CN106501857B - 一种煤矿巷道冲击地压危险性的声学监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤矿巷道冲击地压危险性的声学监测方法，通过设置激振器向煤体发射特征振动波信号，通过设置检波器拾取在所述煤体中传播的振动波，根据初到时间差计算两相邻检波器间煤体的纵波波速；在采煤过程中，通过计算随着回采工作面推进相应煤体区域内纵波波速的变化率，根据煤岩冲击危险性与纵波波速变化率间的对数关系，计算相应的冲击地压危险性指数，并将冲击地压危险性指数分级，可精准确定冲击地压危险区域、危险等级，而且操作简单、成本低廉，具有较好的适用性，对于选择合理的防治措施、保障工作面安全高效开采具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种冲击地压危险性的监测方法，具体是一种煤矿工作面回采过程中巷道冲击地压危险性的声学监测方法。
背景技术
冲击地压是煤矿开采中最常见的动力灾害之一，是由煤岩体中积聚的弹性变形能大量急剧释放而导致的，发生前一般没有明显的宏观预兆，随着开采深度的增加，冲击地压灾害愈发严重，尤其是在采掘巷道附近，发生次数大概占80％，会造成煤岩体破坏冲出并堵塞巷道、人员伤亡、设备损坏等严重后果，还可能诱发瓦斯突出、突水等其他煤矿动力灾害，因此，实时准确地监测煤矿巷道冲击地压危险性等级对于制定科学合理的防治措施、保障煤炭安全高效开采具有重要意义。
目前，监测冲击地压危险性的常用方法主要有钻屑法、电磁辐射法、微震法、波速梯度法等，但电磁辐射法和微震法监测数据易受干扰、不精细，且设备成本高；钻屑法只能监测局部点的危险性，无法对整个煤体进行实时监测；波速梯度法无法精确确定冲击地压位置和等级。
发明内容
发明目的：本发明的目的是克服现有常用方法的不足和局限，基于声学测试手段，通过监测振动波在回采工作面前方不同煤体区域中速度的变化规律，分析煤矿巷道冲击地压危险性，提供一种操作简便、成本较低、可实现大区域精细化实时监测的煤矿巷道冲击地压危险性分级方法。
技术方案：
一种煤矿巷道冲击地压危险性的声学监测方法，包括步骤：
a.在回采工作面前方煤矿巷道布置一防爆声波仪，在煤矿巷道煤壁表面布置与防爆声波仪通过导线相连的间隔设置的若干个检波器和一激振器，将煤体划分为若干煤体区域；所述激振器位于所述检波器中间；
b.通过所述激振器向煤体发射特征振动波信号，并通过所述检波器拾取在所述煤体中传播的振动波，将振动信号实时发送给防爆声波仪，根据初到时间差计算两相邻检波器间煤体区域的纵波波速，具体公式为：
上式中：VS为某煤体区域距离回采工作面为S时的纵波波速，l为煤体区域两侧检波器间距，Δt为两检波器纵波初到时间差；
c.采煤机每推进一刀，重复一次步骤b，并计算各个煤体区域内纵波波速随着回采工作面推进距离的变化率，具体公式为：
上式中：VS′为某煤体区域距离回采工作面为S时的纵波波速变化率，VS+ΔS为此区域煤体距离回采工作面为S+ΔS时的纵波波速，ΔS为采煤机推进一刀的割煤深度；
d.根据煤岩冲击危险性与纵波波速变化率间的对数关系，计算相应的冲击地压危险性指数，具体公式为：
上式中：R为某煤体区域距离回采工作面为S时的冲击地压危险性指数，V0为无扰动煤岩的纵波波速，由距离回采工作面较远时的纵波波速代替，a、b为煤岩材料常数，由单轴压缩试验确定。
随着回采工作面的推进，将检波器和激振器的位置平行移动，重复步骤a、b、c、d，对回采工作面前方区域煤体在采动过程中的冲击危险性进行实时监测。
在所述检波器和所述激振器位置向煤壁钻入长度为2～5m的波导杆，将所述检波器和所述激振器安装至所述波导杆的外端部，用耦合剂耦合，并用胶带固定。
根据步骤d的计算结果对所述冲击地压危险性分级：若R≥5时，区域煤体为强冲击危险性；若2≤R＜5时，区域煤体为中等冲击危险性；若0.5≤R＜2时，区域煤体为弱冲击危险性；若R＜0.5时，区域煤体无冲击危险性。
所述检波器数量为6～8个；所述间隔设置的间隔为5～8m。
有益效果：在工作面回采过程中，煤矿巷道冲击地压危险性主要受煤岩冲击倾向性、地应力等的综合影响，地应力与纵波波速相关，而煤岩冲击倾向性与纵波波速变化率有关，由于回采工作面位置不断向前移动，工作面前方煤体的冲击倾向性和地应力分布也在不断变化，冲击危险性也在动态变化，长期以来很难实时监测。采用上述技术方案，本发明利用煤体纵波波速随工作面回采距离的变化率与冲击地压危险性之间的对数关系，通过监测煤体距工作面不同距离时的纵波波速，实现了对工作面前方大范围煤体冲击地压危险性的实时监测，精准找到冲击地压危险区域，并分为强、中等、弱和无危险性4个等级，对于选择合理的防治措施、保障工作面安全高效开采具有重要意义。与现有常用技术方法相比，本发明可克服钻屑法只能监测局部点危险性的局限性，也可避免电磁辐射法和微震法监测数据易受干扰、不精细和设备成本高的缺陷，与波速梯度法相比，本方法可精准确定冲击地压危险区域、危险等级，而且操作简单、成本低廉，具有较好的适用性。
附图说明
图1是本发明的煤矿回采工作面前方巷道冲击地压危险性的声学监测方法示意图。
图中：1-回采工作面，2-煤矿巷道，3-防爆声波仪，4～9-检波器，10-激振器，11～17-波导杆，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ-煤体监测区域。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
a.在回采工作面1前方煤矿巷道2布置一台防爆声波仪3，在煤矿巷道2煤壁表面布置与防爆声波仪3通过导线相连的检波器4～9和激振器10，激振器10位于检波器4～9中间，将煤体划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ区域；防爆声波仪3调制振动波波形，检波器4～9实时接收沿煤体传播的振动波信号，激振器10发射防爆声波仪3所调制的振动波信号；
b.为避开巷道松动圈的影响，在检波器4～9和激振器10位置向煤壁钻入长度为2～5m的波导杆11～17，将检波器4～9和激振器10安装至波导杆11～17外端部，用耦合剂耦合，并用胶带固定紧密，使检波器4～9和激振器10能实时无损地接收和发送振动波信号；
c.在采煤机开始新一次作业循环前，由防爆声波仪3调制振动波，激振器10经波导杆17向煤体发射特征振动波信号，检波器4～9经波导杆11～16拾取在煤体中传播的振动波，由防爆声波仪3内置软件根据初到时间差计算两相邻检波器间煤体(即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ区域)的纵波波速，具体公式为：
上式中：VS为距离回采工作面为S的煤体区域的纵波波速，l为此区域煤体两侧检波器间距，Δt为两检波器纵波初到时间差；
d.采煤机每推进一刀，即采煤机从工作面的一端采到另一端，重复一次步骤c，并计算随着工作面推进Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ区域煤体内纵波波速的变化率，具体公式为：
上式中：VS′为某煤体区域距离回采工作面为S时的纵波波速变化率，VS+ΔS为此区域煤体距离回采工作面为S+ΔS时的纵波波速，ΔS为采煤机推进一刀的割煤深度；
e.振动信号沿不同区域煤体传播的纵波波速不同，表明不同区域煤体地应力状态不同，而纵波波速随回采工作面推进距离的变化率不同，则表明不同区域煤体冲击危险性不同，煤体中纵波波速变化越剧烈，此区域煤体冲击危险性越大。根据煤岩冲击危险性与纵波波速变化率间的对数关系，可由煤体纵波波速变化率，计算相应煤体区域的冲击地压危险性指数，具体公式为：
上式中：R为某煤体区域距离回采工作面为S时的冲击地压危险性指数，V0为无扰动煤岩的纵波波速，可由距离回采工作面较远时的纵波波速代替，a、b为煤岩材料常数，由单轴压缩试验确定；
若R≥5时，此区域煤体为强冲击危险性；若2≤R＜5时，为中等冲击危险性；若0.5≤R＜2时，为弱冲击危险性；若R＜0.5时，无冲击危险性；可根据冲击危险性等级，确定合理的治理措施；
f.随着回采工作面的推进，当工作面推进到检波器4时，将检波器4～9和激振器10的位置平行移动，重复步骤a、b、c、d、e，即可对回采工作面前方各区域煤体在采动过程中的冲击危险性进行实时监测。
在本发明中，检波器的数量为6～8个，相邻检波器间距离为5～8m,激振器与其相邻的检波器间距离也为5～8m。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种煤矿巷道冲击地压危险性的声学监测方法，其特征在于：包括步骤：
a.在回采工作面前方煤矿巷道布置一防爆声波仪，在煤矿巷道煤壁表面布置与防爆声波仪通过导线相连的间隔设置的若干个检波器和一激振器，将煤体划分为若干煤体区域；所述激振器位于所述检波器中间；
b.所述防爆声波仪调制振动波波形，并通过所述激振器向煤体发射特征振动波信号，所述检波器拾取在所述煤体中传播的振动波并发送至所述防爆声波仪，所述防爆声波仪根据初到时间差计算两相邻检波器间煤体区域的纵波波速，具体公式为：
上式中：VS为某煤体区域距离回采工作面为S时的纵波波速，l为煤体区域两侧检波器间距，Δt为两检波器纵波初到时间差；
c.采煤机每推进一刀，重复一次步骤b，并计算随着回采工作面推进各个煤体区域内纵波波速的变化率，具体公式为：
上式中：VS′为某煤体区域距离回采工作面为S时的纵波波速变化率，VS+ΔS为此区域煤体距离回采工作面为S+ΔS时的纵波波速，ΔS为采煤机推进一刀的割煤深度；
d.根据煤岩冲击危险性与纵波波速变化率间的对数关系，计算相应的冲击地压危险性指数，具体公式为：
上式中：R为某煤体区域距离回采工作面为S时的冲击地压危险性指数，V0为无扰动煤岩的纵波波速，由距离回采工作面较远时的纵波波速代替，a、b为煤岩材料常数，由单轴压缩试验确定。
2.根据权利要求1所述的煤矿巷道冲击地压危险性的声学监测方法，其特征在于：随着回采工作面的推进，将检波器和激振器的位置平行移动，重复步骤a、b、c、d，对回采工作面前方区域煤体在采动过程中的冲击危险性进行实时监测。
3.根据权利要求1所述的煤矿巷道冲击地压危险性的声学监测方法，其特征在于：在所述检波器和所述激振器位置向煤壁钻入长度为2～5m的波导杆，将所述检波器和所述激振器安装至所述波导杆的外端部，用耦合剂耦合，并用胶带固定。
4.根据权利要求1所述的煤矿巷道冲击地压危险性的声学监测方法，其特征在于：根据步骤d的计算结果对所述冲击地压危险性分级：若R≥5时，区域煤体为强冲击危险性；若2≤R＜5时，区域煤体为中等冲击危险性；若0.5≤R＜2时，区域煤体为弱冲击危险性；若R＜0.5时，区域煤体无冲击危险性。
5.根据权利要求1所述的煤矿巷道冲击地压危险性的声学监测方法，其特征在于：所述检波器数量为6～8个；所述间隔设置的间隔为5～8m。
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