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第 45 卷第 5 期煤 炭 学 报Vol. 45 No. 5 2020 年5 月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYMay 2020 移动阅读 朱斯陶,姜福兴,刘金海,等. 复合厚煤层巷道掘进冲击地压机制及监测预警技术[J]. 煤炭学报,2020,455 1659-1670. doi10. 13225/ j. cnki. jccs. DY20. 0347 ZHU Sitao,JIANG Fuxing,LIU Jinhai,et al. Mechanism and monitoring and early warning technology of rock burst in the heading face of compound thick coal seam[J]. Journal of China Coal Society,2020,4551659-1670. doi10. 13225/ j. cnki. jccs. DY20. 0347 复合厚煤层巷道掘进冲击地压机制及监测预警技术 朱斯陶1,姜福兴1,刘金海2,王高昂1,王绪友3,姜亦武2,曲效成4,徐怀阁3,宁廷洲3 1. 北京科技大学 土木与资源工程学院,北京 100083; 2. 华北科技学院 河北省矿井灾害防治重点实验室,北京 101601; 3. 兖矿新疆矿业有限 公司 硫磺沟煤矿,新疆 昌吉 831100; 4. 北京安科兴业科技股份有限公司,北京 102299 摘 要针对我国西部矿区复合厚煤层工作面掘进期间煤粒弹射现象频繁、震动持续时间长、冲击 破坏范围集中在掘进工作面附近的特点,以新疆硫磺沟煤矿复合厚煤层巷道掘进为工程背景,采用 现场调研、理论分析和现场监测等方法,对复合厚煤层掘进工作面煤粒弹射和冲击地压发生机制及 监测预警技术进行了研究。 复合厚煤层掘进工作面频繁发生煤粒弹射和冲击地压的主要原因是巷 道开挖后围岩中软煤部分会快速卸荷破坏产生煤粒弹射现象,软煤破坏后导致硬煤局部产生剪应 力集中,当应力集中程度超过硬煤极限强度时,硬煤发生剪切失稳破坏,进而诱发掘进工作面冲击 地压。 现场监测结果表明,复合厚煤层掘进工作面冲击前后煤体应力及锚杆索压力监测无明显征 兆,地音监测能够捕捉到冲击地压信息,但复合厚煤层工作面掘进期间频繁煤粒弹射产生的众多小 能量震动事件严重影响了地音监测预警结果的准确性。 据此提出了基于“地音大事件”概念的监 测预警方法,即只监测对掘进工作面冲击地压有明显影响的大能量地音事件,这些地音事件具有的 明显特征为发生的总频次相对较低,但总能量较高,根据统计分析,将4-504 胶带巷掘进工作面 能量大于 1 000 mV 的地音称之为地音大事件。 通过与原预警方法进行对比,基于“地音大事件” 概念的预警方法预警准确率更高,也更符合现场实际情况。 关键词复合煤层;冲击地压;掘进工作面;监测预警;地音监测 中图分类号TD324 文献标志码A 文章编号0253-9993202005-1659-12 收稿日期2020-03-20 修回日期2020-05-06 责任编辑常 琛 基金项目国家重点研发计划资助项目2016YFC0801408;国家自然科学青年基金资助项目51904017;山东省重大科技创新工程资助项 目2019SDZY02 作者简介朱斯陶1990,男,湖北荆州人,讲师,博士后。 E-mailzhusitao123163． com 通讯作者刘金海1982,男,河南扶沟人,副教授,博士。 E-mailjh_Liu1982163． com Mechanism and monitoring and early warning technology of rock burst in the heading face of compound thick coal seam ZHU Sitao1,JIANG Fuxing1,LIU Jinhai2,WANG Gaoang1,WANG Xuyou3,JIANG Yiwu2, QU Xiaocheng4,XU Huaige3,NING Tingzhou3 1. School of Civil and Resource Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China; 2. Hebei State Key Laboratory of Mine Disaster Prevention,North China Institute of Science and Technology,Beijing 101601,China; 3. Liuhuanggou Coal Mine,Yankuang Xinjiang Mining Co. , Ltd. ,Changji 831100,China; 4. Beijing Anke Xingye Science and Technology Co. ,Ltd. ,Beijing 102299,China AbstractFor the characteristics of frequent ejection of coal particles,long duration of vibration,and concentrated im- pact damage range near the heading during the excavation of the compound thick coal seam face in the western mining area of China,taking the compound thick coal seam heading face in Liuhuanggou coal mine as an engineering back- 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 ground,the mechanism of coal pellet ejection and rock burst and the monitoring and early warning technology in the heading face at compound thick coal seams were studied using field investigation,theoretical analysis and on-site moni- toring s. The results show that the soft coal part of the surrounding rock will quickly unload and destroy the coal particle ejection after the roadway is excavated,and the soft coal damage will cause local hard coal shear stress con- centration. When the degree of stress concentration exceeds the ultimate strength of hard coal,the shear failure of hard coal occurs,which in turn induces head-on rock burst. The on-site monitoring results show that there is no obvious sign of coal body stress and anchor cable pressure monitoring before and after rock burst in the heading face of compound thick coal seams. Acoustic emission monitoring can capture the ination of rock burst,but many small energy vibra- tion events caused by frequent coal burst seriously affect the accuracy of the monitoring and early warning results. Therefore,this paper propose a monitoring and early warning based on the concept of “high energy acoustic e- mission events”,that is,only the high-energy acoustic emission events that have a significant impact on the rock burst of the heading face are monitored. These acoustic emission events have the obvious feature that the total frequency of occurrence is relatively low,but the total energy is high. According to statistical analysis,the acoustic emission in the working face of 4-504 headgate with the energy greater than 1 000 mV is called the high energy acoustic emission events. Compared with the original early-warning s,the early-warning s based on the concept of “high energy acoustic emission events” have a higher accuracy and more in line with the actual situation on site. Key wordscomposite coal seam;rock burst;heading face;monitoring and early warning;rock sound monitoring 煤炭是我国的主导能源,随着煤炭资源开采 深度的不断增加和开采条件的复杂化,我国中东 部矿区冲击地压、煤与瓦斯突出和矿震等动力灾 害越来越严重[1-4]。 为满足国家能源需求,煤炭产 能快速向开采深度较浅的西部转移,与我国中东 部矿区开采深度大、煤层相对较薄的特点不同,新 疆、内蒙古的相关矿区发生冲击地压的煤层掘进 工作面埋深普遍小于 500 m,煤层相对较厚,且结 构复杂,呈现软硬复合的特点[5]。 相对于薄 中 厚煤层多为单一结构,厚煤层结构相对较复杂,一 般由多层软硬相间的煤层或薄层岩层与煤层组 成,比较典型的是软硬复合厚煤层。 根据新疆硫 磺沟煤矿近 10 次复合厚煤层掘进工作面冲击地 压事故现场和掘进现场勘察发现,软硬复合厚煤 层巷道掘进期间,软煤层煤粒弹射现象频繁,震动 持续时间长,冲击破坏以掘进工作面及后方 10 m 范围为主。 现有的冲击地压理论难以科学解释复 合厚煤层掘进工作面冲击地压的发生机理,严重 制约了我国中西部地区部分矿井的生产安全。 冲击地压的监测预警是有效防治冲击地压的 重要环节之一[6],我国许多学者对冲击地压监测预 警技术进行了研究齐庆新等[7]通过实验研究与现 场实践表明,地音监测可以准备地预测冲击地压的 发生时间,地音参量可以准确地预测预报顶板活 动;窦林名等[8]基于煤岩破坏的不同裂隙发展阶段 与微震、应力、声电等参量响应的关系,建立了煤岩 冲击破坏的多信息归一化预警力学模型,提高了煤 矿冲击矿压监测预警的针对性与准确性;夏永学 等[9]采用微震和地音监测系统对千秋煤矿孤岛工 作面回采期间的冲击危险性进行监测,确定了相应 的预警指标,提高了冲击地压预测预报的准确率; 刘金海等[10]分析了震动场、应力场联合监测技术 和“全频广域“震动监测技术,探讨了冲击地压监测 预警在监测参量、预警阈值、测点布置、数据分析等 方面存在的困难;贾瑞生等[11]基于 SVM 理论对冲 击地压前兆信息进行自动辨识,通过对地音监测数 据的辨识分析,极大地提高了预报准确率;刘少虹 等[12]建立了一种基于地音监测与电磁波 CT 探测 的掘进工作面冲击危险性层次化评价方法,提高了 工作面掘进期间冲击危险性的预测评价;杨光宇 等[13]通过对掘进工作面冲击地压事故分区研究,建 立了四位一体的综合监测预警系统,有效预警了特 厚煤层掘进期间的冲击危险。 上述学者对采掘工作面冲击地压的监测预警技 术进行了大量的研究,但针对复合厚煤层掘进工作面 的监测预警技术研究较少。 现场监测结果表明,复合 厚煤层掘进工作面冲击前煤体应力及锚杆索监测无 明显征兆,常规监测手段难以识别;复合厚煤层工作 面掘进期间震动频繁,导致地音事件总频次和总能量 均较高,严重影响了冲击危险性预警的准确性。 本文 以新疆硫磺沟煤矿复合厚煤层掘进工作面为工程背 景,采用现场调研、理论分析和现场监测等方法,研究 了复合厚煤层掘进工作面频繁煤粒弹射和冲击地压 的机制,提出了基于“地音大事件”概念的监测预警 0661 第 5 期朱斯陶等复合厚煤层巷道掘进冲击地压机制及监测预警技术 方法和预警指标,有效保障了新疆硫磺沟煤矿复合厚 煤层工作面的安全掘进。 1 复合厚煤层掘进工作面冲击地压事故概况 1． 1 复合厚煤层掘进工作面地质概况 新疆硫磺沟煤矿4-504 工作面为局部沿空工 作面,走向长平均 2 636 m,倾斜宽 180 m,平均埋深 约 460 m,主采 4 -5 煤层厚 6． 06 7． 52 m,平均 6． 7 m,倾角 21 26,平均 25,工作面留设 40 m 区 段煤柱隔离相邻4-502 采空区,如图 1 所示。 4-5 煤层由 4 煤和 5 煤组合而成,一般含夹矸 1 3 层,夹 矸厚度在 0． 06 0． 60 m。 图 1 4-504 工作面掘进冲击地压平面位置 Fig． 1 Rock burst plan at the heading face of LW4-504 经煤岩冲击倾向性鉴定,硫磺沟煤矿 4-5 煤层 中硬煤单轴抗压强度为 13． 4 MPa,动态破坏时间为 260 ms,冲击能量指数为 1． 1,弹性能量指数为 32． 1, 综合判断具有弱冲击危险;4-5 煤层中软煤由于节理 裂隙发育,现场无法取样进行岩石力学试验。 1． 2 复合厚煤层掘进工作面冲击地压事故概况 硫磺沟煤矿4-504 工作面掘进期间矿压显现 强烈,掘进工作面煤粒弹射现象频繁,累计发生破坏 性冲击地压灾害7 次,其中2013-01-30 和2014-11- 24 发生的 2 次冲击地压最为严重。 1“130”掘进工作面冲击地压。 2013-01-30T1550,4-504 工作面胶带巷 掘进约 2 100 m 时,掘进工作面发生强烈冲击地压, 造成掘进工作面顶板冒落、两帮煤体冲出,综掘机 被颠动。 顶板冒落形态及现场照片如图 2 所示,顶 板冒落尺寸为长宽高 5 m4． 2 m3 m,冒落 体积约 21 m3。 根据现场勘察,掘进工作面冒落煤 体十分破碎,多为粒径小于 10 mm 的粉状。 煤壁前 方抛出深度 1． 7 m、高度 3 m3 m,已开挖段上帮煤 体也同时片帮,片帮深度约 0． 8 m;上帮片帮处煤壁 竖向煤体节理、劈理十分发育。 巷道下帮距离掘进 工作面 5 m 左右处,同时形成片帮,片帮深度大于 0． 5 m。 2“1124”掘进工作面冲击地压。 4-504 工作面“130”冲击地压事故导致胶 带巷掘进停产约 22 个月。 2014-11-15 胶带巷恢复 掘进,至 2014-11-24T0410,掘进工作面累计掘进进 尺为 15． 6 m,掘进工作面发生冲击地压,导致后方 图 2 “130”掘进工作面冲击地压现场照片 Fig． 2 Rock burst accident at the heading face in 2013-01-30 14． 6 m 上帮 2 棵单体支柱崩倒,顶板最大下沉约 500 mm,新掘进区域共 4 根锚杆、锚索遭到明显破 1661 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 坏,掘进工作面综掘机司机和辅助工人直接被冲击波 推出约 4 m,如图 3 所示。 图 3 “1124”掘进工作面冲击地压素描 Fig． 3 Rock burst accident at the heading face in 2014-11-24 2 复合厚煤层掘进工作面煤粒弹射及冲击地 压发生机制 2． 1 煤层结构对掘进工作面冲击地压影响分析 掘进工作面超前煤体发生冲击破坏形式主要有 压缩破坏和剪切破坏两种类型。 对于煤体压缩破坏 型冲击地压,其发生冲击地压的可能性系数[14]为 Ic σmax [σc] kγh [σc] 1 式中,Ic为煤体压缩破坏型冲击可能性系数,当 Ic≥ 1． 5 时可认为具有冲击危险;σmax为掘进工作面超前 支承压力峰值应力;[σc]为煤体单轴抗压强度;k 为 煤体应力集中系数;γ 为煤体上覆岩层的平均容重;h 为煤体平均埋深。 对于煤体剪切破坏型冲击地压,其发生冲击地压 的可能性系数[15]为 Iτ τ [τ] σ1 - σ 3 2[τ] 2 式中,Iτ为煤体剪切破坏型冲击可能性系数,当 Iτ≥ 1． 5 时可认为具有冲击危险;τ 为煤体承受最大剪应 力;[τ]为煤体抗剪强度;σ1,σ3分别为最大和最小主 应力。 2． 1． 1 单一煤层结构掘进工作面冲击危险性分析 单一煤层条件下掘进工作面围岩结构如图 4a 所示,以硫磺沟煤矿4-504 胶带巷掘进工作面实 际生产条件为例,取[σc] 13． 4 MPa,k 1． 5,γ 2 500 kN/ m3,h 460 m,σ1 σ max 17． 3 MPa,σ3 7． 3 MPa,[τ] 7． 1 MPa,将以上参数代入式1和 式2 中可得 Ic1 1． 3,Iτ1 1． 4。 因此硫磺沟煤 矿4-504 胶带巷在单一硬煤层中掘进时不满足发 生煤体压缩破坏型冲击和煤体剪切破坏型冲击的应 力条件。 图 4 不同煤层结构掘进工作面示意 Fig． 4 Heading face in different coal seam structure 2． 1． 2 复合煤层结构掘进工作面冲击危险性分析 复合煤层条件下掘进工作面围岩结构如图 4b 所示,由于现场软煤裂隙发育难以取样,根据现场经 验估算软煤单轴抗压强度[σs]≈5 7 MPa,将其代 入式1中可得 Ic22． 5 3． 5,已远超过发生煤体压 缩破坏型冲击地压的应力条件,但由于软煤裂隙发 育,因此其破坏形式转变为以煤体颗粒弹射破坏为 主。 当煤层条件由单一煤层变为复合煤层时,掘进工 作面开挖卸荷引起软煤发生弹射破坏后,导致硬煤的 最小主应力大幅降低,在软煤上方硬煤中形成剪应力 集中,此时取最小值 σ3 0 MPa,在 σ1不变的情况 下,计算得到 Iτ2 2． 4,远大于发生煤体剪切破坏型 冲击地压的临界应力条件。 根据上述计算结果可知,在硫磺沟煤矿4-504 胶带巷掘进工作面生产条件下,单一煤层结构掘进工 作面不具有冲击危险,复合煤层结构掘进工作面软煤 和硬煤分别具有发生煤体压缩破坏型冲击和煤体剪 切破坏型冲击的危险。 2． 2 复合煤层掘进工作面煤粒弹射及冲击地压发生 机制 根据上述分析,软硬复合厚煤层巷道掘进工作面 超前支承压力分布如图 5 所示,掘进扰动影响范围内 软煤和硬煤应力状态如图 6a,b所示,原始应力 区软煤应力状态如图 6c所示。 图 6b中硬煤在 软煤破坏前处于三向应力状态,在软煤破坏后其受力 状态转变为双向乃至单向应力状态。 2661 第 5 期朱斯陶等复合厚煤层巷道掘进冲击地压机制及监测预警技术 图 5 复合煤层掘进工作面超前支承压力分布示意 Fig． 5 Distribution diagram of advance supporting pressure in driving face of composite coal seam 掘进工作面形成超前支承压力峰值 σmax小于硬 煤三轴抗压强度 σ3c和软煤三轴抗压强度 σ3s,但远 大于软煤单轴抗压强度 σs。 因此软硬复合厚煤层巷 道掘进时,掘进工作面软煤在超前支承压力作用下首 先发生破坏,围岩集聚弹性能大部分通过软煤的失稳 破坏煤粒弹射来释放,导致掘进工作面煤粒弹射 和震顶频繁。 由于 a 区硬煤强度较大,当 b 区软煤发生煤粒弹 射破坏后,导致硬煤在软煤破坏的边缘产生剪应力集 中,当应力集中程度超过硬煤极限强度,硬煤发生剪 切失稳破坏,进而诱发掘进工作面冲击地压。 图 6 特厚软硬复合煤层巷道掘进工作面煤体应力状态 Fig． 6 Stress state diagram of head coal body in roadway driving in extra thick soft hard composite coal seam 3 复合厚煤层掘进工作面冲击地压合理监测 预警方法 常用的掘进工作面冲击地压在线监测方法主要 有地音监测、煤体应力监测和锚杆索压力监测,每种 监测方法的监测参数和范围都不同,如图 7 所示。 硫 磺沟煤矿安装了掘进工作面冲击地压综合监测预警 系统,包含“地音-应力-锚杆索压力”三套实时在线 监测子系统,各子系统运行过程中相互独立,分别对 掘进工作面“围岩震动、围岩应力动态、锚杆锚索支 护力”进行监测。 根据现场监测结果和掘进工作面 矿压显现的情况的对比,不同监测系统对掘进工作面 冲击危险性的敏感性差异较大。 3． 1 掘进工作面应力监测预警情况分析 4-506 胶带巷掘进工作面应力监测布置平面 图如图 8 所示,掘进工作面后方共布置 7 组测站,每 组测站包含深孔14 m、浅孔8 m两个应力测点, 测站间距为255m,测站滞后掘进工作面不超过 30 m 安装,并将最后 1 组测站依次往复前移。 由于应力测点较多,选择距离4-506 胶带巷 掘进工作面最近的 3 号,4 号距掘进工作面 10 m 应力曲线进行分析,监测时间为 2016-12-0712- 图 7 掘进工作面巷道监测区域剖面 Fig． 7 Section of roadway monitoring area in heading face 图 8 掘进工作面应力测点布置平面 Fig． 8 Layout plan of stress measuring points in heading face 3661 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 24,如图 9 所示。 由图 9 可知,4-506 胶带巷掘进 工作面上帮应力测点安装后,煤体应力增幅较小,应 力曲线基本保持平稳状态。 4-506 胶带巷掘进工 作面在 2016-12-16T0849 发生一次帮部冲击,现场 破坏明显,但掘进工作面各测点的应力曲线均无明显 变化,应力监测结果和现场矿压显现差异较大,说明 复合厚煤层掘进工作面冲击地压危险性和围岩应力 相关性较差。 图 9 围岩应力监测系统部分测点应力曲线 Fig． 9 Layout plan of stress measuring points in heading face 3． 2 锚杆索压力监测预警情况分析 4-506 胶带巷掘进工作面共布置 6 组锚杆索 压力测站,每组测站包含 1 个锚索测点和 1 个锚杆测 点,测站间距 50 m,最前方测点距掘进工作面不应超 过 50 m,如图 10 所示。 监测范围为掘进工作面向后 300 m 范围,测站布置在巷道顶板位置,每个测站布 置锚杆、锚索测点各 1 个,当掘进工作面与最前端测 点距离大于 50 m,应及时对测点进行移组,如图 9 所 示。 图 10 掘进工作面锚杆索压力测点布置 Fig． 10 Layout of anchor cable pressure measuring points in heading face 图 11 为 2016-12-0712-24 锚索压力监测系 统 30 号安装时距掘进工作面 5 m测点锚索压力曲 线图。 由图 11 可知,4-506 胶带巷掘进工作面锚 索压力测点安装后,锚索压力程缓慢上升,其主要原 因是巷道掘进后围岩应力调整导致,在掘进工作面 2016-12-16 发生帮部冲击后,锚索压力上升速度增 加,主要原因是巷道帮部煤体冲击导致掘进工作面后 方顶板出现下沉。 现场监测结果表明,锚索压力监测 对冲击地压预警的前兆信息敏感性较差,一般在掘进 工作面冲击地压发生后才出现明显变化。 图 11 锚索压力监测曲线 Fig． 11 Pressure monitoring curve of bolt 3． 3 地音监测系统预警情况分析 自掘进工作面冲击地压综合监测系统试运行以 来,4-506 工作面胶带巷掘进期间发生的强震顶 和巷道帮部煤体冲击事件均被监测系统捕捉到。 2016-12-16T0849,4-506 运输巷掘进工作 面出现帮部冲击,现象为掘进工作面及后方8 m 范围 内鼓帮,鼓帮量约 300 mm,个别锚杆有轻微翻盘现 象,冲击地压发生时已掘进 912 m,如图 1 所示。 4-506 运输巷掘进工作面帮部冲击时,地音 监测系统布置图如图 12 所示。 图 13 为4-506 运 输巷掘进工作面帮部冲击瞬间地音监测系统捕捉到 的震动波形图。 图 12 掘进工作面地音监测系统布置 Fig． 12 Layout of rock sound monitoring system in heading face 图 14 为各检波器接收帮部冲击震动事件的最大 振幅和到时曲线。 地音监测系统捕捉到事件最大振 幅为 6 号通道的 9 179 mV,其后依次为 1 号通道 的 8 445 mV, 5 号 通 道 的 8 008 mV, 4 号 通 道 的 7 884 mV,3 号通道的 2 859 mV,震动信号传播到 4661 第 5 期朱斯陶等复合厚煤层巷道掘进冲击地压机制及监测预警技术 图 13 地音监测系统捕捉到冲击地压波形 Fig． 13 Rock sound monitoring system captures the wave of the rock burst 2 号通道附近时就能量基本耗散完毕。 各检波器接收到震动信号的到时分别为 1 号通 道的 339 ms,6 号通道的 366 ms,5 号通道的 394 ms, 4 号通道的 431 ms,3 号通道的 452 ms,根据各检波 器的布置位置和震动波形到时可知,此次帮部冲击事 件的震源位于掘进工作面掘进工作面附近,各检波器 接收到震动事件的时长随着检波器与的掘进工作面 的距离增大而增加。 由于地音检波器布置间距约为 50 m,因此各检波器接收震动事件的到时差也呈线性 分布,如图 14 所示。 图 14 各检波器接收冲击地压的最大振幅和到时曲线 Fig． 14 Maximum amplitude and arrival time curve of each geophone receiving the shock ground pressure event 根据对硫磺沟煤矿复合煤层掘进工作面应力、锚 杆索压力和地音监测结果分析,现场发生冲击地压 时,仅有地音监测系统能捕捉到冲击地压信息,应力 和锚杆索压力监测对复合煤层掘进工作面冲击地压 的敏感性较低,其主要原因是复合厚煤层掘进工作面 煤粒弹射、冲击地压等动力现象主要发生在掘进工作 面附近,掘进机割完煤后需等待掘进工作面动力现象 消失后再进行巷道支护和监测设计安装等工作,导致 应力计和锚杆索压力计安装时浅部煤体弹性能已基 本释放完毕。 现场安装的地音监测系统能够将掘进 工作面动压信息全部有效记录,因此复合煤层掘进工 作面冲击地压的实时在线监测预警应以地音监测为 主,其余监测方法可以作为辅助手段。 4 基于“地音大事件”概念的地音监测预警 方法研究 复合厚煤层巷道正常掘进期间,地音事件的来源 主要有以下 3 种① 巷道断面开挖引起的巷道围岩 应力重新分布的过程会产生的震动事件;② 掘进机 割煤、锚杆索支护等现场掘进活动产生的震动事件; ③ 具有冲击危险掘进工作面施工大直径卸压钻孔、 断底爆破孔等卸压活动产生的震动事件。 图 15 为不 同条件下巷道掘进围岩破裂示意。 当工作面正常掘 进时,如图 15a所示,由巷道围岩破裂、正常掘进和 卸压活动产生的地音事件总频次较多,但总能量较 小,其对掘进工作面是否发生冲击地压的影响也较 小;当掘进工作面地质条件发生较大变化时,如图 15b所示,在断层、煤层相变带等地质构造附近易 发生大能量地音事件,这些地音事件发生的总频次相 对较小,但其总能量和单事件平均能量较大,且这些 事件的发生对掘进工作面是否发生冲击地压有较大 影响。 图 15 不同掘进条件下巷道围岩破裂示意 Fig． 15 Schematic diagram of roadway surrounding rock fracture under different driving conditions 硫磺沟煤矿开采 4-5 煤层为复合后煤层,复合 厚煤层掘进期间掘进工作面小能量煤粒弹射现象频 5661 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 繁,大量小能量震动事件严重影响了地音监测预警结 果的准确性。 基于上述分析,笔者提出了“地音大事 件”的概念在掘进工作面地音监测过程中只拾取对 掘进工作面冲击地压有明显影响的地音大能量事件, 这些事件具有的明显特征为发生的总频次相对较低, 但总能量较高。 4． 1 基于“地音大事件”概念的监测预警方法 目前我国矿井常用地音监测系统对冲击地压进 行监测预警的方法主要是某一统计周期的地音频次 和能量的异常率指数[16-17] ψF F Δf F 1 Δf F 3 式中,ΨF为每个统计周期地音总频次的异常率; F 为 每个统计周期地音事件的平均总频次;Δf 为每个统 计周期实际地音事件的总频次与平均频次的差值。 ψE E Δe E 1 Δe E 4 式中,ΨE为每个统计周期地音总能量的异常率; E 为 每个统计周期地音事件的平均总能量;Δe 为每个统 计周期实际地音事件的总能量与平均能量的差值。 由于地音监测系统能够接收围岩破裂、掘进活动 和卸压活动产生的震动事件,硫磺沟煤矿4-506 胶带巷掘进期间每班接收地音事件总数量 1 000 2 000 个,平均总能量近 1106mV,地音事件的平均 总频次 F 和平均总能量 E 均较大。 当掘进工作面因地质条件或掘进条件发生较大 变化导致 Δf 和 Δe 发生明显变化时,由于 F 和 E 均 较大,因此当Δf,Δe发生变化时,ΨF,ΨE的变化 不明显,导致制定的预警指标对掘进工作面实际冲击 危险性不敏感。 图 16 为4-506 胶带巷掘进工作面 2017-02- 10 夜班地音事件统计曲线。 根据统计,4-506 胶 带巷掘进工作面 2017-02-10 夜班共监测到有效地 音事件 1 401 次,总能量为 631 123 mV。 由图 16 可知,在0,1 000 mV 区间内发生地音 事件 1 271 次,总能量为 308 012 mV;在1 000, 2 000 mV 区间内发生地音事件 80 次, 总能量 为 110 720 mV;在2 000,3 000 mV 区间内发生地 音事件 19 次, 总能量为 48 108 mV; 在 3 000, 4 000 mV 区间内发生地音事件 11 次, 总能量 为 38 373 mV;在4 000,5 000 mV 区间内发生地音 事件7 次,总能量为31 665 mV;在5 000,6 000 mV 区间内发生地音事件 5 次,总能量为 27 793 mV; 图 16 4-506 胶带巷掘进工作面 2017-02-10 夜班地 音事件统计曲线 Fig． 16 Statistical curve of rock sound events on the night shift of 2017-02-10 in the heading face of 4-506 tailgate 在6 000,7 000 mV 区间内发生地音事件 1 次,总 能量为 6 838 mV;在7 000,8 000 mV 区间内发生 地音事件 1 次,总能量为 7 564 mV;在8 000 mV 区间内发生地音事件 6 次,总能量为 52 050 mV。 由上述统计可知,在0,1 000 mV 区间内发生 的地音事件占所有地音事件总频次的 90． 7,占总 能量的 48． 8。 根据现场监测结果,4-506 胶带 巷掘进施工、打钻卸压、围岩正常破裂产生的地音事 件能量均在 0 1 000 mV;而掘进期间揭露断层、相 变带等构造时,产生的大能量地音事件能量一般 在 1 000 4 000 mV,掘进工作面发生强烈震顶或冲 击显现时,产生地音事件的最大能量近 10 000 mV。 图 17 为4-506 胶带巷掘进工作面 2017-02- 0602-15 夜班0,1 000 mV区间内地音事件频次 和能量占总频次和总能量的统计曲线,在此期间掘进 工作面平均掘进速度为 10 m/ d。 由图 17 可知,4- 506 胶带巷夜班掘进时在0,1 000 mV区间内发生 的地音事件占所有地音事件总频次的 90． 4,占总 能量的 52． 8。 图 17 4-506 胶带巷掘进工作面地音事件统计曲线 Fig． 17 Statistical curves of rock sound events on the night shift in the heading face of 4-506 tailgate 硫磺沟煤矿复合厚煤层掘进工作面地音监测结 果表明,掘进期间振幅在0,1 000 mV 的地音事件 6661 第 5 期朱斯陶等复合厚煤层巷道掘进冲击地压机制及监测预警技术 均属于小能量事件,本文称之为地音小事件,对于能 量大于 1 000 mV 的地音事件称之为地音大事件。 地 音小事件具有总频次和总能量占比高的特点,对掘进 工作面冲击