基于地音活动规律的冲击危险性评价技术

任 勇,夏永学,张修峰

(1.煤炭科学研究总院开采设计研究分院,北京 100013;2.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京 100013; 3.新汶矿业集团华丰煤矿,山东泰安 271400)

基于地音活动规律的冲击危险性评价技术

任 勇1,2,夏永学1,2,张修峰3

(1.煤炭科学研究总院开采设计研究分院,北京 100013;2.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京 100013; 3.新汶矿业集团华丰煤矿,山东泰安 271400)

基于ARES-5/E地音监测系统,研究了华丰煤矿 1410工作面高能事件发生前地音变化规律,获得了冲击危险性增加或降低时地音的基本活动形式;基于冲击矿压与地音的相关性研究,初步建立了华丰煤矿地音评价冲击矿压的适用性标准。

冲击矿压;地音监测;活动规律;评价标准

地音是煤岩体破裂释放的能量以弹性波形式向外传递过程中所产生的声学效应。在矿山,地音是由地下开采活动诱发的,其震动能量一般为 0～103J;震动频率高,大约 150～3000Hz。[1]大量科学研究表明地音是煤岩体内应力释放的前兆,地音信号的多少、大小等指标反映了岩体受力的情况。利用地音现象与煤岩体受力状态的关系,可以监测到局部范围内未来几天可能发生的动力现象。地音监测就是应用监测网络对现场主要生产空间进行实时监测,通过统计地音事件、能量释放率、延时等一系列地音参量,找出地音活动规律,以此判断岩体受力状态和破坏进程,评价岩体的稳定性,进而判断冲击危险程度。经过长期监测后,可预测下一时段内监测区域危险等级,从而实现冲击危险性评价和预警[2-4]。

地音监测应用于煤矿冲击矿压预测预报时,受环境干扰和地音活动异常复杂的影响还存在许多困难。但是,地音监测作为冲击矿压研究领域最有发展前景的技术已被普遍接受。本文依托国家重点基础研究发展计划 (973)子课题《深部煤矿动力灾害的综合防治理论与解危方法》,利用ARES-5/E监测系统对华丰煤矿地音活动规律和冲击矿压危险性评价进行了研究,本文系项目的部分研究成果。

1 工作面及地音监测系统简介

新汶华丰煤矿 1410工作面采用综合机械化放顶煤回采工艺,开采煤层为四煤,煤层埋深近1000m,平均厚度为 6.2m,倾角 32°,坚固性系数为 1.5。顶板为粉砂岩、中砂岩;底板为粉细砂岩。现场和实验室的研究结果表明,煤层和顶板均具有冲击倾向性。1410工作面倾向长度为 130m,工作面上平巷靠近 1409采空区,开采受下方六煤遗留煤柱和断层等因素的影响。

为监测与预报煤矿冲击矿压,该矿于 2008年从波兰引进了 ARES-5/E地音监测系统 (见图 1)。该系统是采用地音监测法进行矿井冲击危险性评估的专用设备,能够对监测区域范围内的地音事件进行实时监测。布置在井下的地音探头监测到地音事件并将其处理为模拟信号,然后经过井下发射器处理后,由通讯电缆传输至地面。系统可以监测震动频率为28～1500Hz、能量小于 1000J的地音事件。

图1 ARES-5/E系统结构

ARES-5/E井下传感器对地音事件进行实时监测,并将监测得到的数据发送到井下发射器内;发射器对监测信号进行放大、过滤后,将其转化为电压信号后传送到地面中心站;地面中心站会对接收到的信号进行分类、统计,并将其转化为数字信号,然后发送到系统分析软件内;最终,由系统分析软件根据实时监测数据对监测区域的冲击危险性进行综合评价,并给出相应统计图表[5-6]。

ARES-5/E地音监测系统在采煤面和掘进面共布置 6个地音探头,其中采煤面 4个,用于监测采煤工作面附近地音活动的变化情况;掘进面 2个,用于监测掘进头附近地音活动的变化情况。地音探头的布置如图 2所示,探头随采掘工作面的推进不定期向前挪动。

图 2 1410工作面地音探头布置

2 地音数据处理

2.1 数据预处理

研究中数据选取范围为各探头的实际监测区域,即选取探头 50m监测半径内的地音数据。采用综合数据分析法进行数据预处理,步骤如下:

(1)选取监测区域内的微震事件数据,并按其发生时间进行排序。

(2)调取原始地音统计数据,结合现场实际噪音情况对其进行降噪处理。

(3)计算每小时和每班的地音活动次数及其释放能量,并绘制震级大于 0.9级微震事件发生前10个班地音活动次数和能量随时间变化曲线。

(4)分析班地音活动次数与能量的变化趋势与微震事件或冲击现象之间的关系。

2.2 危险指标选取

地音评价主要是基于地音活动和地音能量的变化。可采用以下 8个指标来确定地音活动和能量的偏差[7]:

(1)开采期间,每班次的平均活动情况——PAZ W。

(2)非开采期间,每班次的平均活动情况——PAZN。

(3)开采期间,每小时的平均活动情况——PAG W。

(4)非开采期间,每小时的平均活动情况——PAGN。

(5)开采期间,每班次的能量强度——PEZ W。

(6)非开采期间,每班次的能量强度——PEZN。

(7)开采期间,每班次的平均能量强度——PEG W。

(8)非开采期间的平均能量强度——PEGN。

对于一个给定的时间单元 T,例如 1个工作循环,公式中的每个参数取小时参数之和,强度和能量偏差采用如下公式计算:

OAZ W为开采期间,每班次的平均活动能量的偏差值。对于其他指标,以此类推,分别求得 b～h所对应的 7个偏差值,定义为:OAZN,OAG W, OAGN,OEZ W,OEZN,OEG W,OEGN。

3 地音活动与冲击矿压相关性分析

冲击矿压是高能量微震事件发生所导致,因此,可通过分析高能量微震事件发生前地音活动规律来研究其与冲击矿压的相关性。采用地音活动和能量偏差作为 2个指标,分别代表地音活动和能量的变化情况。通过分析高能微震事件发生前 10个班的变化曲线可知,不小于 0.9级的微震事件发生前地音活动主要有以下形式:

形式1 地音活动或能量的偏差持续增长大于2个班,且当前班达到了较大值。分析图 3可得,高能事件发生前第 5个班开始,能量一直处于上升的趋势,事件发生前 1班达到最大值。

形式2 地音活动或能量的偏差增长到较高的水平后突然出现下降,下降时间不超过 2个班,然后又出现增长。高能事件发生前,能量偏差从 3班前的一个峰值点 (>100%)出现一个突然的下

图3 地音活动与能量的变化曲线

降,持续时间仅为 1个班,随后又增长到一个较高的值,活动偏差的变化也符合这一规律,见图 4。

图4 地音活动与能量的变化曲线

形式 3 地音活动或能量的偏差至少持续3个班大于 100%。能量偏差持续增长了 5个班次,在连续 4个班达到 100%以上后发生高能微震事件,见图5。

图5 地音活动与能量的变化曲线

基于上述分析,初步建立适用于华丰煤矿的冲击危险性地音评价标准。标准中按当前班地音活动和能量偏差值大小分为 3个区间,在此仅列出评价结果发生变化时地音活动和能量的变化规律,不在表格之内均视为危险等级维持不变。将冲击危险等级分为 4个等级,a级为无冲击危险,b级为弱冲击危险,c级为中等冲击危险,d级为强冲击危险。危险等级的变化判断依据见表 1,表 2,表 3。

表1 当前班 -100%≤DEV<100%时,危险等级变化的判断依据

表 2 当前班 100%≤DEV<200%时,危险等级变化的判断依据 (f≥b)

表3 当前班DEV≥200%时,危险等级变化的判断依据(f≥c)

如果某个小时内的冲击危险性大于其所在班次开始的冲击危险性,此时应进行单位小时的冲击危险性评价,将OAG W,OEG W或者OAGN,OEGN分别与表 4进行对比分析,可进行每个小时内的冲击危险性评价。

表 4 小时活动次数及能量释放的冲击危险性评价标准

4 结论

本文基于华丰煤矿 1410工作面ARES-5/E地音监测系统,研究了高能事件发生前地音的变化规律,研究表明:

(1)冲击矿压发生前,地音的变化规律是很复杂的,但地音异常很可能预示着冲击危险性的增加,研究获得了冲击危险性增加时地音活动的 5种基本形式:地音事件或能量的偏差持续增长大于 2个班,且当前偏差达到了较大值;地音事件或能量的偏差在增长到较高的水平 (一般 DEV>100%)后突然出现下降,下降时间不超过 2个班,然后又出现增长;地音事件或能量的偏差持续增长大于或等于 2个班后,突然迅速减小,然后又增长到较大值;地音事件或能量的偏差至少持续 3个班大于100%;地音事件或能量的偏差达到了较大的值(DEV>200%)。

(2)地音活动和能量的骤降并不意味着冲击危险等级的降低,也有可能是因为能量转移而不断累积。冲击危险性降低时的地音活动规律包含 2种情况:地音活动比较平静,事件数和能量持续保持在较低的水平,处于能量稳定释放状态;地音事件和能量持续降低超过 2个班。

(3)初步确定了华丰煤矿地音评价冲击矿压的适用性标准。

[1]齐庆新,窦林名 .冲击地压理论与技术 [M].徐州:中国矿业大学出版社,2008.

[2]窦林名,何学秋.冲击地压理论与防治技术 [M].徐州:中国矿业大学出版社,2001.

[3]邓志刚,任 勇,毛德兵.波兰 EMAG矿压监测系统功能及应用 [J].煤炭科学技术,2008.

[4]窦林名,何学秋,Bernard Drzezls.冲击矿压危险性评价的地音法 [J].中国矿业大学学报,2000.

[5]邓志刚,任 勇,王传朋,等 .微震地音数据综合分析法初探 [J].煤矿开采,2010,15(1):8-10,14.

[6]孙书亮,王元杰,乔中栋,等 .地音监测技术在冲击矿压预测预报中的应用 [J].煤矿开采,2009,14(5):80-82.

[7]齐庆新,李首滨,王淑珅.地音监测技术及其在矿压监测中的应用研究 [J].煤炭学报,1994(6).

[责任编辑:王兴库]

Evaluation Technology of Rock-burstDanger Based on Earth Acoustic Data

REN Yong1,2,XIA Yong-xue1,2,ZHANG Xiu-feng3

(1.Mining&DesigningBranch,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China; 2.Mining&DesigningDepartment,Tiandi Science&Technology Co.,Ltd,Beijing 100013,China; 3.Huafeng Colliery,XinwenMining Group,Taian 271400,China;)

Based on ARES-5/E monitoring system,this paper analyzed rule of earth acoustic variation before high-energy matters occurred in 1410Mining Face.Basic activity rule of earth acoustic when rock-burst danger increased or reduced was obtained.Based on relationship of rock-burst and earth acoustic,a setof earth acoustic standard of rock-burst danger forHuafeng Collierywas primarily set up.

rock-burst;earth acoustic monitor;activity rule;evaluation standard

TD324.1

A

1006-6225(2010)06-0090-03

2010-07-16

国家重点基础研究发展计划 (973)项目子课题《深部煤矿动力灾害的综合防治理论与解危方法》(2010CB226806)

任 勇 (1978-),男,山西长治人,工程师,从事冲击矿压防治技术研究。