CN104454008A - 一种矿井灾害预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矿井灾害预警方法，监测声拾音器所采集到的声发射信号，统计其所产生的发声计数，同时监测钻孔瓦斯涌出的初速度和钻屑量这两个特征参数指标；根据所得的数据，制作声发射信号的发声计数、特征参数指标变化规律及其与异常现象对应的变化曲线图；观测发声计数的变化情况和特征参数指标的变化情况；根据声发射信号变化的前兆特征性，对工作面可能发生的异常情况进行提前预测预警，并实时反映工作面所采取针对性措施的执行情况。本发明捕捉回采过程中动力现象或灾害发生的前兆信息，分析动力现象或灾害发生前后的声发射演化规律，对试验工作面的煤岩瓦斯动力现象或灾害进行综合判识预警。

Description

一种矿井灾害预警方法

技术领域

本发明公开了一种矿井灾害预警方法，涉及矿井灾害防治技术领域。 

背景技术

深部矿井瓦斯含量模型具有呈非线性特性。目前的单一静态预测方法，只能反映煤岩瓦斯动力灾害的某一因素的指标及其变化，但对于深部开采条件下，复杂瓦斯动力灾害是主控因素及控制因素之间的相关关系共同作用的结果，而声发射监测技术正是对主控因素及其这一结果的实时在线监测，可以实现动态的实时超前预测及预警。而这一动态预测技术也正是深部矿井瓦斯动力灾害预测预报的发展趋势。 

AE声发射连续监测深部矿井特殊动力灾害技术是一种非接触式地球物理预测方法，在时间和空间上具有动态、连续性，预测工作无需打钻或打钻工程量较少、不占用专门的作业时间、不影响生产，具有目前普遍采用的传统预测技术所不具有的技术优势，是有潜力的非接触式预测方法，是行业安全监测监控预警的发展趋势，正是矿井安全管理所急需的有效监测技术。 

煤岩体在外界条件（地应力、瓦斯压力等）作用下，其内部将产生局部应力集中现象。由于应力集中区的高能状态不稳定，它必将向稳定的低能状态过渡。在这一过渡过程中，应变能将以应力波的方式快速释放并在煤岩体介质中传播，即煤岩体声发射现象（acoustic emission，简称AE）。位错可能产生微水平的弹性应力波，而孪晶、颗粒界面的移动、裂缝的产生和传播可能产生宏观水平的应力波，岩体受外力或内力作用产生变形或断裂，可能产生很强烈的声发射现象。而有的声发射信号强度很弱，人耳不能直接听见，需要借助灵敏的电子仪器才能检测出来，用仪器检测、记录、分析声发射信号和利用声发射信号推断声发射源以及进行结构破坏趋势预测、煤岩动力灾害的预测预警等的技术称为煤岩体声发射技术。 

声发射是煤岩变形和破裂过程中产生的应力波现象，煤岩变形和破裂的进程与地应力大小、煤岩的强度等有着密切的关系，所以声发射特征参数主要反映工作面前方应力活动情况，当应力处于活跃期时，产生的声发射信号较多，且能量越大，而应力活动处于平静期时，则声发射信号较少甚至接收不到声发射信号。在应力水平较大、煤岩层较软、顶底板破碎的区域（这些区域往往是突出危险区），采掘过程中煤岩的变形和破坏比较容易，此时的声发射活动就较多而且集中，声发射特征参数指标值一般比较高。同时，由于瓦斯压力的存在能够在一定程度上降低煤的破坏强度，在应力水平一定的条件下，减少煤抗破坏的能力，使得声发射特征参数指标值有所增加。所以，声发射特征参数能够不同程度地反映引发突出的地应力、瓦斯和煤的强度性质因素，从而反映出工作面的突出危险性。 

由于煤中原生的和次生的裂隙的强度远低于煤极限粒度的强度，所以，煤在受力时优先在微裂隙产生破坏，表现出沿粒破坏形式，即微裂隙破坏。由于煤体中的微裂隙是随机分布的，不完全是相互连通的。随着载荷的增加，在微裂隙之间的微孔隙上产生满足格里菲斯准则的微孔隙破坏。所以，煤体的破坏形式包括3种：一是微裂隙破坏，二是微孔隙破坏，三是前二者的组合破坏。在这三种破坏中，孔隙和裂隙中存在的瓦斯压力增强了有效正应力，更有利于这种破坏的产生。随着载荷的增加，裂隙破坏进一步扩展，并可能产生分岔现象。裂隙的扩展达到一定程度就停止了，扩展后的裂隙长度取决于最小主应力与最大主应力的比值和原始裂隙长度。煤体的宏观破坏并不一定是单个裂隙的扩展形成的，当作用于裂隙带的剪应力大于抗剪强度时，产生剪切位移，表现出在原裂隙方向上的剪切破坏；另一种情况是，在最大和最小有效应力的作用下，裂隙扩展出现一组分岔稳定裂隙，当裂隙端部产生的局部有效拉应力大于一定值时，分岔的裂隙进一步扩展，造成宏观的张性破坏。 

一般而言，煤岩的破坏过程包括原生裂隙的闭合阶段、新裂隙的产生、扩展及断裂。在煤岩的变形和破裂过程中，声发射的产生可能来自于以下几个方面：①煤岩集团或颗粒之间是靠各种桥键连接的，其键能远小于金属等材料的键能，在外力作用下，当大分子集团和原子的位错、滑移引起桥键的断裂时会产生声发射现象；②煤岩大分子集团之间存在的各种矿物质和胶结物也是靠分子键连接的，其断裂时也会产生声发射；③一部分源生裂隙的扩展和新生裂纹的产生及扩展中也会产生大量的声发射现象；④在裂纹的发展中，彼此之间会产生摩擦和碰撞等，此时也会产生声发射现象；⑤在裂纹扩展到一定程度，引起断裂时，产生的声发射活动会更大、更集中。 

深部矿井瓦斯赋存条件复杂，单一静态方法预测只能反映煤岩瓦斯动力灾害的某一因素的指标及其变化，对于深部开采条件下，复杂瓦斯动力灾害的分析显得无能为力。 

申请号为“201110122451.9”的专利申请“矿井监测方法和设备”中，利用荧光粉进行检测，实际操作效果不理想，作用有限。 

申请号为“201310173434.7”的专利申请“基于混合传感网络的矿井监测系统”中，主要是对监测系统的信号传输处理进行的改进，在具体的监测方法上没有创新。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的缺陷，提供一种矿井灾害预警方法，利用声发射连续监测预警技术在线实时监测工作面的声发射信号特征，捕获动力灾害前兆，进行灾害的有效判识，起到灾害预测预警的作用，提高试验工作面的突出危险预测准确度，为采取有效的针对性的灾害防治措施及工作面的安全回采起到指导作用。 

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案： 

一种矿井灾害预警方法，具体步骤包括：

步骤一、监测声拾音器所采集到的声发射信号，统计其所产生的发声计数，同时监测钻孔瓦斯涌出的初速度和钻屑量这两个特征参数指标；

步骤二、根据步骤一所得的数据，制作声发射信号的发声计数、特征参数指标变化规律及其与异常现象对应的变化曲线图；

步骤三、根据步骤二得到的曲线图观测发声计数的变化情况和特征参数指标的变化情况，其中，发声计数的变化情况反映工作面顶板及煤体的活动性，特征参数指标的变化情况反应顶板活动过程中导致煤岩体的能量释放；

步骤四、根据声发射信号变化的前兆特征性，对工作面可能发生的异常情况进行提前预测预警，并实时反映工作面所采取针对性措施的执行情况。

作为本发明的进一步优选方案，所述声拾音器的设置采用孔底安装方式。 

作为本发明的进一步优选方案，所述孔底安装方式具体为：采用水泥注浆和叉式固定的安装方式，孔径φ70mm，孔深18m。 

作为本发明的进一步优选方案，所述声拾音器的设置采用波导器安装方式：声拾音器通过特制接头安装在巷道顶板上的矿用标准高强锚杆上。 

作为本发明的进一步优选方案，随着工作面的回采，每间隔50m 作为一个循环，将声拾音器依次后退安装。 

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：在本发明所公开的基于声发射监测技术的矿井灾害防治系统及实现方法中，声发射指标能够很好地超前反映工作面前方存在的异常情况，敏感性明显优于工作面执行的常规校检指标，且提前捕捉了工作面灾害的发生前兆信息，并提前近一个班的时间给出了警示。 

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。 

本技术领域技术人员可以理解的是，本发明中涉及到的相关模块及其实现的功能是在改进后的硬件及其构成的装置、器件或系统上搭载现有技术中常规的计算机软件程序或有关协议就可实现，并非是对现有技术中的计算机软件程序或有关协议进行改进。例如，改进后的计算机硬件系统依然可以通过装载现有的软件操作系统来实现该硬件系统的特定功能。因此，可以理解的是，本发明的创新之处在于对现有技术中硬件模块的改进及其连接组合关系，而非仅仅是对硬件模块中为实现有关功能而搭载的软件或协议的改进。 

本技术领域技术人员可以理解的是，本发明中提到的相关模块是用于执行本申请中所述操作、方法、流程中的步骤、措施、方案中的一项或多项的硬件设备。所述硬件设备可以为所需的目的而专门设计和制造，或者也可以采用通用计算机中的已知设备或已知的其他硬件设备。所述通用计算机有存储在其内的程序选择性地激活或重构。 

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。 

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。 

下面对本发明的技术方案做进一步的详细说明： 

一种矿井灾害预警方法，具体步骤包括：

步骤一、监测声拾音器所采集到的声发射信号，统计其所产生的发声计数，同时监测钻孔瓦斯涌出的初速度和钻屑量这两个特征参数指标；

步骤二、根据步骤一所得的数据，制作声发射信号的发声计数、特征参数指标变化规律及其与异常现象对应的变化曲线图；

步骤三、根据步骤二得到的曲线图观测发声计数的变化情况和特征参数指标的变化情况，其中，发声计数的变化情况反映工作面顶板及煤体的活动性，特征参数指标的变化情况反应顶板活动过程中导致煤岩体的能量释放；

步骤四、根据声发射信号变化的前兆特征性，对工作面可能发生的异常情况进行提前预测预警，并实时反映工作面所采取针对性措施的执行情况。

作为本发明的进一步优选方案，所述声拾音器的设置采用孔底安装方式。 

作为本发明的进一步优选方案，所述孔底安装方式具体为：采用水泥注浆和叉式固定的安装方式，孔径φ70mm，孔深18m。 

作为本发明的进一步优选方案，所述声拾音器的设置采用波导器安装方式：声拾音器通过特制接头安装在巷道顶板上的矿用标准高强锚杆上。 

作为本发明的进一步优选方案，随着工作面的回采，每间隔50m 作为一个循环，将声拾音器依次后退安装。 

综合以上可以看出，声发射指标能够很好地超前反映工作面前方存在的异常情况，敏感性明显优于工作面执行的常规校检指标，且提前捕捉了工作面灾害的发生前兆信息，并提前近一个班的时间给出了警示。 

上面对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。 

Claims (5)

1.一种矿井灾害预警方法，其特征在于，具体步骤包括：

步骤一、监测声拾音器所采集到的声发射信号，统计其所产生的发声计数，同时监测钻孔瓦斯涌出的初速度和钻屑量这两个特征参数指标；

步骤二、根据步骤一所得的数据，制作声发射信号的发声计数、特征参数指标变化规律及其与异常现象对应的变化曲线图；

步骤三、根据步骤二得到的曲线图观测发声计数的变化情况和特征参数指标的变化情况，其中，发声计数的变化情况反映工作面顶板及煤体的活动性，特征参数指标的变化情况反应顶板活动过程中导致煤岩体的能量释放；

步骤四、根据声发射信号变化的前兆特征性，对工作面可能发生的异常情况进行提前预测预警，并实时反映工作面所采取针对性措施的执行情况。

2.如权利要求1所述的一种矿井灾害预警方法，其特征在于：所述声拾音器的设置采用孔底安装方式。

3.如权利要求2所述的一种矿井灾害预警方法，其特征在于，所述孔底安装方式具体为：采用水泥注浆和叉式固定的安装方式，孔径φ70mm，孔深18m。

4.如权利要求1所述的一种矿井灾害预警方法，其特征在于，所述声拾音器的设置采用波导器安装方式：声拾音器通过特制接头安装在巷道顶板上的矿用标准高强锚杆上。

5.如权利要求1所述的一种矿井灾害预警方法，其特征在于：随着工作面的回采，每间隔50m 作为一个循环，将声拾音器依次后退安装。