基于地音监测的冲击后危险性实时评价技术研究

李 岩，王 伟，顾颖诗，吴 震，沈家宇

(1. 中煤科工开采研究院有限公司，北京市朝阳区，100013；2.煤炭科学研究总院开采研究分院，北京市朝阳区，100013；3. 内蒙古昊盛煤业有限公司，内蒙古自治区鄂尔多斯市，017000)

0 引言

近年来随着我国浅部煤炭资源的逐渐减少，煤矿开采深度正逐渐向深部延伸。山东矿区多个矿井的开采深度已经达到1 000 m，鄂尔多斯矿区新建井工矿井的初始采深已达600～700 m。深部矿井基础静载荷较高，受井下采掘活动的扰动影响易引起局部应力集中超过支护体的极限，进而引发冲击地压灾害，威胁人员和采掘设备的安全[1-4]。

为了实现对冲击地压的有效防治和超前预警，国内外诸多学者对冲击地压的预警进行了大量研究。文献[5-7]研究了微震监测信号的前兆预警信息；文献[8-10]研究了电磁辐射在冲击风险矿井的预测方法和电测辐射特性；文献[11-15]研究了冲击地压发生前的地音前兆信息并进行了预警；文献[16-18]研究了震动场、应力场多种监测方法联合的预警方法。这些研究在冲击地压超前监测预警方面取得大量的有效成果，并且在现场应用中对部分冲击地压实现了超前预警，避免了冲击地压灾害对人员、设备的危害。但是在动载荷冲击评价方面，以往研究主要依靠的微震监测方法多以班次、天为数据分析周期，难以满足现场在冲击发生后危险性实时评价及时性的需求。为此，笔者针对冲击地压发生后冲击现场危险性实时评价及时性这一问题，基于地音监测提出了冲击地压发生后地音实时评价技术，将冲击危险性评价的周期缩短至小时级别。

胡家河煤矿401102综采工作面回风巷在2014年9月9日14时15分发生一起冲击地压事故，释放能量为2.7×105J；在事故发生后于当日16时23分，在冲击现场附近区域再次发生一起1.2×105J的微震事件。上述数据表明，在冲击地压发生后，冲击现场仍存在二次冲击地压的潜在危险性，虽然二次冲击地压的能量和破坏性相对降低，但仍能对现场救援人员的安全产生威胁。

1 冲击地压发生后相关区域地音活动特征

为获知冲击地压发生后地音活动的特征，分别采用实验室岩石单轴压缩声发射实验和现场监测数据实测的方法对冲击地压发生前后岩石或煤岩体内的地音活动变化情况进行研究。

1.1 实验室岩石单轴压缩声发射实验

实验室岩石单轴压缩声发射变化如图1所示。实验数据表明，岩石内的声发射活动与应力的变化呈正相关关系。随着压力的增加，岩石试件在C点破坏后，试件内部的声发射现象并未立即消失，声发射振铃计数(频次)和能量与B点之前相比仍然处于一个较高的水平，微小劈裂仍然在一个比较高的活动性上，表明岩石试件在破坏后，其内部的微小破裂并立即停止，仍然处于发育状态，直至D点之后岩石彻底破坏，实验停止后，声发射现象归零。基于此实验结果在煤矿现场可利用岩体首次破坏(一般以高能事件的发生为标志)之后岩体内仍然持续发生的声发射活动对冲击地压发生后井下巷道的危险性进行实时评价。

图1 实验室岩石单轴压缩声发射变化

1.2 煤矿现场冲击地压发生后地音活动的特点

与实验室相比，煤矿现场影响因素较多，二者之间的监测结果存在不同程度的差别，为更加准确分析冲击地压发生后地音活动的特征，本文选择胡家河煤矿和亭南煤矿的冲击地压事件进行冲击地压发生后地音活动规律的研究。

1.2.1 胡家河煤矿冲击地压发生后地音活动特点

通过对图2中胡家河煤矿401102工作面回风巷内的地音监测数据进行分析，在2014年9月7日3时起地音活动(能量和频次)开始明显增加，至9月9日冲击地压发生前一直处于较高的水平，在9月9日14时15分冲击地压发生后，地音活动并未立即减弱，而是仍处于较高的水平，在第2次能量释放后，地音活动显著减弱并呈现持续降低的趋势，至9月9日22时，地音活动与峰值相比降低了87%且低于冲击前3日内的地音活动最低值，随后地音活动一直处于低水平活动状态，自首次冲击发生至地音活动趋于平稳共耗时8 h。

图2 胡家河煤矿40102工作面回风巷地音活动变化情况

1.2.2 亭南煤矿冲击后地音活动特点

亭南煤矿于2020年4月11日17时26分监测到在307运输巷内超前工作面200 m左右发生1次104J级微震事件；该事件发生后地音活动呈现波动式下降的特点，至4月12日10时地音能量、频次与峰值降低99%，且低于冲击地压发生前3日内的地音活动最低值，随后地音活动一直处于低水平活动状态，自冲击地压发生至地音活动趋于平稳共耗时16 h。

上述监测数据表明，煤矿现场地音活动与实验室声发射实验结果类似，二者均出现了岩体(试件)破坏后地音活动(声发射活动)仍然持续发生的现象。同时，胡家河煤矿监测数据说明其在首次冲击2 h后现场又发生二次冲击，2次冲击间隔时间较短，采用微震监测法以小时、班次、天为单位进行微震活动分析预警的方法将难以满足对动载荷二次冲击地压的超前预警需求。

2 冲击地压发生后地音危险性实时评价技术

依据前述分析，在冲击地压发生后地音活动开始呈现波动式下降的趋势，但地音活动的绝对值相较于冲击地压发生前仍然处于较高水平，为了对活动特性进行准确评价，采用曼·肯德尔(Mann-Kendall，MK)检验法作为地音活动变化的评价方法。

MK检验是一种非参数的时间序列趋势性检验方法，其检验原理是通过比较每个数据点与其之前数据点的大小，来检测时间序列数据中的单调趋势(上升、下降或没有趋势)。它的特点是不需要测量值服从正态分布，不受缺失值和异常值的影响，适用于长时间序列数据的趋势显著检验；该方法对于数据的要求符合地音监测数据的特点。其计算过程如下：

(1)按照地音数据发生的时间顺序取出一个长度为n的数据集X={x1，x2，…，xn}，进而确定所有n(n-1)/2个xi-xj的差值函数sgn(xi-xj)，其中n≥i>j≥1：

(1)

(2)对n(n-1)/2个xi-xj的差值函数sgn(xi-xj)进行求和得出数值S：

(2)

若S是1个正值，说明后一时期的地音活动相比之前的地音活动会趋向于增加；若S是1个负值，则说明后一时期的地音活动相比之前的地音活动会趋向于减弱。对统计量S进行标准化处理，标准化后的检验统计量Z计算方法如下：

采用双边趋势检验，对于给定的置信水平α，在正态分布表中的临界值为Z1-α/2。若|Z|>Z1-α/2，即表明在置信水平α上，地音数据存在明显的上升或下降趋势。本文给定显著性水平α= 0.05，则临界值Z1-α/2=±1.96，当Z的绝对值大于1.65、1.96和2.58时，表示上升或下降趋势分别通过了信度为90%、95%和99%的显著性检验。当Z>0时表示地音活动仍然具有增加特性，当Z<0时表示地音活动呈现减少特性，故以Z=0作为作为本次冲击地压影响是否结束的标志。

3 冲击地压发生后地音危险性实时评价技术的现

场验证

将上述评价方法应用于胡家河煤矿和亭南煤矿冲击地压发生后现场危险性的实时评价，以15 d为步距(式1中的n)计算冲击后Z值变化，结果如图4所示。

图4 冲击后Z值变化

在胡家河煤矿和亭南煤矿的2次冲击发生后，Z值不仅大于0，而且呈现上涨趋势，表明地音活动增加显著，冲击地压发生现场煤岩体破裂的强度较大；随后Z值逐渐降低，表明地音活动增加趋势降低；而后胡家河煤矿地音活动在冲击8 h后，亭南煤矿地音活动在冲击27 h后，Z值等于0，此后地音活动开始逐渐降低，表明此时冲击地压影响结束。综上所述，地音活动在冲击地压发生后并非立即呈现降低的趋势，而是呈现先增加再降低的态势。

4 结论

(1)在冲击地压发生后，冲击区域的地音活动并非呈现立即降低的趋势，而是先增加再降低，故而存在二次冲击地压的风险。

(2)利用MK趋势法的Z值变化进行冲击地压发生后危险性的实时评价，当Z值大于0时，表明冲击地压现场仍具有二次冲击的风险，当Z值降低至0时则表明本次冲击结束。

(3)通过在胡家河煤矿和孟村煤矿的应用验证，结果表明Z值的变化规律能够反应冲击地压发生现场危险程度的变化规律，合理确定冲击地压影响结束的时间。