回采工作面冲击地压声电监测阈值的确定

韩风军，高 振，任 尚，李邵东，刘 邦(.内蒙古黄陶勒盖煤炭责任有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 07300；2.中国矿业大学，江苏 徐州 226；3.煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州 226)

冲击地压是指煤炭资源开采过程中，采场周围煤岩体内积聚的弹性能以突然、剧烈的方式释放，短时间内对工作面设备以及巷道工程造成巨大破坏，严重威胁井下工作人员的安全，是煤矿重大灾害之一[1]。针对冲击地压的发生机理，国内外学者开展了大量的基础理论研究[2-5]，并提出相应的监测和预警方法[6-8]。

目前，冲击地压前兆识别与防治预警技术仍然是采矿以及岩石力学等相关领域的热点问题之一[9-12]。我国是冲击地压事故频发的国家，随着我国煤炭生产重心向西部地区转移，陕西、新疆、内蒙古等省(区)矿区发生冲击地压的矿井数量也在不断增加。本文研究的巴彦高勒煤矿即位于鄂尔多斯市呼吉尔特矿区，目前主采的3-1煤层煤质坚硬，普氏系数f为2～3，且工作面存在坚硬厚顶板。经鉴定3-1煤层具有中等冲击倾向性，采用常规钻屑法监测煤岩体应力存在困难，因此有必要采用声电协同监测技术，系统地掌握回采工作面煤岩体超前支承应力的分布范围，以及声电监测信号随工作面推进的演化特征，进而达到对工作面前方煤岩体动力灾害危险程度判别预警的目的。

1 声电监测法预测冲击地压危险性原理

井下煤岩体未受采掘活动影响时，其内部各向应力均处于平衡状态。采掘工作开始后，掘进或者回采空间的形成打破了煤岩体的应力平衡状态，并且井下支护工作存在迟滞性，从而导致煤岩体内部的原岩应力重新分布并依次出现卸压区、应力集中区和原始应力区[13]。在此过程中，应力产生的非均匀变速形变导致煤岩体出现破裂及变形，在裂纹扩展的尖端积累的自由电荷以电磁波的形式向外不断释放，并伴随有大量声发射现象[14-16]。 这些信号对矿山压力、采动活动、采动裂隙演化等有明显的响应，应力越大，声发射和电磁辐射的信号就越强。声发射强度和电磁辐射幅值能够有效反映采掘工作面周围高应力区、动压区的位置及范围等。通过分析电磁辐射、声发射等信号的动态变化趋势可对煤岩动力灾害进行有效预警。图1分别表示采掘工作面前方不同深度煤体所受应力及声电信号强度之间的关系。

图1 煤岩体声电信号强度与所受应力和所处深度之间的关系Fig.1 Relationship between the strength of acoustic electromagnetic with stress and depth(资料来源：文献[17])

2 工程概况

2.1 工作面概况

本文中研究的311305工作面标高+613.2～+641.5 m，工作面倾向长为300 m，工作面走向长为2 460 m，煤层均厚为5.80 m，煤层普氏硬度系数f为2～3。工作面内构造简单，顶板管理采用全部垮落法，采用掩护式液压支架支撑工作面顶板，上下两顺槽均采用锚杆+锚索+网的支护方式。311305工作面内煤层顶底板情况见表1。

2.2 测点布置

为有效掌握311305工作面超前支承应力的分布范围和分布规律，采用YDD-16型声电监测仪对311305工作面的运输顺槽和回风顺槽各超前400 m区域布置声电监测测点，相邻监测点的间距设置为10 m。为尽可能减少井下电器设备磁场对监测结果的干扰，监测时间统一定在检修班。每一监测点的监测时间为2 min，连续监测时间为30 d，声电监测点布置示意图如图2所示。

表1 煤层顶底板情况Table 1 Characteristics of coal seam roof and floor

图2 声电监测点布置示意图Fig.2 Layout of the acoustic and electromagneticmonitoring points

3 回采过程中矿压显现声电信号时空演化规律

311盘区整体采用沿空留巷技术，根据评估311305工作面临空顺槽具有中等冲击危险性。2019年11月—12月，采用声电监测仪对311305工作面运输顺槽以及回风顺槽在回采过程中生产帮一侧煤岩体声电信号进行采集，并分析了工作面周期来压以及强矿压前兆与声电信号演变趋势之间的关系，声电信号监测图如图3所示。

1) 声发射和电磁辐射强度的整体变化趋势相似，即随着回采工作的进行，声发射强度以及电磁辐射幅值随着时间呈现周期性升高和降低变化趋势。结合现场的生产工序以及观测到的矿压显现情况可知，声电监测变化趋势的周期性变化规律与现场观测到周期来压现象较为吻合。

2) 由图3(a)和图3(c)可以看出，在工作面超前15～35 m区域，声发射强度以及电磁辐射强度其最大平均值约为145 mV和23 mV，曲线波动明显，出现多个波峰。说明该区域内煤岩体受超前支承压力的影响较大，在煤岩体内部出现破裂事件的频次明显高于其他区域。在工作面超前50～150 m区域内，声发射和电磁辐射最大平均值约为115 mV和18 mV，在该区域内声电监测信号仍存在部分峰值点，说明此区域煤岩体仍处于超前支承压力的影响范围内。在工作面超前150 m之后，各测点监测到的声电监测数据较低且波动趋于平缓，声发射和电磁辐射最大平均值约为50 mV和3 mV，说明此区域煤岩体处于原岩应力区，基本已经处于超前支承应力的影响范围之外。

图3 311305工作面回风顺槽和运输顺槽声电监测信号强度变化图Fig.3 Change of acoustic and electromagnetic signal strength in return air laneway andhaulage gate of 311305 work face

3) 由图3(b)和图3(d)可以看出，在12月11日，运输顺槽和回风顺槽内声发射、电磁辐射信号的监测值明显增大，其中运输顺槽的声电监测值增至423.9 mV，电磁辐射强度增至177.9 mV；回风顺槽的声电监测值分别增至425 mV和236.8 mV，且前几日内的声电监测数据呈现持续上升趋势。结合工作面推进情况，认为是由于工作面推进至“二次见方”区域，上区段采空区形成的残余支承压力与工作面超前支承压力叠加，形成了应力叠加场导致监测区域内煤体应力集中，煤体破坏程度以及破坏频次显著增加。因此判断311305工作面的上回风顺槽、运输顺槽在12月11日具有较强的冲击危险性，采取爆破卸压措施后，12月13号上下两顺槽的声电监测值又恢复到正常范围。

综合来看，运输顺槽和回风顺槽内观测到的声电信号时空演变规律均能较好地反映回采活动对顺槽内矿压分布的影响规律。在冲击地压发生前兆时期，声电监测信号强度出现明显异常增大现象。两者之间存在很好的同步性，因此声电协同监测技术在预测煤岩动力灾害方面具有很好的应用效果。

4 311305工作面声电监测阈值确定

由于煤岩性质以及赋存地质条件的差异，导致声电监测的阈值确定存在一定的模糊性[18-19]。因此，可以在模糊逻辑的基础上，通过建立相应数学模型对声电监测阈值进行预测。

根据数据模糊性的隶属原则，即设论域X为待识别对象的全体集合，X中有M个模糊集A1，A2，A3，…，AM，每个M模糊集内包含的元素均刻画了各个M模糊集的某种特性，且对每一个Ai，均有隶属函数μAi(X0)=max[μA1(X0),μA2(X0),…μAM(X0)],则认为X0隶属于Ai。

将311305回采工作面采集到的声发射和电磁辐射数据，按照从大到小的顺序依次绘制在直方图中，如图4所示。直方图的纵坐标为该组数据的统计频次，可以看出，监测周期内采集到的声发射数据较多分布在25～225 mV之间，电磁辐射数据较多分布在2.5～17.5 mV之间。根据隶属度的模糊统计原则，并结合声电监测仪防治冲击地压的现场实践，随着冲击危险性增大，隶属度指标应在[0，1]内变化，其值越接近1，冲击危险性越大，反之则危险性越低。因此根据模糊集理论，经计算305工作面声发射强度和电磁辐射强度隶属度见表2和表3。

图4 311305工作面声发射和电磁辐射强度分布直方图Fig.4 Class histogram of acoustic and electromagnetic strength in 311305 work face

图5为根据表2和表3得到的声电监测强度理论超限隶属函数曲线。声发射以及电磁辐射强度与隶属度之间的关系见式(1)和式(2)。

y=0.368 7ln(x)-1.183 9

(1)

y=0.336 7ln(x)-0.492 2

(2)

根据现场经验，当隶属度μA(x0)处于0.7～0.9时预测冲击危险较为可靠，故分别取隶属度μA(u)=0.7、0.8、0.9作为冲击危险三级临界值。由此计算得出声发射强度临界值三级预警指标分别为163 mV、228 mV、287 mV。利用相同方法可求得电磁辐射强度的冲击危险三级临界值分别为28 mV、40 mV、73 mV。图6(a)和图6(b)分别表示311305工作面运输顺槽和回风顺槽的声电信号预警模型，可以看出，根据上述公式得到的阈值与现场监测数据波动具有很好的相关性，说明该模型适用于现场。

图5 311305工作面理论超限隶属函数曲线Fig.5 Membership function curve of 311305 work face

图6 311305运输顺槽和回风顺槽声电协同监测预警示意图Fig.6 Early-warning method of acoustic and electromagnetic coupling monitoring onhaulage gate and return air laneway of 311305 work face

表2 311305工作面声发射强度统计Table 2 Acoustic emission strength of 311305 work face

表3 311305工作面电磁辐射强度统计Table 3 Electromagnetic emission of 311305 work face

5 结 论

1) 通过现有监测数据可以看出，冲击地压声电协同监测技术可以很好地反映工作面前方超前支承压力的集中程度以及分布范围。通过现场监测可知311305工作面前方15～30 m处为超前支承压力增大区，此区域内声电监测信号强度大，波形起伏明显。工作面超前100～200 m区域，超前支承应力逐渐变小，此区域声电监测信号强度逐渐减小，但仍有数个波峰存在这个区域。工作面超前260 m之后基本已经处于原岩应力区，声电监测信号强度低，波形起伏平缓。声电监测结果与现场矿压监测数据吻合度较好。

2) 依据模糊模式识别数学模型计算分别确定了311305工作面的声发射预测冲击危险的三级预警指标临界值分别为163 mV、228 mV、287 mV；电磁辐射预测冲击危险的三级预警指标临界值分别为28 mV、40 mV、73 mV。

3) 结合以上分析结果可知，声电监测技术以自身非接触、操作简便、预测前兆明显的优势在冲击地压监测中据有重要应用，运用趋势预测法可以直观、高效的对煤岩体动力灾害做出预测，为煤矿安全生产打下坚实的基础。