基于地音监测技术的多类型冲击地压前兆特征研究_陆闯.pdf

第 5 卷第 1 期 采矿与岩层控制工程学报 Vol.5 No.1 2023 年 2 月 JOURNAL OF MINING AND STRATA CONTROL ENGINEERING Feb.2023 013026-1 陆闯，王元杰，陈法兵，等.基于地音监测技术的多类型冲击地压前兆特征研究J.采矿与岩层控制工程学报，2023，5(1)：013026.LU Chuang，WANG Yuanjie，CHEN Fabing，et al.Study on the precursor characteristics of rockbursts based on acoustic emission monitoring technologyJ.Journal of Mining and Strata Control Engineering，2023，5(1)：013026.基于地音监测技术的多类型冲击地压前兆特征研究 陆 闯1,2,3，王元杰1,2,3,4，陈法兵1,2,3，李 岩1,2,3，夏永学1,2,3，刘 宁1,2,3 (1.中煤科工开采研究院有限公司，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；3.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013；4.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116)摘 要：针对煤矿多类型冲击地压地音监测预警问题，基于冲击地压启动理论和现场地音监测数据，分析了不同类型冲击地压的失稳启动机制，得出冲击地压发生前煤岩体应力变化主要分为持续加载型、动静加载型和循环加卸载型3种；结合实验室煤岩体全应力-应变曲线与声发射监测数据，对煤岩体试件破坏前发生3种类型应力变化的地音前兆特征进行了细化研究，并通过现场实测数据，对3种不同类型冲击地压失稳破坏前地音活动演化规律进行了分析。结果表明：现场冲击地压发生前地音活动演化规律与实验室煤岩体试件破坏前地音前兆特征具有一致性。因此，基于地音监测技术的多类型冲击地压前兆特征研究可以对相应类型冲击地压灾害的防控实现不同程度的指导作用，为煤矿现场防控冲击地压灾害提供一定的理论支撑。关键词：冲击地压；失稳启动机制；前兆特征；地音监测技术 中图分类号：TD325 文献标志码：A 文章编号：2096-7187(2023)01-3026-09 Study on the precursor characteristics of rockbursts based on acoustic emission monitoring technology LU Chuang1,2,3，WANG Yuanjie1,2,3,4，CHEN Fabing1,2,3，LI Yan1,2,3，XIA Yongxue1,2,3，LIU Ning1,2,3(1.CCTEG Coal Mining Research Institute，Beijing 100013，China；2.Coal Mining and Designing Department，Tiandi Science&Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China；3.Coal Mining Branch，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China；4.School of Mines，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China)Abstract：Based on the coal burst initiation theory and field ground sound monitoring data，the destabilization initiation mechanism of different types of coal bursts is analyzed.The stress changes in the coal measures before the occurrence of coal bursts are mainly divided into three types：continuous loading type，dynamic and static loading type，and cyclic loading and unloading type.Combined with the full stress-strain curve of the coal measures and acoustic emission monitoring data in the laboratory，the ground sound precursors of the three types of stress changes before the failure of coal specimens are analyzed.The ground sound activity evolution law before the damage of three different types of coal burst destabilization was analyzed through the field measurement data.The results show that the evolution of ground sound activity before the occurrence of coal bursts in the field is consistent with the ground sound precursor characteristics before the failure of coal 收稿日期：2022-03-15 修回日期：2022-09-16 责任编辑：施红霞 基金项目：国家“科技助力经济 2020”重点专项资助项目(SQ2020YFF0426364)；天地科技股份有限公司科技创新创业资金专项资助项目(2019-TD-2-CXY004，2019-TD-2-CXY006)作者简介：陆闯(1992)，男，河南南阳人，硕士，主要从事冲击地压预测与防治等方面的研究工作。E-mail： DOI:10.13532/10-1638/td.20221119.001 陆闯等：采矿与岩层控制工程学报 Vol.5，No.1(2023)：013026 013026-2 specimens in the laboratory.Therefore，the research on the precursor characteristics of multiple types of coal bursts based on the ground sound monitoring technology can achieve different degrees of guidance for the prevention and control of the corresponding types of coal burst disasters.Key words：rock burst；mechanism of start-up；precursor characteristics；acoustic emission monitoring technology 我国煤炭开采以井工开采为主，随着社会对煤炭资源需求日益增长和浅部煤炭资源逐渐枯竭的矛盾加剧，多地煤矿将进入深部开采阶段1。在深部开采环境下，冲击地压灾害成为矿井安全生产所面临的重要难题之一。冲击地压监测预警是冲击地压研究体系中的关键一环，提高冲击地压监测预警水平，可以及时采取防治措施，从而避免冲击地压的发生2。冲击地压监测预警亦是各研究环节中最薄弱的一环，当前我国冲击地压监测设备中，地音监测设备具有实时监测预警功能，被广泛地应 用于煤矿井下采掘工作面的冲击地压监测，运用地音监测设备对冲击地压预测预报的关键在于获得有效的前兆信息并识别其相关前兆规律3-7。冲 击地压预测方法应根据监测到的信息与冲击地压发生的过程，对冲击地压发生前相应的监测信息 演化规律进行研究，进而指导冲击地压灾害的防控。关于冲击地压发生前地音活动的演化规律，大量学者进行了广泛研究，夏永学8通过大量数据分析，得到了顶板断裂型、采动高应力型和断层活化型冲击地压的前兆模式；陆闯9等根据地音预警的时效性和实用性指定了相应的预警规则，提出了使用不同滑动时步和预警阈值组合优化预警模型；谭云亮10等根据声发射事件的峰值能量与煤层冲击倾向性正相关关系，通过现场监测数据分析确定了不同等级的预警阈值；姚明远11等根据力源灾害情况，对集中动载荷型地音信号特点进行了研究，得到地音能量和频次值稳定在正常数值范围时，工作面处于安全状态，当数值突然升高至一异常数值时，工作面处于危险状态；门鸿12等根据地音监 测能量的变化特点，得出在其能量和频次变化呈现线性关系时，巷道围岩不会产生动力现象，当产生的能量和频次的关系由线性到非线性变化时，预示着冲击动力现象的开始；王传朋13研究了煤矿静 载型冲击地压地音监测预警理论、技术，建立了煤矿冲击地压监测预警模型；窦林名14等研究了岩石的声发射与岩石在载荷作用下的破坏程度关系，并利用与开采有关的参数对冲击地压危险性进行了评价。上述研究针对在不同冲击动力来源或单一冲击类型情况下地音活动变化规律方面取得了不少阶段性成果，也有专门对单一冲击地压监测预警模型进行的应用研究，但鲜有对不同类型的冲击地压前兆特征进行系统、全面的分析研究。为此笔者根据冲击失稳破坏机制，基于ARES-5/E地音监测系统，借助实验室煤岩体试件全应力-应变曲线与声发射能量、频次关系，提出了多类型冲击地压地音演化规律模型，并进行了现场应用。1 冲击地压失稳破坏启动机制 1.1 地音监测预警原理 煤岩体在微破裂到失稳破坏过程中会产生频率为1503 000 Hz、能量小于103 J的高频低能震动信号，即地音现象15-16。冲击地压发生前，随着煤岩体内部应力的变化，其内部缺陷必然经历裂隙闭合、压裂、扩展等一系列微破裂活动，进而发生一系列地音现象，因此在冲击孕育过程中煤岩体将会出现不同程度的前兆信息。地音监测原理是通过在井下巷道内安装震动传感器实时监测煤岩体内的震动信号，并根据震动信号的大小利用地球物理科学的相关算法计算出震动波内蕴含的煤岩体破裂的频次和能量，进而实现实时监测开采工作面和掘进工作面附近煤岩体受采动影响产生的微小破裂事件，识别冲击地压发生的前兆信息，评价得出煤岩体的损伤进程，评价当前时刻监测区域内的冲击地压危险等级，进而指导现场安全生产17。1.2 多类型冲击失稳破坏启动机制 井下巷道开挖后，原岩应力重新分布，巷道围岩内形成应力集中，使得煤岩体形成新的破裂场和应力场。当采动应力变化较大时，煤岩体内的应力梯度随之增加，应力增量变大，使得煤岩体内的应力差也增加，易导致煤岩体破裂释放较大的能量。当煤岩体内释放的能量大于煤岩体强度，煤岩体会产生不同形式的变形、破坏，进而造成不同类型的 陆闯等：采矿与岩层控制工程学报 Vol.5，No.1(2023)：013026 013026-3 冲击破坏。基于冲击地压启动理论，通过冲击启动条件将冲击地压发生类型主要分为集中静载荷型(持续加载型)和集中动载荷型(动静加载型)2种18-19。其中，持续加载型冲击地压的发生主要是由于在井下巷道开挖后，原岩应力重新分布，使得巷道围岩内形成较高的应力集中，同时由于巷道开挖后上覆悬顶的缓慢下沉使得支承应力叠加区的应力继续缓慢增加，致使巷道应力峰值区集中静载荷持续增加，当积聚的弹性应变能0E大于煤岩体破坏所承受的最小能量cE时，即00cEE-，持续加载型冲击破坏启动，启动后剩余的能量向巷道空间传递，进入冲击地压显现阶段