掘进工作面煤与瓦斯突出智慧预警技术研究

摘" 要：煤与瓦斯突出灾害严重威胁着煤矿安全生产。煤与瓦斯突出监测预警是突出有效治理的前提和基础，准确、有效的煤与瓦斯突出监测预警，一方面可以提高煤与瓦斯突出预警的准确率，防止漏报;另一方面，可以提高防突措施实施的目的性和针对性，降低额外的防突工作量，增加掘进效率和稳定性。通过以声发射强度、电磁辐射强度、瓦斯浓度等指标进行预警的方法，分析石屏一矿13019上机巷掘进工作面前兆特征，并阐明声发射强度、电磁辐射强度、瓦斯浓度各预警相关参数的变化规律。通过现场应用及分析，实现煤与瓦斯突出的综合实时监测预警，有利于提高煤矿安全保障水平，提高煤矿采掘效率，保障煤矿的安全生产。

关键词：煤与瓦斯突出;监测预警;声发射强度;电磁辐射强度;瓦斯浓度

中图分类号：TD713" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：2095-2945（2024）26-0066-06

Abstract： Coal and gas outburst disaster is a serious threat to coal mine safety production. Coal and gas outburst monitoring and early warning is the premise and basis of effective control of coal and gas outburst. Accurate and effective coal and gas outburst monitoring and early warning can， on the one hand， improve the accuracy of coal and gas outburst early warning and prevent missing reports; on the other hand， it can improve the purpose and pertinence of outburst prevention measures， reduce additional outburst prevention workload， and increase tunneling efficiency and stability. Through the method of early warning based on the indexes of acoustic emission intensity， electromagnetic radiation intensity and gas concentration， the precursory characteristics of 13019 upper machine roadway driving in Shiping No. 1 Coal Mine are analyzed. It also expounds the change law of the early warning related parameters of acoustic emission intensity， electromagnetic radiation intensity and gas concentration. Through field application and analysis， the comprehensive real-time monitoring and early warning of coal and gas outburst is realized， which is helpful to improve the safety level of coal mine， improve the mining efficiency and ensure the safety of coal mine production.

Keywords： coal and gas outburst; monitoring and early warning; acoustic emission intensity; electromagnetic radiation intensity; gas concentration

随着我国浅部矿产资源的逐年减少，煤矿开采深度逐年加大[1-2]。开采深度和开采强度的增大导致地应力、地温和瓦斯压力不断增加，在采掘过程中将伴随着复杂的煤与瓦斯突出灾害，威胁着深部矿井的安全生产[3-6]。近年来，声发射、电磁辐射等先进的地球物理学方法开始应用于煤与瓦斯突出监测预警，基于声发射、电磁辐射和瓦斯等多源信息的综合监测预警已经成为煤与瓦斯突出监测研究的趋势和方向[7-17]。笔者通过分析石屏一矿煤巷掘进工作面掘进过程中声发射强度、电磁辐射强度、瓦斯浓度（简称“声电瓦斯”;声发射强度、电磁辐射强度，简称“声电强度”）动态变化规律，探究了突出发生前兆规律并进行了现场应用。

1" 工作面概况

石屏一矿位于四川省泸州市古蔺县城东，矿井安全生产受煤与瓦斯突出灾害严重威胁，属于煤与瓦斯突出矿井。试验场地选址为该矿13019上机巷掘进工作面，掘进方式为炮掘，该工作面煤层倾角12～24°，平均15°，煤层厚度0.8～1.8 m，平均1.5 m。煤层原始瓦斯含量最大为13.8 m3/t，原始瓦斯压力最大为1.45 MPa，煤层具有突出危险性。

2" 工作面仪器布置

在工作面安装由中国矿业大学研发的声电瓦斯监测系统，将声电瓦斯监测系统的煤岩动力灾害声电数据采集监测仪放置于13019上机巷回风联络巷距离迎头10 m位置，通过四芯屏蔽专用电缆将该监测仪与声电瓦斯专用本安型监测分站相连接。声发射传感器放置于13019上机巷回风联络距离迎头10～20 m范围内，电磁辐射传感器与声发射传感器距离1～3 m左右，瓦斯传感器布置在13019上机巷回风联络迎头处。声发射、电磁辐射、瓦斯传感器装置布置如图1所示。

3" 声电瓦斯变化特征规律

3.1" 声电强度监测数据预处理

煤与瓦斯突出声电瓦斯监测预警系统的主要监测指标有以下3项：声发射强度、电磁辐射强度、瓦斯浓度。由于声发射传感器和电磁辐射传感器都是高灵敏度传感器，且采样频率高（25 kHz），分站上传数据间隔时间短（30 s），加上井下作业工序的影响，声电强度在短时间内可能会出现较大变化，对数据分析及临界值的设定均造成很大影响。针对此问题，采用5点平均滤噪算法，并对实时监测声电强度数据进行自动实时处理。图2（a）、图2（b）分别为滤波前后声发射强度、电磁辐射强度变化曲线对比。采用滤波算法后，声发射强度和电磁辐射强度局部波动变化明显减弱，整体趋势变化更加明显，更加有利于煤与瓦斯突出危险性声电强度监测参数前兆规律的研究。

3.2" 声电瓦斯监测数据变化特征

根据煤与瓦斯突出声电瓦斯监测预警系统掘进过程中的监测结果，分析打钻、耙矸机耙矸、放炮等作业工序对声发射强度和电磁辐射强度的影响：

对于声发射强度，掘进迎头无作业时环境噪声在100 mV左右。迎头打钻时，声波强度出现显著上升，最大值在450 mV左右，但经过滤波处理后，声发射强度与环境噪声基本相同;耙矸机出矸时，声发射强度显著上升且出现剧烈波动，波动最小值稍大于200 mV，波动最大值接近500 mV。放炮前移出煤岩动力灾害声电数据采集监测仪后，声发射强度显著降低，在10 mV左右。

对于电磁辐射强度，掘进迎头无作业时环境噪声在5 mV左右。耙矸机出矸对电磁辐射强度的影响并不明显。放炮后电磁辐射强度变化比较剧烈，最大强度达到360 mV左右，主要原因是放炮后由于大面积煤体破坏，大量瓦斯涌出，而电磁辐射强度与瓦斯涌出量成正相关，因此电磁辐射强度显著升高。图3为声电强度变化图。

4" 声电瓦斯与常规指标数据对比分析

4.1" 声电瓦斯不同时间尺度特征分析

对13019上机巷回风联巷5月24日—6月24日的声电瓦斯监测数据进行不同时间尺度的特征分析，如图4—图7所示。

1）不同时间尺度电磁辐射强度变化曲线（图4）。

2）不同时间尺度声发射强度变化曲线（图5）。

3）不同时间尺度瓦斯浓度变化曲线（图6）。

由图4—图7，分析了声电瓦斯指标在1、4、8、12、24 h等不同时间尺度下的变化规律。结果表明，随着时间的推移，声电瓦斯指标变化曲线变化更为平缓，对长期的宏观变化趋势反应更为明显，但对短时间趋势不明显。具体来说，8 h尺度是一个变化可能的分界点，8 h以前3种图线的变化局部起伏较大，8 h以后曲线逐渐平滑，局部的起伏变化不明显;24 h尺度曲线对声电信号的宏观变化趋势具有较好的表现度，细节上的变化不明显。

根据上述分析，同时考虑常规指标的测试时间间隔，确定声电强度指标与常规指标进行对比分析的最佳时间尺度为8 h。该时间尺度下既能体现声电信号的宏观变化规律，又不遗漏太多细节变化特征。

4.2" 声电瓦斯以及常规指标对比分析

5月24日—6月24日13 019上机巷回风联巷掘进过程监测的常规指标和以8 h时间尺度统计的声发射强度、电磁辐射强度和瓦斯浓度对比如图8所示。总体来看，钻屑量S值变化幅度不大，基本在1.8～2.1 kg/m之间;钻屑瓦斯解吸指标K1值存在一定趋势变化，变化范围为0.21～0.45 mL·（g·min0.5）-1之间;声发射强度、电磁辐射强度和瓦斯浓度统计时间尺度为8 h，因此相比于S值和K1值存在较大的变化，并与常规指标间存在一定对应关系。

5月29日之前，声发射强度呈连续上升趋势，与瓦斯浓度、钻屑量S值趋势变化较为一致;6月9日20：45发生一次瓦斯超限，发生瓦斯超限前，电磁辐射强度和声发射强度在6月9日也出现极大值。6月13日—6月16日瓦斯浓度保持较高水平，这一点与声发射强度和电磁辐射强度变化趋势较为一致。综上分析，除了常规指标以及瓦斯浓度等信息外，声发射强度和电磁辐射强度也可以很好地反映掘进工作面应力水平及瓦斯涌出情况，是煤与瓦斯突出危险性实时监测预警的敏感指标。

5" 结论

1）基于声发射和电磁辐射监测参数滤噪算法，降低了掘进工作面打钻、耙矸机耙矸、放炮等作业工序对声电监测参数的影响，使监测参数变化趋势更加明显，有利于研究突出危险性发生前兆规律。

2）对声电瓦斯监测指标在不同时间尺度下的变化规律进行分析。结果表明，随着时间尺度的增大，声电瓦斯曲线变化更为平缓，对长期的宏观变化趋势反映更为明显，对短时间趋势不太明显。考虑到常规指标的测定时间间隔，确定了声电指标与常规指标相比较分析的最佳时间尺度为8 h。

参考文献：

[1] 谢和平.深部岩体力学与开采理论研究进展[J].煤炭学报，2019，44（5）：1283-1305.

[2] 邹全乐，王鑫，李左媛，等.木质素磺酸钙对固井水泥石变形破坏特性的影响及其改性机制[J].煤炭学报，2023，48（4）：1606-1621.

[3] 张超林，王培仲，王恩元，等.我国煤与瓦斯突出机理70年发展历程与展望[J].煤田地质与勘探，2023，51（2）：59-94.

[4] 王恩元，张国锐，张超林，等.我国煤与瓦斯突出防治理论技术研究进展与展望[J].煤炭学报，2022，47（1）：297-322.

[5] 袁亮.深部采动响应与灾害防控研究进展[J].煤炭学报，2021，46（3）：716-725.

[6] 邹全乐，林柏泉，郑春山，等.基于响应面法的钻割一体化喷嘴稳健性优化[J].中国矿业大学学报，2013，42（6）：905-910.

[7] 唐巨鹏，任凌冉，潘一山，等.深部煤与瓦斯突出孕育全过程声发射前兆信号变化规律研究[J].实验力学，2021，36（6）：827-837.

[8] 王雨虹，刘璐璐，付华，等.基于声发射多参数时间序列的瓦斯突出预测[J].中国安全科学学报，2018，28（5）：129-134.

[9] 唐巨鹏，郝娜，潘一山，等.基于声发射能量分析的煤与瓦斯突出前兆特征试验研究[J].岩石力学与工程学报，2021，40（1）：31-42.

[10] 张永将，邹全乐，杨慧明，等.突出煤层群井上下联合抽采防突模式与关键技术[J].煤炭学报，2023，48（10）：3713-3730.

[11] 王恩元，李忠辉，何学秋，等.煤与瓦斯突出电磁辐射预警技术及应用[J].煤炭科学技术，2014，42（6）：53-57+91.

[12] 李博，李忠辉，杨明，等.电磁辐射技术在演马庄矿防突中的应用[J].煤炭科学技术，2009，37（3）：30-33.

[13] 徐雪战，孟祥瑞，邹云龙.基于瓦斯浓度变化的煤与瓦斯突出预警技术[J].工矿自动化，2016，42（9）：17-21.

[14] 姜福兴，尹永明，朱权洁，等.基于掘进面应力和瓦斯浓度动态变化的煤与瓦斯突出预警试验研究[J].岩石力学与工程学报，2014，33（S2）：3581-3588.

[15] 秦汝祥，张国枢，杨应迪.瓦斯涌出异常预报煤与瓦斯突出[J].煤炭学报，2006（5）：599-602.

[16] 李小明，姜骞，袁强，等.工作面煤与瓦斯突出综合指标预警系统研究及应用[J].煤炭工程，2021，53（9）：107-111.

[17] 张仕和.突出矿井声-电-瓦斯系统监测参量变化及相关性研究[J].煤炭科学技术，2018，46（3）：119-123，175.

第一作者简介：王明（1986-），男，采矿工程师，宏达煤矿总工程师。研究方向为煤矿瓦斯、防火、水害等防治技术与管理等。