煤巷掘进突出危险声发射监测效果考察与应用

胡 杰

(1.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆市沙坪坝区，400037；2.煤矿灾害防控全国重点实验室，重庆市沙坪坝区，400037)

0 引言

随着矿井灾害治理技术及装备的不断发展与进步，煤矿机械化、自动化以及智能化水平逐步提升[1-2]，煤矿灾害事故起数及规模得到了有效控制且成效显著[3-4]。但伴随采掘深度、速度以及规模的不断扩大，煤矿灾害事故防控受到了新的冲击与挑战[5-6]。受煤层赋存多变性、应力运移复杂性、超前探测存在一定的盲区等多因素影响[7]，突出矿井煤巷掘进仍是突出事故的高发点，尤其是地质条件更为复杂的西南矿区[8-9]，如2023年1—2月期间，贵州省煤矿连续发生了3起煤巷掘进面突出事故，由此说明煤巷掘进突出危险有效防控仍是突出矿井的重点工作[10-11]。根据现行《防治煤与瓦斯突出细则》[12]要求，矿井主要采用两个“四位一体”进行煤与瓦斯突出预测与防治，但传统预测指标相对单一、多以反馈瓦斯因素的指标为主，且测定过程受人为因素影响较大，测定准确性受到影响，并给掘进连续性带来影响。瓦斯、应力及地质融合的煤巷掘进工作面突出预警缺乏[13]，而声发射预测技术具备超前、非接触、连续等特点[14-15]，可有效反馈采掘应力变化，在监测装备、监测工艺[16]及信号滤噪[17]方面已取得一定研究成果，因此根据煤矿瓦斯灾害严重程度的地域性差异，笔者以贵州安晟能源大方煤业有限公司(以下简称“小屯煤矿”)为试验矿井，开展煤巷掘进过程中突出危险性声发射监测效果考察与应用。

1 试验工作面概况

小屯煤矿位于贵州省毕节市大方县城南部，井田范围南北长3.5 km、东西宽2.1 km，面积约6.737 9 km2，开采深度+1 350～+1 620 m，设计生产能力120万t/a，其中一期为60万t/a，含可采及局部可釆煤层6层，一期主要开采6上、6中、6下和7号煤层等上部煤层。试验开展前结合小屯煤矿采掘部署情况，选取正在进行煤巷掘进作业的16中13运输巷(以下简称“13运输巷”)为试验工作面。

13运输巷煤巷掘进工作面位于井田一采区南翼16中13回采工作面内，工作面埋深约300 m，标高+1 385～+1 420 m，东南面设计为16中15工作面。在13运输巷下方垂距25～30 m、平距约29 m处布置13运输巷底抽巷，并已完成掘进及巷道布置，如图1所示。13运输巷设计长度1 580 m，采用综掘方式沿6中煤层底板掘进，并采用锚索+锚网喷结合的工艺进行巷道支护，试验开展前已掘进约1 230 m，本次现场试验在待掘进范围段内开展。

图1 小屯煤矿16中13工作面巷道布置示意

16中13工作面主采6中煤层，煤层平均倾角2°，平均煤厚2.28 m，煤层存在一定幅度的起伏变化。根据参数测定结果，6中煤层最大瓦斯压力0.96 MPa，煤的坚固性系数0.49，属于突出煤层，其原始瓦斯含量为12.107 5 m3/t。13运输巷掘进工作面采用穿层钻孔预抽煤巷条带瓦斯作为区域防突措施，掘进期间通过钻屑瓦斯解吸指标K1值及钻屑量S值预测工作面突出危险性，当测值超过临界值时，补充施工超前排放钻孔作为局部防突措施。根据小屯煤矿突出预测敏感指标及临界值考察结果，钻屑瓦斯解吸指标K1值敏感性优于钻屑量S，其临界值为0.45 ml/(g·min1/2)。

2 监测系统布置与安装

2.1 监测系统简介

本研究采用中煤科工集团重庆研究院有限公司自主研发的煤岩动力灾害声发射监测系统进行监测效果考察，该系统主要由地面服务器、监测软件、信号传输电缆、孔内监测传感器、传感器推送安装装置、一体式信号采集主机与电源等机构组成[16]，系统整体结构示意如图2所示。系统具有声发射信号自动采集、信号实时传输、数据实时分析、危险性超前预警等无人值守功能，与《防治煤与瓦斯突出细则》(第四条、第八十六条)、《贵州省煤矿瓦斯防治综合管理办法》(第二十条)等相配套，支持煤矿灾害综合预警以及灾害防治智能化、无人化需要。

图2 监测系统架构

2.2 监测系统安装

监测系统安装主要包括监测软件安装、地面服务器安装、井下监测主机安装、声发射传感器安装、线缆布设及信号并网传输等。先将监测软件安装在地面服务器上并完成调试，随后经现场协商将地面服务器安装在小屯煤矿通防科，通过分配矿方网段内固定IP实现地面服务器与井下环网的数据传输。井下监测主机安装在井下车场机电硐室内，并通过光纤、交换机与井下主环网实现数据并网，最后利用信号传输线缆将传感器内监测信号传输至井下监测主机，实现监测信号的井上下实时互联互通。

结合13运输巷布置情况以及传感器安装工艺研究结果[17]，声发射监测传感器通过13运输巷底板巷施工的穿层钻孔进行安装，钻孔孔径94 mm，终孔点位于6中煤层顶板且钻孔轨迹不在掘进轮廓线范围内，传感器安装示意如图3所示，穿层钻孔施工完毕后利用四分管将声发射监测传感器输送至孔底，并通过可伸缩式弹性倒爪结构进行固定，最后在孔口处利用马丽散进行封孔，避免巷道内干扰噪声进入试验钻孔内，以此完成监测传感器的安装与固定。

图3 监测传感器安装示意

3 试验考察及现场应用

根据现场实际，在13运输巷底板巷施工穿层钻孔，在13运输巷煤巷掘进工作面前方布设了4个监测传感器，每个传感器对应的巷道监测范围划定为一个监测考察循环，传感器安装情况见表1，监测循环划分情况如图4所示。通过监测循环1考察声发射信号特征参数随掘进变化的情况，同时对比分析掘进过程中突出预测指标、瓦斯涌出以及实际揭露煤层等情况，考察确立声发射预警指标的临界值。根据循环1考察确立的预警指标临界值，在循环2至循环4监测区段进行现场验证，并对日常掘进进行辅助指导及应用。

表1 监测传感器安装

图4 监测循环划分示意

根据前期研究基础，本次试验以声发射能量指标进行考察与应用。由于声发射属于被动式信号采集，信号产生周期具备随机性与不确定性，因此为便于统计以及提高数据分析的准确性，以2 h为基础时间点计算能量平均值，同时为避开监测距离对监测信号的影响，选取监测系统中嵌入的能量均值累计值的趋势判识指标Ken为预警指标进行现场考察及应用。

3.1 初期试验考察

由表1可知，循环1监测区段为13运输巷里程1 275～1 317 m，即本系统开始监测时，13运输巷掘进工作面与CHN1传感器距离为42 m。考虑预测指标测点的位置因素，将预测指标最大测定值的测点位置与班次掘进进尺相对应进行数据分析，通过整理得出掘进该区段期间的钻屑瓦斯解吸指标K1值、班次瓦斯最大浓度与预警指标的对比曲线，如图5、图6所示。

图5 监测循环1中预警指标Ken与钻屑瓦斯解吸指标对比曲线

图6 监测循环1中预警指标Ken与瓦斯浓度对比曲线

由图5可知，监测循环1内钻屑瓦斯解吸指标K1值共测定5次，其中有2次测定值超过了矿方考察临界值0.45 ml/(g·min1/2)，最大测定值达0.51 ml/(g·min1/2)，由此说明具备突出可能性；而在2次高值测点前2～3个班，趋势判识指标Ken也出现了高值，说明趋势判识指标Ken与瓦斯解吸指标K1值具有一致性与超前性。由图6可知，班次瓦斯浓度曲线在监测循环1内均未出现超限情况，即瓦斯涌出较为正常。监测循环1内Ken值超过1.5出现2次、1.4～1.5出现1次、1.3～1.4出现3次，因此对比K1值异常次数，确立趋势判识指标Ken临界值为1.5。

3.2 现场应用

根据初期考察试验确立的趋势判识指标Ken的临界值，在监测循环2至监测循环4进行了现场应用，监测范围为巷道里程1 317～1 403 m，声发射系统共监测51个班次，判识结果为异常的共5次，其余正常。现场实际情况表明：煤巷掘进工作面瓦斯浓度无超限，即瓦斯涌出正常；矿井日常预测指标测定结果中钻屑量S值正常无超标情况，钻屑瓦斯解吸指标K1值共超过其考察临界值3次，即出现3次测定值结果异常，同时在循环2末段以及循环3初段巷道揭煤煤层处出现软分层情况，如图7所示。现场应用期间巷道揭煤的地质情况示意如图8所示。

图7 掘进工作面煤体异常断面

图8 现场应用期间煤巷地质情况示意

将监测结果与现场实际情况进行对比分析，结果见表2。

表2 监测结果异常情况对比分析

由表2可以看出，监测预警结果异常班次中，中间3次异常为连续3个班，因此3个班次的监测异常结果可视为1次判识异常，即声发射监测系统预警次数与实际出现异常次数相符。2022年3月28日早班Ken达到3.32，声发射预警结果为异常，早班结束后累计进尺为1 342 m，对比K1值测定数据，在里程为1 348 m的测点位置K1值为0.58 ml/(g·min1/2)，超过考察K1值临界值0.45ml/(g·min1/2)，出现异常且实际揭露煤层出现了软分层，现场情况与声发射监测结果一致，对比预警班次掘进位置与预测指标超临界值的测点位置可知，监测系统可超前6 m给出异常判识结果。

同理，3月24日早班、3月31日中班分别超前了4.6、4.0 m给出了异常判识结果。由此说明声发射监测结果为异常后，试验煤巷再掘进4～6 m后现场出现异常(测点位置预测指标测定值异常或地质异常)，验证了考察确立的Ken临界值是合理有效的。

综上所述，现场应用期间声发射监测系统可超前4～6 m就可发出预警信息的目标，预警结果与实际相符，监测效果可靠，可应用于煤巷掘进突出危险性监测预警领域，为煤巷安全高效掘进提供一种有效监测手段。

4 结论

(1)基于小屯煤矿16中13回采工作面巷道布置情况，通过上向穿层钻孔超前布设声发射监测传感器，构建了集“井下信号无损采集——数字信号并网传输——井上实时监测预警”于一体的井上下联动声发射监测预警系统。

(2)提取能量特征参数趋势判识指标为预警指标，消除了监测距离对声发射监测信号影响；通过分析掘进期间声发射预警指标与钻屑瓦斯解吸指标K1值、班次瓦斯浓度相关关系，确立了预警指标Ken的临界值。

(3)现场应用期间验证了预警指标Ken临界值的准确性，声发射系统监测预警结果与矿井实际情况相符、效果可靠，实现了超前4～6 m发出预警信息，可作为工作面突出危险性预测的一种有效手段进行应用。