地音監(jiān)測(cè)技術(shù)在常村煤礦沖擊地壓預(yù)謇中的應(yīng)用
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李 巖1 馬江軍2 左 政3 王傳朋1 王元杰1 陳法兵1
（1．天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京市朝陽區(qū)，100013；
2．山東能源新汶礦業(yè)集團(tuán)協(xié)莊煤礦，山東省新泰市，271221;
3．河南大有能源股份有限公司耿村煤礦，河南省義馬市，472400）
摘 要 為了研究地音監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)煤礦沖擊地壓的預(yù)警情況，基于ARES- 5/E地音監(jiān)
測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了常村煤礦8個(gè)月內(nèi)煤炮的地音預(yù)警結(jié)果。研究結(jié)果表明：地音監(jiān)測(cè)對(duì)有破壞的煤炮的預(yù)警率為100%，漏報(bào)率為0；地音監(jiān)測(cè)對(duì)有震感的煤炮的預(yù)警率為90%，報(bào)準(zhǔn)率為53%，漏報(bào)率為10%。因地音監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)范圍小，僅能對(duì)監(jiān)測(cè)探頭附近區(qū)域的煤炮作出預(yù)警，故預(yù)警準(zhǔn)確度與煤炮的顯現(xiàn)程度呈正比。
關(guān)鍵詞 地音監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 沖擊地壓 煤炮 預(yù)警率 報(bào)準(zhǔn)率
中圖分類號(hào) TD324
隨煤礦采深的增加，越來越多的煤礦受到?jīng)_擊地壓的影響，為了對(duì)沖擊地壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警，沖擊地壓煤礦普遍安裝了微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。但微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由于其監(jiān)測(cè)頻率的限制，主要監(jiān)測(cè)的是低頻高能事件，適用于大范圍監(jiān)測(cè)和長(zhǎng)期危險(xiǎn)性評(píng)估，對(duì)沖擊地壓的即時(shí)預(yù)警效果較差。而地音監(jiān)測(cè)技術(shù)監(jiān)測(cè)對(duì)象為沖擊地壓發(fā)生前煤巖體內(nèi)微裂隙的發(fā)育情況，從而為沖擊地壓的即時(shí)預(yù)警提供了可能。
1 地音監(jiān)測(cè)技術(shù)
煤巖體在破壞之前，在一段時(shí)間內(nèi)必然持續(xù)以聲的形式釋放積蓄的能量，這種能量的強(qiáng)度隨著結(jié)構(gòu)臨近失穩(wěn)而變化，每一個(gè)聲發(fā)射都包含著巖體內(nèi)部狀態(tài)變化的豐富信息，通常將煤巖體的聲發(fā)射稱為地音。地音事件的頻率一般為150 N1500 Hz，事件能量一般小于102 J，屬于高頻低能事件。
地音監(jiān)測(cè)技術(shù)就是應(yīng)用監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)某一區(qū)域進(jìn)行地音實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，其監(jiān)測(cè)區(qū)域一般集中在生產(chǎn)空間（主要包括采煤工作面和掘進(jìn)工作面）。通過提供統(tǒng)計(jì)單位時(shí)間監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)地音事件的數(shù)量和釋放的能量，判斷監(jiān)測(cè)區(qū)域的沖擊危險(xiǎn)等級(jí)；經(jīng)過長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)后，可以在已有數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)下一時(shí)段內(nèi)監(jiān)測(cè)區(qū)域危險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)和預(yù)警。
以往針對(duì)地音監(jiān)測(cè)對(duì)沖擊地壓預(yù)警的研究所使用的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)為微震數(shù)據(jù)，根據(jù)地音監(jiān)測(cè)對(duì)大能量微震事件的預(yù)警情況判斷地音監(jiān)測(cè)對(duì)沖擊地壓的預(yù)警效率。但是，地音監(jiān)測(cè)的對(duì)象為微破裂，其監(jiān)測(cè)范圍小，對(duì)距離地音監(jiān)測(cè)探頭較遠(yuǎn)的微震事件預(yù)警效果較差。由于地音監(jiān)測(cè)探頭安裝于巷道中，有些微震事件雖然能量大，但距離巷道較遠(yuǎn)，從而導(dǎo)致監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)沒有反應(yīng)，所以采用微震數(shù)據(jù)判別地音監(jiān)測(cè)對(duì)沖擊地壓的預(yù)警效率將會(huì)存在較大的誤差。
沖擊地壓實(shí)際上就是對(duì)巷道和采場(chǎng)產(chǎn)生較大破壞的煤炮。因此，本文對(duì)地音預(yù)警效果分析時(shí)不使用微震數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，而使用現(xiàn)場(chǎng)人為觀測(cè)記錄到的煤炮為依據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。同時(shí)為方便表述，將產(chǎn)生破壞的煤炮稱為I類事件；將只有震感而沒有產(chǎn)生破壞的煤炮稱為Ⅱ類事件，其余不明顯的煤炮稱為Ⅲ類事件。
2礦井概況
常村煤礦采掘活動(dòng)逐步向深部延伸，并且進(jìn)一步靠近F16逆沖斷層，該斷層延展長(zhǎng)度達(dá)45 km，傾角750，落差50～500 m，在常村煤礦范圍內(nèi)的落差最大為250 m，常村礦附近多個(gè)礦井沖擊地壓的發(fā)生均是受該斷層影響。因此，目前常村礦沖擊地壓顯現(xiàn)日趨明顯，對(duì)礦井安全生產(chǎn)造成一定的威脅。
為確保礦井安全生產(chǎn)，加強(qiáng)對(duì)沖擊地壓的監(jiān)測(cè)預(yù)警工作，常村煤礦引進(jìn)了ARES- 5/E地音監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)頻率范圍為28～1500 Hz，目前應(yīng)用區(qū)域?yàn)?1220工作面，該工作面傾向長(zhǎng)度180 m，走向長(zhǎng)度約900 m，回風(fēng)巷鄰近采空區(qū)，運(yùn)輸巷深度低于回風(fēng)巷且更靠近F16斷層。2014年7月至2015年3月期間21220工作面回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷處于掘進(jìn)狀態(tài)。回風(fēng)巷安裝一個(gè)地音探頭，探頭編號(hào)為G1。隨掘進(jìn)工作面的推進(jìn)，運(yùn)輸巷逐步安裝了4個(gè)地音監(jiān)測(cè)探頭，探頭編號(hào)分別為X、X1、X2、X3。各探頭安裝和工作情況見表1。
根據(jù)記錄常村礦21220工作面從2014年7月4日至2015年5月31日21220丁作面共發(fā)生煤炮85次，其中有震感的Ⅱ類事件為6次，有一定破壞的I類事件8次。
3 地音預(yù)警方法
地音監(jiān)測(cè)技術(shù)的主要監(jiān)測(cè)對(duì)象為小能量的微破裂，在巖石發(fā)生宏觀破壞前（即沖擊地壓發(fā)生前），均有一段微破裂的急劇發(fā)育期，從而導(dǎo)致地音事件的頻次和能量大幅上升。因此，以這種變化為預(yù)警信號(hào)，選取地音異常指數(shù)做為地音預(yù)警的指標(biāo)（包括能量異常指數(shù)和頻次異常指數(shù)）。地音能量異常指數(shù)PE和地音頻次異常指數(shù)PN計(jì)算公式如下：
由此，可獲得采掘期間的能量、頻次異常指數(shù)和非采掘期間的能量、頻次異常指數(shù)，共4個(gè)預(yù)警指標(biāo)。根據(jù)煤礦預(yù)警需求和工作強(qiáng)度，時(shí)間單元可以是天、工作班或小時(shí)；本研究對(duì)常村煤礦地音預(yù)警分析選擇以工作班為時(shí)間單元。實(shí)際應(yīng)用中，受回采作業(yè)的影響，工作面回采期間和檢修期間工作面附近區(qū)域的噪音等差別較大，應(yīng)將工作班和檢修班數(shù)據(jù)分開統(tǒng)計(jì)，如圖1所示，從而避免因同采工作的開始和停止而引起的地音異常指數(shù)的波動(dòng)。根據(jù)以往研究，結(jié)合常村礦實(shí)際情況確定地音異常指數(shù)預(yù)警指標(biāo)為：異常指數(shù)達(dá)到0. 25為安全線達(dá)到1為警戒線，達(dá)到2為預(yù)警線，在圖1中用3條線分別表示。 ．
研究表明，地音預(yù)警時(shí)間最長(zhǎng)為3d左右；因此，地音異常指數(shù)在3d內(nèi)若多次突破預(yù)警線按1次預(yù)警計(jì)算。為盡量減少環(huán)境噪音等其他因素的影響，分析地音預(yù)警時(shí)選取距離掘進(jìn)工作面最近的探頭數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。以2014年7月的地音數(shù)據(jù)為例，2014年7月只有G1探頭工作，故只選取G1探頭的數(shù)據(jù)分析。G1探頭地音異常指數(shù)如圖1所示。由圖中可看出在7. 21事件（7.21事件即為7月21日發(fā)生的事件）發(fā)生前，地音有強(qiáng)烈的預(yù)警信號(hào)。在工作班地音異常指數(shù)圖中，7月18日夜班（圖中為7 -18 -3）地音異常指數(shù)大幅超過預(yù)警線并持續(xù)數(shù)日在預(yù)警線以上，7月19日中班(圖中為7-19-2)檢修班異常指數(shù)也出現(xiàn)相同現(xiàn)象，可看出對(duì)該事件地音提前預(yù)警時(shí)間約為2d。
4 預(yù)警情況統(tǒng)計(jì)分析
依照前例地音數(shù)據(jù)對(duì)煤炮預(yù)警的分析方法，依次分析2014年7月至2015年3月所有地音數(shù)據(jù)的預(yù)警情況。由于Ⅲ類事件數(shù)量過多，且該類事件對(duì)巷道影響極��；因此，僅對(duì)Ⅱ類以上事件的預(yù)警情況進(jìn)行分析。同時(shí)，由于2014年11月地音數(shù)據(jù)缺失，11月的3次煤炮不參與預(yù)警率和報(bào)準(zhǔn)率的統(tǒng)計(jì)分析。
4.1 預(yù)警率
預(yù)警率是指有預(yù)警的煤炮次數(shù)與煤炮總次數(shù)的比值。煤炮發(fā)生前3d內(nèi)地音異常指數(shù)超過預(yù)警線即視為對(duì)該煤炮有預(yù)警。地音監(jiān)測(cè)系統(tǒng)預(yù)警情況見表2。由表中可以看出以同一監(jiān)測(cè)通道生產(chǎn)班、檢修班同時(shí)預(yù)警為預(yù)警信號(hào)，11次事件中預(yù)警9次，預(yù)警率為81. 82%。其中2.13事件發(fā)生于21220回風(fēng)巷巷道口處，與回風(fēng)巷的G1探頭距離超過800 m，已經(jīng)不在地音系統(tǒng)監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)，剔除該事件后地音預(yù)警率為90%，對(duì)有破壞的I類事件預(yù)警率為100%。
同時(shí)由表2可以看出在系統(tǒng)運(yùn)行初期的7月至9月以及后期的3月，針對(duì)工作面內(nèi)發(fā)生的煤炮，在回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷的監(jiān)測(cè)通道均能作出預(yù)警，預(yù)警效果較好；但在10月份，回風(fēng)巷內(nèi)的地音監(jiān)測(cè)通道未對(duì)3次煤炮發(fā)出預(yù)警，僅運(yùn)輸巷的地音監(jiān)測(cè)通道作出預(yù)警。結(jié)合表1中地音探頭挪移情況可知．7月至10月地音探頭并未跟隨掘進(jìn)工作面進(jìn)行挪移，地音預(yù)警效果降低是由于地音監(jiān)測(cè)范圍較小，隨掘進(jìn)工作面的移動(dòng)，地音監(jiān)測(cè)探頭距離掘進(jìn)工作面的距離增加，超出了監(jiān)測(cè)范圍，地音探頭遠(yuǎn)離煤炮發(fā)生地點(diǎn)。
4.2報(bào)準(zhǔn)率
報(bào)準(zhǔn)率是指報(bào)準(zhǔn)次數(shù)與煤炮總數(shù)量的比值。在地音異常指數(shù)超過預(yù)警線（異常指數(shù)超過2）之后3 d內(nèi)有煤炮發(fā)生即記為報(bào)準(zhǔn)1次，若預(yù)警后3d內(nèi)連續(xù)發(fā)生2次以上煤炮也只記為報(bào)準(zhǔn)1次。21220工作面回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷地音通道預(yù)警情況統(tǒng)計(jì)見表3和表4。表中工作班（檢修班）預(yù)警指僅利用工作班（檢修班）的地音異常指數(shù)進(jìn)行預(yù)警；共同預(yù)警指工作班地音異常指數(shù)和檢修班地音異常指數(shù)在同一時(shí)間段（時(shí)間間距小于3 d）都超過預(yù)警線，發(fā)出預(yù)警。因此共同預(yù)警的次數(shù)少于工作班或檢修班的預(yù)警次數(shù)。
(1)工作班與檢修班報(bào)準(zhǔn)率對(duì)比。由表3可以看出當(dāng)21220工作面回風(fēng)巷監(jiān)測(cè)通道工作班地音異常指數(shù)從2014年7月至2015年3月共發(fā)出17次預(yù)警，但預(yù)警后發(fā)生煤炮的數(shù)量?jī)H有5次，報(bào)準(zhǔn)率僅有29.4%；但在同一時(shí)間區(qū)間內(nèi)，回風(fēng)巷檢修班地音異常指數(shù)發(fā)出15次預(yù)警，預(yù)警后發(fā)生的煤炮有7次，報(bào)準(zhǔn)率達(dá)到46.7%；由表4也可以看到21220工作面運(yùn)輸巷檢修班的報(bào)準(zhǔn)率為so%，高于工作班的44.4%；檢修班地音異常指數(shù)報(bào)準(zhǔn)率高于工作班地音異常指數(shù)主要是由于檢修期間工作面停止回采作業(yè)，各監(jiān)測(cè)通道接收的地音事件受到人為活動(dòng)的影響更小。
(2)回風(fēng)巷與運(yùn)輸巷報(bào)準(zhǔn)率對(duì)比。對(duì)比表3和表4數(shù)據(jù)可見，21220工作面運(yùn)輸巷地音監(jiān)測(cè)通道工作班和檢修班地音異常指數(shù)的報(bào)準(zhǔn)率分別為44. 4%和50%，高于回風(fēng)巷的29. 4%和46. 7%，但在井下實(shí)際中運(yùn)輸巷由于運(yùn)輸皮帶的存在，環(huán)境噪音高于回風(fēng)巷，地音探頭所受干擾也高于回風(fēng)巷，運(yùn)輸巷的地音報(bào)準(zhǔn)率理論上應(yīng)低于回風(fēng)巷。導(dǎo)致這種差異的原因是21220工作面運(yùn)輸巷沖擊地壓比回風(fēng)巷嚴(yán)重，2014年7月至2015年3月發(fā)生的14次煤炮或沖擊中的11次均發(fā)生于運(yùn)輸巷；表明，地音探頭距離沖擊危險(xiǎn)區(qū)域越近，對(duì)發(fā)生沖擊的報(bào)準(zhǔn)率越高。
(3)工作班或檢修班預(yù)警與共同預(yù)警報(bào)準(zhǔn)率對(duì)比。21220工作面回風(fēng)巷工作班和檢修班地音異常指數(shù)共同預(yù)警的報(bào)準(zhǔn)率為50%，運(yùn)輸巷的報(bào)準(zhǔn)率為57. 1%，均高于以工作班或檢修班單獨(dú)報(bào)警時(shí)的報(bào)準(zhǔn)率。這主要是由于井下探頭挪移、故障以及探頭被其他物體撞擊等均會(huì)引起地音異常指數(shù)的大幅波動(dòng)，從而造成假預(yù)警，降低報(bào)準(zhǔn)率；但以上這些因素影響時(shí)間一般較短，在一個(gè)工作班或檢修班的時(shí)間范圍內(nèi)即可結(jié)束。將工作班和檢修班地音數(shù)據(jù)分開統(tǒng)計(jì)分析后，在工作班時(shí)間范圍的地音數(shù)據(jù)的大幅波動(dòng)，僅會(huì)影響工作班地音異常指數(shù)，不會(huì)影響檢修班地音異常指數(shù)的預(yù)警效果；同樣，檢修班的數(shù)據(jù)波動(dòng)也不會(huì)影響工作班地音異常指數(shù)的預(yù)警效果。當(dāng)工作班和檢修班地音異常指數(shù)共同預(yù)警才觸發(fā)預(yù)警時(shí)，工作班或檢修班的單獨(dú)預(yù)警并不觸發(fā)預(yù)警，降低了假預(yù)警的次數(shù)，從而提升了報(bào)準(zhǔn)率。
5 結(jié)論
(1)在不考慮地音監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)丟失及線路故障等情況下，地音監(jiān)測(cè)對(duì)Ⅱ類以上事件的預(yù)警率達(dá)到90%，報(bào)準(zhǔn)率為53%，漏報(bào)率為10%;對(duì)產(chǎn)生破壞的I類事件的預(yù)警率為100%，漏報(bào)率為0。表明地音監(jiān)測(cè)能夠?qū)Τ４宓V的煤炮實(shí)現(xiàn)較好的預(yù)警。
(2)地音監(jiān)測(cè)僅能對(duì)地音監(jiān)測(cè)探頭附近區(qū)域的煤炮（沖擊）實(shí)現(xiàn)預(yù)警，預(yù)警準(zhǔn)確率隨地音監(jiān)測(cè)探頭與煤炮發(fā)生區(qū)域距離的增加而降低。因而，以煤炮作為依據(jù)分析得出的地音預(yù)警率和報(bào)準(zhǔn)率高于以微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)的預(yù)警率和報(bào)準(zhǔn)率。
(3)地音監(jiān)測(cè)預(yù)警準(zhǔn)確度與煤炮的顯現(xiàn)程度呈正相關(guān)。
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