CN104018790A - 基于地音监测的巷道冲击地压预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于地音监测的巷道冲击地压预警方法。包括在具有潜在冲击危险的区域布置两个地音探头，间距为100-150m，第一个探头距离回采工作面端头或掘进工作面迎头的距离≥30m，随着工作面的推进，两个探头交替向前移动；检测探头安装及探头隔音是否合格；进行地音活动的实时监测；选取地音频次较低的探头监测到能量和频次作为该监测区域的地音活动能量和频次值；确定工作面是属于生产期间还是非生产期间；计算得到生产期间或非生产期间的小时或班地音能量和频次异常系数；选取异常系数较大的指标值进行冲击危险性评价。该方法对促进冲击地压预测预报与防治技术的发展将起到积极作用，技术、经济、安全效益显著。

Description

基于地音监测的巷道冲击地压预警方法

技术领域

本发明涉及一种煤矿巷道冲击危险性评价的方法，具体为一种基于地音监测的巷道冲击地压预警方法，主要用于有冲击地压灾害矿井巷道冲击危险性评价和冲击地压短期、临震预警，用于指导煤矿巷道冲击地压的解危和撤离相关的人员和设备。

背景技术

冲击地压是煤矿深部开采面临的主要灾害之一，据不完全统计，2000年～2012年期间，全国煤矿共发生冲击地压事故304起，伤亡人数509人。随着煤矿开采深度的不断增加，冲击地压灾害以及由此引起的一系列事故如瓦斯、突水及矿震等等也变得越来越严重和普遍。只有实现对冲击危险性的可靠监测和预报，进而排除事故隐患，才能提高煤矿井下生产安全性，最大限度的减少人员伤亡和财产损失。

目前国内基于现场监测对冲击地压进行预测预报的方法主要有电磁辐射法、煤体应力法、地音法、微震法和钻屑法。钻屑法是最原始的手段，具有时空不连续性，工作量大，数据不可靠，预测准确率低；微震法监测的是高能量的煤岩破裂事件，只能应用于冲击地压危险区域划分和中长期冲击危险趋势的判断，而不能实现短期预警；煤体应力监测和电磁辐射监测虽然能实现对冲击地压的连续和即时预警，但煤体应力监测属于点监测，范围较小，且煤岩应力状态不是决定冲击地压发生的充分条件；电磁辐射主要根据围岩电磁辐射强度来监测和预测冲击地压，但井下各种电信号往往对监测数据产生很大干扰，容易造成结果的不确定性。与上述方法相比，地音法的优点是监测范围大，前兆信息丰富且不易受干扰，该手段可提供冲击地压的重要前兆信息。通过地音监测系统对潜在的冲击危险区域开展实时动态监测，可获得冲击地压发生前煤岩裂隙的产生、发展的动态信息，根据监测系统提供地音事件、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，进而判断监测区域的冲击危险等级。地音监测是目前冲击地压短期、临震预警技术中最先进和最有发展前景的技术手段之一。

但是，目前国内对基于地音监测的冲击地压预测预报研究还处于摸索阶段，对冲击地压地音前兆特征、冲击危险性评价理论、准则和预警指标等研究还很欠缺。如何建立地音评价冲击危险性的依据和准则，如何选择有预测意义且灵敏的指标并确定预警指数是实现冲击地压短期、临震预警的关键。

发明内容

当前冲击地压预测预报特别是短期预警是岩石力学领域的一个世界性难题，国内目前在这方面的研究工作大多还属于经验性的、定性的预测，可操作性不高。目前，基于电磁辐射监测、煤体应力监测的冲击地压预测预报已进行了较多研究，但预测成功率还有待提高。地音监测是近几年来在冲击地压监测和预报方面发展较快的技术，已经逐步成为煤矿冲击地压实时动态监测的主要手段之一，基于地音监测结果进行冲击危险性的合理评价和可靠预警是目前迫切需要解决的问题，也是提高我国冲击地压研究工作水平的一个重要突破口。

本发明的目的是提供一种用于煤矿巷道冲击危险性评价和冲击地压预测预报的新方法。由于地音监测具有实时监测的特点，且能获得监测区域300m半径范围内煤岩破裂信息，因此监测信息具有连续性且范围广，基于监测数据的分析能直接反映煤岩受力破坏状态，受外界干扰小。

一种基于地音监测的巷道冲击地压预警方法，包括如下步骤：

(1)在具有潜在冲击危险的区域布置地音探头，每个区域布置两个地音探头，探头安装在锚杆露头位置，两探头间距为100-150m，第一个探头距离回采工作面端头或掘进工作面迎头的距离≥30m，随着工作面的推进，两个探头交替向前移动；

(2)检测探头安装及探头隔音是否合格；

(3)采用地音监测系统进行地音活动的实时监测，系统自动统计各探头每分钟地音活动的能量和频次；对比监测区域内的两个探头每分钟的地音频次，选取地音频次较低的探头监测到能量和频次作为该分钟内所在监测区域的地音活动能量和频次值；

(4)确定工作面是属于生产期间(开采时间段)还是非生产期间；

(5)根据监测区域内每分钟的地音活动能量和频次计算每小时或每班次地音活动的能量和频次，同时结合井下是否生产，分别计算得到生产期间或非生产期间的小时或班地音能量和频次异常系数；

(6)选取小时或班地音能量和频次异常系数较大的指标值进行冲击危险性评价。

步骤(1)中，所述探头的安装地点与监测区域间不存在干扰弹性波传播的地质破碎区，所述的地质破碎区包括工作面、断层、采空区等。

所述的锚杆直径为所述的锚杆深入煤岩体内的长度≥1.5m。

步骤(2)中，检测探头安装是否合格的方法为：用锤头在距离探头5m-20m的其他锚杆上进行敲击；如果接收到所有敲击测试信号，则探头安装合格。

检测安装在锚杆上的探头隔音是否合格的方法为：用锤头在距离探头＜5m的其他锚杆上进行敲击；如果5m之内的噪音不会被记录，则安装在锚杆上的探头隔音合格。锤头的重量为3.5kg。

步骤(4)中，确定工作面是属于生产期间还是非生产期间的方法为：通过W_P参数对工作面生产期间和非生产期间进行划分，W_t是一定工作时间单元内该参数的平均值，当W_P>aW_t时该段时间为生产期间，通常a取0.2，W_P参数为产量、推进度、采煤机开机时间或电能消耗的数值。W_P是一定时间内(一个班或一个小时)的数量，W_P和W_t时间相同。

步骤(5)中，生产期间或非生产期间的班或小时地音能量和频次异常系数为以下8个指标值：

1)生产期间，班地音频次异常系数——k_azw

2)非生产期间，班地音频次异常系数——k_azn

3)生产期间，小时地音频次异常系数——k_ahw

4)非生产期间，小时地音频次异常系数——k_ahn

5)生产期间，班地音能量异常系数——k_ezw

6)非生产期间，班地音能量异常系数——k_ezn

7)生产期间，小时地音能量异常系数——k_ehw

8)非生产期间，小时地音能量异常系数——k_ehn

上述8个指标值的计算方法，以k_azw和k_ezw为例，其计算过程如下：

$k_{\mathrm{azw}}=|\frac{N_{\mathrm{azw}}-\stackrel{\‾}{N_{\mathrm{azw}}}*100\%}{N_{\mathrm{azw}}}*100\%|$

式中：

N_azw：生产期间，当前班的地音频次值；

前10个生产班地音频次的平均值。

$k_{\mathrm{ezw}}=|\frac{E_{\mathrm{ezw}}-\stackrel{\‾}{E_{\mathrm{ezw}}}*100\%}{E_{\mathrm{ezw}}}*100\%|$

式中：

E_ezw：生产期间，当前班的地音能量值；

前10个生产班地音能量的平均值。

参照上述公式，可依次计算其他6个指标值。

步骤(6)中，进行冲击危险性评价的评价标准如表1所示。根据异常系数划分四个危险等级，无危险：<0.25，弱危险：0.25-1.0，中等危险：1.0-2.0，强危险：>2.0。

表1冲击危险性评价表

如果上一个班结束时，监测区域内冲击危险等级为a和b，则本班次只进行班危险等级评价，否则还需要计算每小时的地音能量和频次异常系数，并根据表1进行小时冲击危险性评价，根据评价结果采取相应的防治对策。

通过上述方法，实现了对监测区域的冲击危险性进行分级评价和短期预警。

本发明的优点：地音法是冲击地压短期预测预报中最有发展前景的技术，但目前国内有关地音评价及预警技术的研究还基本处于空白状态。该方法对将提高地音监测系统在我国冲击地压矿井中的应用水平，对促进冲击地压预测预报与防治技术的发展将起到积极作用，技术、经济、安全效益显著。

下面通过具体实施方式对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。

附图说明

图1为本发明方法中地音监测布置示意图。

具体实施方式

本发明基于地音监测的巷道冲击地压预警方法，具体步骤包括：

Ⅰ在具有潜在冲击危险的区域布置地音探头，安装地点与监测区域间不得存在干扰弹性波传播的地质破碎区(例如：工作面、断层、采空区等)。针对每个区域布置的地音探头数量为两个，探头应安装在的锚杆露头位置，锚杆深入煤岩体内的长度不得小于1.5m，锚杆露出煤岩体的高度(外露高度)一般为20-30mm。两探头间距为100-150m，第一个探头距离回采工作面端头或掘进工作面迎头的距离不得小于30m。随着工作面的推进，两个探头交替向前移动。如图1所示，随着工作面不断的向探头推进，当工作面距离最近的那个探头的距离小于30m时就应将最近的这个探头移到另一个探头后方，两个探头交替向前移动。

Ⅱ用重3.5kg的锤头在距离探头5m以外(不超过20m)和5m以内的其他锚杆上进行敲击，如果能够接收到所有5m以外敲击测试信号，说明探头安装合格。如果5m之内的噪音不会被记录，则安装在锚杆上的探头隔音合格。一般抡锤高度为0.3-0.5m。

Ⅲ采用ARES-5/E地音监测系统，进行地音活动的实时监测，系统自动统计各探头每分钟地音活动的能量和频次。对比监测区域内的两个探头每分钟的地音频次，选取地音频次较低的探头监测到能量和频次作为该分钟内所在监测区域的地音活动能量和频次值。

Ⅳ确定工作面是否属于开采时间段，通过W_P参数(例如：产量、推进度、采煤机开机时间、电能消耗)来对工作面生产期间和非生产期间进行划分，W_t是一定工作时间单元内参数的平均值，W_P>aW_t则可以认为该段时间为生产期间，通常a取0.2。

W_P参数可从产量、推进度、采煤机开机时间和电能消耗的数值中任选一种，W_P是一定时间内(一个班或一个小时)的数量，W_t是一定工作时间单元内该参数的平均值，W_P和W_t时间相同，比如W_t为工作面每班(一般为8小时)的平均煤炭产量，W_P为要进行评价的这个班的煤炭产量。

Ⅴ根据上述监测区域内每分钟的地音活动能量和频次可计算每小时或每班次地音活动的频次和能量，同时结合井下是否生产，通过计算可得到以下8个指标值：

(1)生产期间，班地音频次异常系数——k_azw

(2)非生产期间，班地音频次异常系数——k_azn

(3)生产期间，小时地音频次异常系数——k_ahw

(4)非生产期间，小时地音频次异常系数——k_ahn

(5)生产期间，班地音能量异常系数——k_ezw

(6)非生产期间，班地音能量异常系数——k_ezn

(7)生产期间，小时地音能量异常系数——k_ehw

(8)非生产期间，小时地音能量异常系数——k_ehn

以k_azw和k_ezw为例，其计算过程如下：

$k_{\mathrm{azw}}=|\frac{N_{\mathrm{azw}}-\stackrel{\&OverBar;}{N_{\mathrm{azw}}}*100\%}{N_{\mathrm{azw}}}*100\%|$

$k_{\mathrm{ezw}}=|\frac{E_{\mathrm{ezw}}-\stackrel{\&OverBar;}{E_{\mathrm{ezw}}}*100\%}{E_{\mathrm{ezw}}}*100\%|$

式中：

E_ezw、N_azw——生产期间，当前班的地音能量和频次值；

——前10个生产班地音能量和频次的平均值。

参照上述公式，可依次计算其他6个指标值。

Ⅵ选取班(或小时)能量和频次异常系数较大的指标值进行冲击危险性评价。评价一个班的危险状态，这个班为生产班，那么评价参数有两个，分别是k_azw和k_ezw，即生产班期间频次异常系数和生产班期间的能量异常系数，根据上述公式可计算分别获得一个值(大于0)，取两个数值中的大值进行评价。

按照表1所示的评价标准，根据指标值的大小划分如表1所示的4个等级，每个等级代表不同的危险状态，a级为最低，d级为最高，根据不同的危险等级需要制定不同的防治对策，以确保安全生产。

如果上一个班结束时，监测区域内冲击危险等级为a和b，则本班次只进行班危险等级评价，否则还需要计算每小时的地音能量和频次异常系数，并根据表1进行小时冲击危险性评价，根据评价结果采取相应的防治对策。这样就实现了对监测区域的冲击危险性进行分级评价和短期预警了。

假设某一回采工作面需要进行地音监测与危险评价，地音布置示意图为图1所示，工作面是不断向前移动的，地音监测区域为工作面前方150-300m左右范围(虚线部分)。

当前班，即某日早班(8:00-16:00)，工作面生产煤炭W_p为120吨，该工作面班平均煤炭产量W_t为1000吨，由于W_P<aW_t，则可判定本班为非生产班。

根据地音监测结果，该班发生地音事件总数(即地音频次)为1500个，该班地音累积能量为100000J，而该班前10个非生产班的地音频次和能量的平均值分别为1000个/班，150000J，则：

$k_{\mathrm{azn}}=|\frac{N_{\mathrm{azn}}-\stackrel{\&OverBar;}{N_{\mathrm{azn}}}\&times;100\%}{N_{\mathrm{azn}}}\&times;100\%|=|\frac{1500-1000}{1000}\&times;100\%|=0.5$

$k_{\mathrm{ezn}}=|\frac{E_{\mathrm{ezn}}-\stackrel{\&OverBar;}{E_{\mathrm{ezn}}}\&times;100\%}{E_{\mathrm{ezn}}}\&times;100\%|=|\frac{100000-150000}{150000}\&times;100\%|=0.33$

式中：

E_ezn、N_azn——非生产期间，当前班的地音能量和频次值；

——前10个非生产班地音能量和频次的平均值。

由于：kazn>kezn，所以取kazn为最终的评价指标，根据表1可以判定此时的危险等级为b级，即弱危险，应根据该等级采取对应的防治对策。

由于采用班次进行危险评价的时间间隔较长(循环时间为一个班，一般为8个小时)，当上一个班的危险等级为c和d级时，从确保安全角度考虑，本班开采过程中的危险评价需要进行以小时为移动步长，即每隔一个小时评价一次危险状况，评价方法与班次是相同的。

通过本发明方法，采用地音能量和频次异常系数进行冲击危险性评价和冲击地压短期预警，可操作性高，能够获得冲击危险性的合理评价和可靠预警，提高了我国冲击地压研究工作水平。

Claims (9)

1.一种基于地音监测的巷道冲击地压预警方法，包括如下步骤：

(1)在具有潜在冲击危险的区域布置地音探头，每个区域布置两个地音探头，探头安装在锚杆露头位置，两探头间距为100-150m，第一个探头距离回采工作面端头或掘进工作面迎头的距离≥30m，随着工作面的推进，两个探头交替向前移动；

(2)检测探头安装及探头隔音是否合格；

(3)采用地音监测系统进行地音活动的实时监测，系统自动统计各探头每分钟地音活动的能量和频次；对比监测区域内的两个探头每分钟的地音频次，选取地音频次较低的探头监测到能量和频次作为该分钟内所在监测区域的地音活动能量和频次值；

(4)确定工作面是属于生产期间还是非生产期间；

(5)根据监测区域内每分钟的地音活动能量和频次计算每小时或每班次地音活动的能量和频次，同时结合井下是否生产，分别计算得到生产期间或非生产期间的小时或班地音能量和频次异常系数；

(6)选取小时或班地音能量和频次异常系数较大的指标值进行冲击危险性评价。

2.根据权利要求1所述的基于地音监测的巷道冲击地压预警方法，其特征在于：所述探头的安装地点与监测区域间不存在干扰弹性波传播的地质破碎区，所述的地质破碎区包括工作面、断层和采空区。

3.根据权利要求1所述的基于地音监测的巷道冲击地压预警方法，其特征在于：所述的锚杆直径为20mm，所述的锚杆深入煤岩体内的长度≥1.5m。

4.根据权利要求1所述的基于地音监测的巷道冲击地压预警方法，其特征在于：检测探头安装是否合格的方法为用锤头在距离探头5m-20m的其他锚杆上进行敲击；如果接收到所有敲击测试信号，则探头安装合格。

5.根据权利要求1所述的基于地音监测的巷道冲击地压预警方法，其特征在于：检测探头隔音是否合格的方法为用锤头在距离探头＜5m的其他锚杆上进行敲击；如果5m之内的噪音不被记录，则安装在锚杆上的探头隔音合格。

6.根据权利要求1所述的基于地音监测的巷道冲击地压预警方法，其特征在于：确定工作面是属于生产期间还是非生产期间，通过W_P参数对工作面生产期间和非生产期间进行划分，W_P为产量、推进度、采煤机开机时间或电能消耗的数值，W_t是一定工作时间单元内该参数的平均值，当W_P>aW_t时该段时间为生产期间，a为0.2。

7.根据权利要求1所述的基于地音监测的巷道冲击地压预警方法，其特征在于：生产期间班地音频次异常系数k_azw的计算公式为：

$k_{\mathrm{azw}}=|\frac{N_{\mathrm{azw}}-\stackrel{\&OverBar;}{N_{\mathrm{azw}}}*100\%}{N_{\mathrm{azw}}}*100\%|$

式中：

N_azw：生产期间，当前班的地音频次值；

前10个生产班地音频次的平均值。

8.根据权利要求1所述的基于地音监测的巷道冲击地压预警方法，其特征在于：生产期间班地音能量异常系数k_ezw的计算公式为：

$k_{\mathrm{ezw}}=|\frac{E_{\mathrm{ezw}}-\stackrel{\&OverBar;}{E_{\mathrm{ezw}}}*100\%}{E_{\mathrm{ezw}}}*100\%|$

式中：

E_ezw：生产期间，当前班的地音能量值；

前10个生产班地音能量的平均值。

9.根据权利要求1所述的基于地音监测的巷道冲击地压预警方法，其特征在于：根据异常系数划分四个危险等级，无危险：<0.25，弱危险：0.25-1.0，中等危险：1.0-2.0，强危险：>2.0。