李建功

(1.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039；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)

随着我国矿井逐渐向深部延伸，深部开采条件下煤与瓦斯突出、冲击地压等煤岩动力灾害发生机理愈加复杂，瓦斯、地应力及煤体结构等对动力灾害的作用以及各因素之间的耦合关系也更加复杂，尤其是以地应力为主导的煤岩瓦斯动力灾害的发生频率和灾害程度将急剧增加[1-7]。目前普遍采用的反映瓦斯解吸特征的K1值、Δh2和钻屑量S等接触式预测指标在矿井深部开采条件下的敏感性出现了较大变化，预测准确性相对降低，出现了低指标下发生动力灾害的情况；加之这些预测方法是点监测，占用作业时间，受人为因素影响较大，不能实现实时连续性监测[8-9]。因此，急需寻求一种可以对深部开采条件下煤岩瓦斯动力灾害进行实时动态、智能化准确预测的非接触式连续预测技术。煤岩动力灾害声发射预测技术[5-16]是一种具有广泛应用前景的非接触式连续预测技术，可实现对动力灾害的实时连续监测预警，无需人工现场测试，尤其适用于以地应力为主导的煤岩瓦斯动力灾害的监测预警。

平煤矿区开采深度已达800～1 100 m，应力主导型煤岩瓦斯动力灾害越发显现，常规的接触式预测指标对深部开采条件下此类灾害的敏感性变弱，灾害预测准确性降低，缺乏更为有效的灾害预测手段。在此背景下，鉴于平煤矿区深部开采地应力主导型煤岩瓦斯动力灾害的特点，以平煤十矿己15-24080采面为研究地点，采用声发射监测预警技术对工作面应力演化作用下煤岩体释放的前兆信息进行连续监测，研究建立适用于深部矿井应力主导型煤岩瓦斯动力灾害的声发射监测预警方法，实现对矿井工作面应力主导型动力灾害的连续监测预警，为矿井安全生产提供可靠保障。

1 试验地点概况

平煤股份十矿是煤与瓦斯突出矿井，是河南省矿井绝对瓦斯涌出量最大的矿井，主采的丁组、戊组、己组三组煤均为突出煤层，迄今为止共发生有记录的煤与瓦斯突出50次。所发生的煤与瓦斯突出大多发生在地质构造破坏带、断层和突出条带内，突出点多表现为地应力异常且未得到充分的释放，煤层埋藏深、煤层瓦斯压力大，煤层赋存异常以及瓦斯赋存不均衡等现象。目前十矿己组、戊组三水平埋深900 m左右，随着采掘深度的不断加大，地应力不断增加，以地应力为主导的煤岩瓦斯动力现象日趋显现。

平煤股份十矿己15-24080回采工作面(图1)位于十矿己四采区，地面标高+150～+270 m，工作面标高-460.8～-629.5 m，埋深631～900 m，有效走向长1 579 m，倾斜长205.3～219.8 m，平均215 m，主采己15煤层，外段己15与己16合层，煤层厚度1.6～2.6 m，平均2.2 m，煤层倾角10～37 °，平均24 °。己15煤层直接顶为4.6～14 m的砂质泥岩含薄层状碳质泥岩，上为大于18 m的细至中粒砂岩，直接底为0～7.5 m的泥岩，东薄西厚，其下为1.2～1.6 m的己16煤层；己16煤层直接底为1.1～1.5 m的泥岩，其下为2.2～2.9 m的己17煤层，再下为大于20 m的砂质泥岩及灰岩。己15煤为块状硬煤及粉状软煤，软煤的坚固性系数0.2～0.6，煤的破坏类型Ⅱ、Ⅲ，瓦斯放散初速度6.84～7.53 L/min，采面里段己15煤层原始瓦斯压力2.23 MPa，瓦斯12.37 m3/t，外段己15-16合层区，煤层原始瓦斯压力2.4 MPa，瓦斯含量19.83 m3/t。工作面构造复杂，无线电波坑透法勘探有21处异常区域，机、风巷掘进期间揭露的落差大于1.0 m的断层共有8条。工作面采用走向长壁后退式综合机械化采煤方法，全部垮落法管理顶板。

图1 己15-24080回采工作面工程平面图

该工作面具有采深大、瓦斯大、应力高、地质构造复杂等特点，且工作面机、风巷掘进和回采期间，在钻孔瓦斯涌出初速度q、钻屑量S等常规突出危险性预测指标未超标情况下(q值处于2.5 L/min左右，S值处于3.8 kg/m左右)仍发生响煤炮、喷孔、卡钻、瓦斯涌出异常、片帮等现象，反映出这些常规指标对动力现象的反应不够敏感，已经不能及时、准确可靠地反映工作面前方存在的突出危险。

2 声发射监测预警工艺

2.1 声发射监测预警原理

煤岩瓦斯动力灾害的发生都有一个从量变到质变的过程，即煤(岩)从微小破裂到破坏的过程。在该过程中，煤岩变形、破裂、破坏时应变能的释放会以应力波的形式在煤岩体中传播，即煤岩体声发射现象。通过在采掘工作面安装声发射监测系统，实时采集、分析煤岩体内的声发射信号特征参数指标变化特征、规律、趋势和灾害前兆信息，实现煤岩动力灾害的连续监测预警。

2.2 声发射实时监测预警系统构建

采用中煤科工集团重庆研究院有限公司自主研发的YSFS(A)型矿井动力灾害声发射实时监测系统(图2)在己15-24080采面构建声发射监测系统，整个系统形成一个地面与井下相交互的多通道并行的实时监控网络，由井下声发射监测主机对声发射传感器采集的海量声发射信号进行原位处理，处理结果经安全监控网络传输至地面上位机，实现对工作面煤岩动力灾害的实时监测、超前预警，有效克服传统预测方法“短兵相接”、点预测、工程量大和人为因素多等缺点。

图2 YSFS(A)声发射监测系统搭建示意图

利用声发射监测系统连续跟踪监测己15-24080采面回采，实时捕捉工作面回采过程中出现的煤岩瓦斯动力灾害的声发射前兆信息，分析声发射信号特征参数指标变化，对工作面动力灾害进行实时判识预警。

2.3 声发射传感器安装工艺

声发射传感器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噪音的阻隔效果[6]。中煤科工集团重庆研究院有限公司在多年的现场应用研究中，形成了波导器安装方式和孔底安装方式2类声发射传感器的安装方式。波导器安装方式安装便捷，能回收利用，适合在外界作业噪声干扰少的空间环境下使用。孔底安装方式需要施工一定深度的钻孔，将声发射传感器安装在煤岩体内部，孔口进行隔噪处理，能够很大程度上隔绝外界干扰噪声，并根据现场安装钻孔角度的不同，形成了水泥注浆固定安装方法和叉式固定安装方法，如图3所示。

图3 声发射传感器孔底安装方式

根据己15-24080采面的煤层赋存情况，分别在机巷采用上向孔叉式固定孔底安装方法，在风巷采用下向孔水泥注浆孔底安装方法，距离工作面前方50 m位置处各超前预埋1个声发射传感器，声发射传感器随着采面的推进按30 m一个监测循环同步超前安装。

2.4 声发射特征参数指标选取

声发射信号是一种脉冲式波形信号，其特征参数指标较多，如振铃计数、事件数、能量、振幅、信号持续时间等。通过对己15-24080采面作业过程中声发射信号特征参数变化规律综合分析[8,12]确定了振铃计数与能量两个敏感指标预测该工作面煤岩瓦斯动力灾害。通过振铃计数的变化可以看出工作面煤岩体的活动性情况，通过能量指标的变化可以看出煤岩体活动过程中的能量释放情况。因此现场监测中，采用声发射振铃计数和能量两个指标相结合的方法对该工作面的煤岩瓦斯动力灾害进行监测预警。

3 煤岩瓦斯动力灾害声发射前兆模式及判识预警方法

声发射是煤岩变形和破裂过程中产生的应力波现象，煤岩变形和破裂的进程与应力大小、煤岩强度等有着密切关系。通过对声发射信号变化规律的分析，不仅可以掌握工作面应力活动情况，而且可以进一步提取动力灾害发生的前兆模式，建立煤岩动力灾害声发射判识方法，进而超前预测动力灾害的发生。

3.1 煤岩瓦斯动力灾害声发射前兆模式

3.1.1 煤样受载破坏声发射前兆模式

不同煤岩材料，其组成、结构不同，在外界作用下发生破坏失稳过程中声发射的演化特征也不同。在实验室开展了煤样单轴压缩破坏过程的声发射演化特征研究[6,17-18]。煤样取自平煤十矿己15-24080工作面，按照国际岩石力学学会试样制作标准，沿垂直层理方向加工成φ50 mm×100 mm圆柱体试样，试样两端不平行度小于0.05 mm。采用TAW2000微机控制岩石三轴试验机进行单轴压缩，加载速率为0.005 mm/min，同步进行声发射监测。煤样破坏过程的声发射特征参数演化曲线和应力演化曲线如图4和图5所示。

图4 平煤十矿己15煤层1#煤试样单轴压缩声发射指标演化曲线

图5 平煤十矿己15煤层2#煤试样单轴压缩声发射指标演化曲线

通过图4和图5可以看出，随着应力的增加，声发射活动性逐步增加，声发射特征参数不断增加，在应力峰值附近达到最大；之后声发射活动性逐步减弱，声发射特征参数也逐渐降低，直至煤样发生破坏。

因此，平煤十矿己15煤层的煤样破坏过程中声发射整体表现为“上升-峰值-下降”的演化特征。煤岩破坏过程中声发射特征参数不断增加，煤样破坏发生在声发射特征参数变化曲线的下降段，也就是说煤样发生破坏前的声发射前兆模式可以表述为指标“先上升后下降”的模式。

3.1.2 工作面煤岩瓦斯动力灾害声发射前兆模式

对己15-24080工作面发生的两次应力主导型煤岩挤出动力灾害进行分析。两次灾害发生区域埋深约700 m，均位于矿山CT应力分布中的高应力水平区域，且循环内区域验证时钻孔瓦斯涌出初速度q和钻屑量S均未超标，瓦斯涌出比较平稳，无明显异常。灾害发生后，工作面均出现了不同程度的煤岩挤动外移、劈裂、片帮、底鼓(见图6)，并伴随瓦斯涌出超限现象。

图6 灾害发生区域的部分现场图片

两次灾害发生前后的声发射特征参数指标变化曲线如图7所示。由图可以看出，两次动力灾害发生前均存在明显的声发射前兆特征。灾害发生前，两个声发射特征参数指标均出现较大幅度的波动，数值均显著高于正常情况下指标所处水平，整体上均呈逐渐升高的趋势，且动力灾害均发生在声发射指标整体演化曲线的下降阶段。声发射前兆模式同样可以表述为指标“先上升后下降”的前兆模式，这也与3.1.1节所述实验室煤样加载试验所反映出的声发射前兆模式一致。

图7 己15-24080回采工作面灾害发生前后声发射特征参数变化曲线图

3.2 动力灾害声发射判识预警方法

通过大量试验数据的统计分析发现，当声发射振铃计数大于50个或能量指标大于5×103mV2时，工作面有煤岩挤动外移、劈裂、底鼓等动力现象发生。鉴于动力现象发生前均存在明显的指标上升趋势的前兆特征，应采用“静态临界值与动态趋势预警”相结合的方式进行动力灾害声发射判识预警，即当声发射振铃计数或能量指标超过给定临界值时，要结合指标动态变化趋势进行灾害的综合判识预警。

对图7中的声发射特征参数指标进一步分析发现，在声发射指标变化曲线的上升段，当声发射振铃计数大于50个或能量指标大于5×103mV2时，出现了3个不同峰值阶段，且相邻峰值间的增长幅度均超过50%。因此，根据以上表述的煤岩瓦斯动力灾害声发射预警方法及前兆模式，并结合现场监测的声发射指标大小及工作面实际发生的动力现象，综合分析给出平煤十矿己15-24080工作面煤岩瓦斯动力灾害声发射判识预警准则，如表1所示。

表1 己15-24080回采工作面煤岩瓦斯动力灾害声发射判识预警准则

4 应用效果

声发射监测系统在己15-24080工作面构建运行后，工作面常规预测指标q(最大1.7 L/min)、S(最大3.5 kg/m)均未出现超标现象，在应用初期超前监测预警了多次应力主导的煤岩挤出伴随瓦斯大幅超限灾害。声发射监测系统发出的超前预警信号为工作面应力主导型煤岩瓦斯动力灾害防治措施的超前安排提供了有力的依据[6,8,19]，有效弥补了矿井工作面灾害预测手段的不足。之后，矿方将声发射监测指标确定为评判工作面是否具有煤与瓦斯突出危险性的主要指标，当声发射监测系统发出灾害预警信息后，己15-24080工作面通过及时采取深孔爆破、超前排放、注水等解危措施，及时消除了工作面的突出灾害隐患，工作面没有再发生煤与瓦斯突出等煤岩瓦斯动力灾害，产量也逐渐达到6万t/月，增加近3倍，确保了工作面的安全高效回采。

5 结论

1)应力主导型煤岩瓦斯动力灾害发生前，声发射振铃计数和能量指标整体上均呈逐渐升高的趋势，且动力灾害发生在声发射指标整体演化曲线的下降阶段。声发射前兆指标呈现为“先上升后下降”的模式。

2)提出“静态临界值与动态趋势预警”相结合的煤岩瓦斯动力灾害声发射判识预警方法，确定声发射振铃计数和能量两个特征参数指标的关联预警临界值，建立了工作面应力主导型煤岩瓦斯动力灾害声发射判识预警准则。

3)构建的己15-24080回采工作面地面与井下相交互的多通道并行的智能化煤岩瓦斯动力灾害声发射实时监测预警系统，实现了对深部矿井应力主导型煤岩瓦斯动力灾害的超前监测预警，提高了灾害预警的准确性和可靠性，为深部开采条件下矿井煤岩瓦斯动力灾害的监测预警提供了有效的技术手段。