基于人工声学信号的岩体状态和动力现象监测系统САКСМ 应用

张建国，魏风清，Шилов Владимир Иванович

（1.河南理工大学，河南 焦作 454000；2.中国平煤神马能源化工集团有限责任公司，河南 平顶山 467000；3.矿业自动化系统开发、制造和应用跨学科科学技术实验室（МНТЛ РИВАС），莫斯科 111625）

随着现代煤炭市场竞争的日趋激烈，对煤矿高产高效开采提出了更高要求，矿井集约化开采强度进一步加大，煤层开采深度快速增加，导致煤层瓦斯压力、瓦斯含量、地应力显著增大，煤层开采的矿山地质条件愈加复杂化，引起矿井动力现象危险性升高、动力现象类型多样化交织。采用传统的接触式非连续的钻孔指标预测方法[1]，已不能满足现代煤矿高产高效和安全生产的需要，采用以应力应变状态监测为基础的、以地震声学方法和人工声学方法为主导的非接触连续式地球物理方法是现代矿井动力现象危险性预测的必然趋势和结果[2]。

М С Анциферов 等于20 世纪50 年代开始研究煤层突出危险性预测的地震声学方法，针对顿涅茨克矿区的情况，首次开发了根据声发射脉冲数量及其增幅评价煤层应力应变状态的突出危险性预测方法[3]。多年的现场应用表明，煤体声发射活性强度与工作面附近空间的应力应变状态不存在单值对应关系，造成地震声学预测方法的可靠性低[4]。针对地震声学方法的缺点和不足，С В Мирер 等于20 世纪80 年代开始研究试验基于矿山设备运行时在地层中激发的人工声学信号的振幅-频率特征分析的突出危险性预测方法[5]，并研制了配套的АК-1 型仪器。利用已查明的人工声学信号的频谱参数关系，Г И Колчин 等解决了矿山生产的一系列问题，其中包括瓦斯动力现象预测[6]、防突措施效果监测[7]、移动工作面前方地质破坏预测[8]，研制的方法在矿山动力现象预测中得到成功应用。人工声学信号预测动力现象的主要理论基础是И В Бобров 发现的煤与瓦斯突出之前一定发生顶板变形延迟[9]和А Г Гликман发现的顶板岩层中被弱化接触面分离的分层厚度和人工声学信号之间的函数关系[10]。经过多年的研究试验，人工声学方法成为俄罗斯采掘工作面突出危险性和冲击危险性预测的标准方法[11-14]。

由上述可以看出，人工声学预测方法在俄罗斯已经过多年的研究试验，证明人工声学预测方法应用于矿山动力现象危险性预测是可靠的，但由于其信号处理、分析算法的不完善以及信号滤波选择的复杂性，限制了人工声学预测方法的推广应用。为了实现人工声学预测方法的自动化智能化，俄罗斯МНТЛ РИВАС 公司于2015 年开发了岩体状态声学监测和动力现象预测系统САКСМ，并在库兹巴斯矿区的С М Киров 煤矿通过了验收试验，俄罗斯技术监督局建议推广应用САКСМ 系统[15]。为此，基于人工声学信号预测动力现象危险性的机理，根据САКСМ 系统的试验应用数据，分析了顶板岩层变形动态、煤柱影响带、地质构造、回风流瓦斯体积分数与人工声学信号频谱特征的关系，以期能对中国矿山动力现象危险性预测、顶板变形动态监测、解危措施效果检验等提供新的方向和技术手段。

1 人工声学信号预测动力现象的机理

1.1 顶板变形延迟是动力现象的能量来源

随着矿井采掘作业深度的增加和矿山地质条件复杂程度升高，围岩的应力应变状态在动力现象危险带的形成中起着越来越重要的作用。在煤与瓦斯突出之前一定发生顶板岩层变形的延迟，顶板变形延迟导致顶板岩层悬顶、地层应力状态升高和潜在能量的积聚，这是发生煤与瓦斯突出、冲击地压等动力现象的原因[16]。当工作面附近顶板岩层发生变形延迟时，支承压力最大值逐渐靠近工作面煤壁，应力集中系数逐渐升高，工作面附近潜在能量逐渐积聚，为动力现象的发生提供能量来源。

动力现象危险情况是由于煤层围岩变形发展的特征造成的，煤层围岩变形延迟是动力现象危险带形成的必要因素。通过对工作面附近顶板岩层变形动态的监测，就可以评价工作面附近围岩的应力应变状态，预测工作面动力现象危险性。

1.2 顶板岩层共振频率特征与顶板变形动态的关系

由于巷道掘进或者采面回采的影响，工作面附近围岩的原始稳定平衡状态受到破坏，顶板岩层中发生离层变形，则顶板岩层可以视为由一系列弱化接触面分离的岩石分层的叠加。

人工声学信号在顶板岩层中的传播特性已得到充分研究。选择在顶板岩层中激发的人工声学信号作为研究工具，是基于其出色性能：人工声学信号总体上是由被弱化接触面分离的每个岩层分层中产生的固有（共振）弹性振动的叠加组成的，可以用其频谱中存在的一系列共振频率来表示，共振频率的振幅取决于岩层分层之间接触面的弱化程度[17]。共振频率振幅越大，接触面弱化程度越高，共振频率振幅越小，接触面弱化程度越低。工作面顶板岩层中产生的弹性共振如图1。

图1 工作面顶板岩层中产生的弹性共振Fig.1 Elastic resonance in roof strata of working face

在采掘工作面，当采掘设备对煤体进行作用时，在顶板岩层的每个被弱化接触面分离的分层中，会产生一定频率的弹性横向共振振动，如图1。在顶板岩层中，人工声学信号的共振频率与分层厚度之间存在函数关系[18]：

式中：fp为弹性共振频率，Hz；V 为横波的相速度，其大小由经验确定，对于大多数陆源岩层来说V等于2 500 m/s；h 为顶板岩层中弱化接触面至煤层的距离，m。

由式（1）可见，根据共振频率的大小，就可以确定软化接触面至煤层的距离，共振频率越大，软化接触面离煤层越近，共振频率越小，软化接触面离煤层越远。因此，根据人工声学信号的共振频率、振幅及其动态，可以评价顶板岩层中软化接触面的发育位置及其弱化程度，判断顶板岩层离层情况以及岩层分层间变形发育特征，作出工作面附近应力应变状态变化及动力现象危险性的结论。

2 人工声学信号的频谱参数

САКСМ 系统将矿山设备作用引起的岩体振动（人工声学信号）转换为音频电信号，根据其频谱分析结果，构建基于人工声学信号频率和振幅的预测参数。

人工声学信号的频谱参数主要有：①人工声学信号频谱的低频分量AH，相对单位；②人工声学信号频谱的高频分量AB，相对单位；③振幅等于最大振幅0.5 倍的人工声学信号频率的下边频，Hz；④振幅等于最大振幅0.75 倍的人工声学信号频率的下边频fH′，Hz；⑤人工声学信号频谱的最大频率F，Hz；⑥人工声学信号的能量E，相对单位。

预测参数主要有：①相对应力系数KO.H，KO.H=AB/AH，用来预测冲击危险性和突出危险性，其临界值为3；②煤的突然压出预测系数Kg，其临界值为0.5；③底板动力破坏预测系数Km，其临界值为0.7；④地质破坏预测系数Pg，其临界值为7；⑤卸压钻孔有效性评价系数PE，对于小于20 m 的钻孔其临界值为3，对于大于20 m 的钻孔其临界值为3.5。

具有动力现象危险性的人工声学信号频谱图如图2，无动力现象危险性的人工声学信号频谱图如图3。

图2 具有动力现象危险性的人工声学信号频谱图Fig.2 Spectrum of artificial acoustic signal with danger of dynamic phenomenon

图3 无动力现象危险性的人工声学信号频谱图Fig.3 Spectrum of artificial acoustic signal without danger of dynamic phenomenon

当工作面进入动力现象危险带时，主要是距离煤层10 m 以上的顶板岩层发生变形延迟，根据式（1）计算，对应的频率大约为240 Hz。以频率240 Hz为界，将人工声学信号的频谱划分为高频分量和低频分量。变形延迟在声学信号频谱上的反映是低频分量振幅的减小和高频分量振幅的增大。

3 САКСМ 系统组成与功能

3.1 САКСМ 系统组成

САКСМ 系统是一套程序-设备综合体，主要由本安型数字地震检波器ГИЦ、本安型网络延长器-交换机КУСИ 以及安装有程序АКМП-РИВАС 的计算机组成。САКСМ 系统组成示意图如图4。

图4 САКСМ 系统组成示意图Fig.4 Schematic diagram of САКСМ system composition

本安型数字地震检波器ГИЦ 提供人工声学信号的接收、模拟信号到数字信号的转换、数字信号的放大以及通过矿山Wi-Fi 网络传输至地面。地震检波器ГИЦ 的主要参数如下：①传输频带：20～5000 Hz；②接收信号的动态范围：≥90 dB；③消耗电流：≥130 mA；④电源电压：8～16 V；⑤传输频带中振幅-频率特性的不均匀性：≤50%。

本安型网络延长器-交换机КУСИ 接收来自于本安型数字地震检波器ГИЦ 的数字信号，并传输至井下分站，通过矿井工业环网传输至地面计算机中。

程序АКМП-РИВАС 完成人工声学信号的处理、分析，并发出岩体状态和动力现象危险性监测预测信息，数据传输至安全监测信息中心。

3.2 САКСМ 系统功能

САКСМ 系统程序АКМП-РИВАС 由2 个主要的程序模块组成：Server（服务器）和Client（客户端）。

服务器程序的主要功能为：①检查人工声学信号的质量；②处理人工声学信号；③数据分析和数据存储；④来自工作面人工声学信号的存储。

客户端程序的主要功能为：①设置人工声学信号的处理控制参数；②人工声学信号的可视化并报告岩体的当前状态；③以各种形式显示数据处理分析结果；④工作面人工声学信号记录的回溯分析。

САКСМ 系统在自动模式下能够完成：①动力现象危险性预测：冲击地压，煤与瓦斯突出，煤的突然压出，巷道底板岩层的动力破坏；②工作面状态监测：工作面前方地质破坏，工作面应力应变状态，顶板下沉过程；③动力现象防治措施效果评价：卸压钻孔。

3.3 地震检波器安装方式

地震检波器安装方式如图5。

图5 地震检波器安装方式Fig.5 Installation method of geophone

地震检波器的安装方式如下：①在掘进工作面安装1 个地震检波器，与岩体接触良好，距离工作面20～50 m；②在回采工作面，距离采面与机巷、风巷交叉点40 m 内各安装1 个地震检波器，固定在工作面机械化支架的元件上。

4 现场试验应用

4.1 试验矿井概况

试验是在西伯利亚煤炭能源库兹巴斯公司的С М Киров 矿井Поленовский 和Болдыревский 煤层的准备工作面和回采工作面进行的。

Болдыревский 煤层厚度2.05～2.9 m，原始瓦斯含量22～25 m3/t。直接顶板主要是粉砂岩、砂岩和泥岩；基本顶为厚度20 m、强度70 MPa 的砂岩；煤层底板为粉砂岩。采掘作业深度达到560 m，煤层为冲击地压威胁煤层。

Поленовский 煤层位于Болдыревский 煤层下部45～48 m，Поленовский 煤层是Болдыревский 煤层的保护层。煤层厚度1.72～1.8 m，原始瓦斯含量20～21 m3/t。直接顶板为泥岩和厚度1.5～8 m、强度30～40 MPa 的粉砂岩；基本顶为强度80～100 MPa、厚度6～26 m 的砂岩；煤层直接底板由强度30～40 MPa 的泥岩组成。采掘作业深度520 m，煤层为冲击地压威胁煤层。

使用САКСМ 系统总计在非危险带中完成了2 142 个观测循环，在地质破坏带中完成了63 个观测循环，在矿山压力升高带中完成了107 个观测循环。

4.2 回采工作面顶板岩层变形动态

Болдыревский 煤层2458 回采工作面顶板岩层下沉和垮落不同阶段的人工声学信号1/3 倍频谱如图6。2458 回采工作面顶板岩层人工声学信号的共振频率和弱化接触面位置见表1。

图6 2458 回采工作面人工声学信号的1/3 倍频谱Fig.6 One-third of the frequency spectrum of the artificial acoustic signal of 2458 working face

表1 2458 回采工作面顶板岩层人工声学信号的共振频率和弱化接触面位置Table 1 Resonance frequency and softened contact surface position of roof strata of 2458 working face

由图6 和表1 可知：

1）在顶板下沉带之外和临近顶板垮落之前，弱化接触面的发育位置基本一致，处于煤层顶板上方7.4～42 m 之间，最强弱化接触面位于煤层顶板上方15.6 m 处。

2）顶板开始垮落时，弱化接触面的发育位置向煤层方向靠近，处于煤层顶板上方4.5～15.6 m 之间，最强弱化接触面的位置保持不变，位于煤层顶板上方15.6 m 处，煤层顶板上方42 m 处的弱化接触面被压实，共振频率的振幅减小。

3）顶板垮落完成之后，靠近煤层顶板上方4.5～15.6 m 之间的弱化接触面消失，而在煤层顶板上方42 m 处发育出最强弱化接触面，表明顶板垮落卸压影响范围可达煤层顶板上方42 m 处。

4.3 矿山压力升高带预测

2503 瓦斯排放巷穿过煤柱影响带时的相对应力系数Kо.н分布如图7[19]。

图7 2503 瓦斯排放巷穿过煤柱影响带时相对应力系数Kо.н 的分布Fig.7 Distribution of relative stress coefficient Kо.н when 2503 gas drainage roadway passes through coal pillar influence zone

2503 瓦斯排放巷布置在Поленовский 煤层中，Болдыревский 煤层的煤柱在Поленовский 煤层中形成了矿山压力升高带。在煤柱影响带中，相对应力系数Kо.н的最大值达到背景值的2 倍以上，这可以确保САКСМ 系统分辨出矿山压力升高带。

4.4 地质破坏预测

2594 运输巷中地质破坏预测系数Pg的变化如图8[19]。

图8 2594 运输巷中地质破坏预测系数Pg 的分布Fig.8 Distribution of geological failure prediction coefficient Pg in 2594 transportation roadway

2594 运输巷布置在Поленовский 煤层中，存在1 个落差为2 m 的断裂破坏，断裂面向着工作面推进方向倾斜。由图8 可知，地质破坏预测系数Pg可以提前7 m 预测地质破坏的存在。

4.5 瓦斯涌出与相对应力系数的关系

2459 回采工作面回风流瓦斯体积分数C 与相对应力系数Kо.н的关系如图9[20]。

图9 2459 回采工作面回风流瓦斯体积分数C与相对应力系数Kо.н 的关系Fig.9 Relationship between gas concentration C and relative stress coefficient Kо.н in return air flow of 2459 working face

由图9 可知，2459 回采工作面回风流瓦斯体积分数C 与相对应力系数Kо.н成线性反比关系，随着相对应力系数Kо.н的增大，回风流瓦斯体积分数C减小，工作面附近岩体的应力状态对瓦斯涌出起着控制作用。相对应力系数Kо.н的减小表明距离煤层相当远处的弱化接触面的发育，支承压力峰值向工作面前方煤体深部移动，工作面附近岩体相对卸压，有利于瓦斯的释放，瓦斯体积分数C 升高；相对应力系数Kо.н的增大表明距离煤层较近处的弱化接触面的发育，支承压力峰值靠近工作面煤壁，工作面附近煤体被挤压，不利于瓦斯的释放，瓦斯体积分数C降低。

5 结 语

1）动力现象危险带的形成是工作面附近顶板岩层变形延迟的结果。变形延迟引起顶板岩层悬顶、岩体应力状态升高和潜在能量的积聚，这是发生煤与瓦斯突出、冲击地压等动力现象的原因。

2）人工声学信号是顶板岩层中被弱化接触面分离的每个岩层分层中产生的弹性共振振动的叠加。根据其频谱特性可以分析顶板岩层中弱化接触面的发育位置及其弱化程度，判定顶板岩层的变形动态及其相对应力状态，监测工作面附近岩体状态，预测动力现象危险性。

3）САКСМ 系统的监测预测机理科学、数据处理技术先进、预测结果可靠性高，是一种连续化、自动化工作面附近岩体状态监测和动力现象预测系统，符合现代煤矿安全生产监测预测连续化、自动化、定量化、科学化的需求，在冲击地压和煤与瓦斯突出矿井中具有广泛的应用前景。