上向孔安装时，易受浆体与煤岩体本身特性影响而出现耦合不完整的现象，影响信号的接收和监测效果。

基于此，提出一种声发射传感器孔底安装方式，解决上向孔传感器和煤岩体不紧密耦合导致监测信号残缺、安装过程中无法防止传感器在钻孔滑落和安装困难等问题，以弥补现有孔底安装方法的不足，从而提高声发射监测效果。

1 煤岩体声发射传感器安装方式分类

煤岩体声发射传感器的安装方式主要有表面安装、孔底安装和波导器安装等3种方式[19-20]，如图1所示。

图1 不同声发射传感器安装方式下声发射信号传播示意图

煤岩体表面安装方式是将传感器固定在煤岩体表面，安装便捷，传感器能回收利用，但由于声发射信号传播路径要经历一个强衰减的松动圈，故其能够接收到煤岩体内部的声发射信号必然很差，且受外界噪声干扰严重，并且经常会被施工人员或机械触碰损坏，严重影响信号监测效果。孔底安装方式是通过施工一定深度的钻孔将声发射传感器埋设在煤岩体内部，并注浆封装，能够很好地采集到煤岩体内部传播的声发射信号，且因巷道松动圈的屏蔽作用能够很大程度上隔绝外界干扰噪声，具有接收信号能力强、抗干扰能力强的优点。波导器安装时，利用波导器的导波作用，在内端通过凝固后呈弹性的材料与孔底煤岩体固定，外端安装声发射传感器，信号通过波导器传递至传感器，此种方式安装相对便捷，传感器能回收利用，且能够通过波导器的传递作用有效采集到煤岩体内部的声发射信号，但同样由于传感器暴露于巷道中，因此仅适合在外界作业噪声干扰少的监测环境下使用。

综上所述，煤矿井下进行声发射监测应用时，为了能够采集到煤岩体内部有效的声发射信号，根据监测环境和监测对象等，可选择孔底安装和波导器安装2种声发射传感器安装方式，且优先选择声发射传感器的孔底安装方式。

2 声发射传感器孔底安装叉式固定法

在采用声发射传感器孔底安装时，要确保传感器与煤岩体之间的良好耦合，且相对便于安装。现有声发射传感器孔底安装主要采用水泥注浆固定法，如图2所示，针对下向孔安装时能够保障良好的耦合效果，但针对大角度上向孔和水平孔安装时，易受浆体与煤岩体本身特性影响出现耦合不紧密的现象，容易导致声发射信号的部分丢失，影响信号接收和监测预警的可靠性，且安装过程中无法防止传感器在钻孔内滑落。

图2 声发射传感器孔底安装水泥注浆固定法示意图

在充分考虑声发射传感器的安装耦合效果和安装便捷性等因素情况下，设计了一种传感器孔底叉式固定安装方法，即通过在棒状声发射传感器的前后两端设计了一种金属卡爪结构(见图3)，将卡爪的一端固定在传感器壳体上，另一端朝钻孔外张开，张开角度可调，适用于多种孔径的钻孔安装。

图3 声发射传感器孔底安装叉式固定法示意图

该安装方法既能实现声发射传感器与钻孔煤岩体的长时间紧密耦合，且随着钻孔变形耦合度越来越高，不仅排除了注浆方式中由于浆体的特性随着时间的增加而出现与钻孔壁耦合度降低的现象，也避免了注浆程序的繁琐、难以判断注浆是否到位，以及凝固耦合效果能否保证等问题；同时能保证传感器在钻孔内不滑落，且安装方便快捷。基于此设计了一种适用于孔底叉式固定安装的声发射传感器，并开发了相应的传感器快速输送装置。

传感器孔底安装叉式固定法的步骤：①在煤岩层中施工安装钻孔；②将带卡爪结构的声发射传感器通过专用输送装置送至孔底，使传感器与钻孔孔壁紧密耦合接触；③反向旋转抽出输送管，并使声发射传感器卡爪卡住钻孔孔壁而不滑落，然后排放好传感器信号线；④利用矿用封孔材料将钻孔孔口封堵，以隔绝外界噪声干扰；⑤将安装好的传感器与声发射监测仪连接进行调试运行。

3 应用效果考察

3.1 信号时频特征分析

在平煤十矿己15-24080回采工作面机巷同一位置施工2个不同角度、同一深度的安装钻孔，分别采用水泥注浆固定法、叉式固定法2种孔底安装方法进行声发射传感器安装，对比分析工作面回采期间的声发射信号采集效果，选取一段声发射信号的时谱图和频谱图进行对比，如图4和图5 所示。

(a)水泥注浆固定法

(a)水泥注浆固定法

由图4可以看出，水泥注浆固定和叉式固定2种方法安装的声发射传感器均采集到了同一震动产生的连续的声发射信号，波形相似，信号丰富程度相近，信号的持续时间也均在70 ms左右，信号的最大幅值分别为1.68 V和1.60 V，较为接近，表明采用叉式固定法安装的声发射传感器能够采集到有效的声发射信号。进一步对比分析声发射信号的特征参数，设定统一的信号处理门槛值为0.1，提取的振铃计数分别为34个和37个，能量值分别为5.12×103mV2和5.31×103mV2，可以看出，采用2种方法安装的传感器采集的声发射信号的振铃计数和能量指标在数值上较为接近，但叉式固定法安装的传感器采集的声发射信号的特征参数指标反映情况相对更优。

由图5可以看出，2种方法安装的传感器所接收的声发射信号频带宽度均为0～3 000 Hz，声发射信号的主频分别为800、750 Hz，比较接近，但叉式固定法安装的传感器采集的声发射信号的能量分布更为集中，这也更有利于有效声发射信号的提取。

3.2 现场应用效果分析

以平煤十矿己15-24080回采工作面发生的一次“以地应力为主导的煤岩挤出”动力现象的声发射监测结果进行分析，如图6所示。由图6可以看出，2种安装方法下传感器接收到的声发射信号的特征参数指标变化趋势基本一致，对动力现象均有明显的反映，但从特征参数指标具体数值大小来看，叉式固定法安装的声发射传感器的信号接收效果略优于水泥注浆固定法安装的传感器的接收效果。进一步考虑现场安装环境，叉式固定方法更加便捷，避免了水泥注浆固定法的繁琐操作。

(a)声发射振铃计数对比

综上所述，声发射传感器孔底叉式固定法可以有效地接收工作面作业过程中的声发射信号，既简化了传感器安装工艺，又排除了水泥注浆方法中由于浆体的特性随着时间的增加而出现与钻孔壁耦合不紧密的现象，提高了传感器与煤岩体耦合的时效性和稳定性，能够确保声发射信号的持续有效接收。在现场监测时，当需要在大角度上向孔和水平孔内安装时，声发射传感器孔底安装叉式固定法可以替代原先采用的水泥注浆固定法，监测效果更优。

4 结论

1)煤矿井下进行声发射监测时，根据监测环境和监测对象可选择声发射传感器孔底安装和波导器安装2种安装方式，且优先选择孔底安装方式。

2)设计了一种声发射传感器孔底安装叉式固定法，简化了安装工艺，实现了声发射传感器的快速有效安装，解决了上向孔内传感器和煤岩体注浆耦合不紧密导致监测信号残缺、在安装过程中无法防止传感器在钻孔内滑落和安装困难等问题，提高了传感器与煤岩体耦合的时效性、稳定性，以及传感器的接收性能，确保了声发射信号被持续有效地接收。

3)根据现场安装钻孔角度，形成了声发射传感器孔底安装水泥注浆固定法和叉式固定法2种安装方法。在大角度上向孔和水平孔内安装时，宜选择声发射传感器孔底安装叉式固定法；在下向孔内安装时，宜采用孔底安装水泥注浆固定法。