地音监测技术在常村煤矿冲击地压预謇中的应用

  李  岩1  马江军2  左  政3  王传朋1  王元杰1  陈法兵1

  （1．天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京市朝阳区，100013；

  2．山东能源新汶矿业集团协庄煤矿，山东省新泰市，271221;

  3．河南大有能源股份有限公司耿村煤矿，河南省义马市，472400）

  摘  要  为了研究地音监测技术对煤矿冲击地压的预警情况，基于ARES- 5/E地音监

  测系统的监测数据，分析了常村煤矿8个月内煤炮的地音预警结果。研究结果表明：地音监测对有破坏的煤炮的预警率为100%，漏报率为0；地音监测对有震感的煤炮的预警率为90%，报准率为53%，漏报率为10%。因地音监测系统的监测范围小，仅能对监测探头附近区域的煤炮作出预警，故预警准确度与煤炮的显现程度呈正比。

    关键词  地音监测系统  冲击地压  煤炮  预警率  报准率

    中图分类号  TD324    

    随煤矿采深的增加，越来越多的煤矿受到冲击地压的影响，为了对冲击地压进行监测预警，冲击地压煤矿普遍安装了微震监测系统。但微震监测系统由于其监测频率的限制，主要监测的是低频高能事件，适用于大范围监测和长期危险性评估，对冲击地压的即时预警效果较差。而地音监测技术监测对象为冲击地压发生前煤岩体内微裂隙的发育情况，从而为冲击地压的即时预警提供了可能。

1  地音监测技术

    煤岩体在破坏之前，在一段时间内必然持续以声的形式释放积蓄的能量，这种能量的强度随着结构临近失稳而变化，每一个声发射都包含着岩体内部状态变化的丰富信息，通常将煤岩体的声发射称为地音。地音事件的频率一般为150 N1500 Hz，事件能量一般小于102 J，属于高频低能事件。    

地音监测技术就是应用监测网络对某一区域进行地音实时监测，其监测区域一般集中在生产空间（主要包括采煤工作面和掘进工作面）。通过提供统计单位时间监测区域内地音事件的数量和释放的能量，判断监测区域的冲击危险等级；经过长期监测后，可以在已有数据的基础上，对下一时段内监测区域危险等级进行预测，从而实现对监测区域的危险性评价和预警。

    以往针对地音监测对冲击地压预警的研究所使用的基准数据为微震数据，根据地音监测对大能量微震事件的预警情况判断地音监测对冲击地压的预警效率。但是，地音监测的对象为微破裂，其监测范围小，对距离地音监测探头较远的微震事件预警效果较差。由于地音监测探头安装于巷道中，有些微震事件虽然能量大，但距离巷道较远，从而导致监测现场没有反应，所以采用微震数据判别地音监测对冲击地压的预警效率将会存在较大的误差。

    冲击地压实际上就是对巷道和采场产生较大破坏的煤炮。因此，本文对地音预警效果分析时不使用微震数据进行分析，而使用现场人为观测记录到的煤炮为依据进行统计分析。同时为方便表述，将产生破坏的煤炮称为I类事件；将只有震感而没有产生破坏的煤炮称为Ⅱ类事件，其余不明显的煤炮称为Ⅲ类事件。

2矿井概况

    常村煤矿采掘活动逐步向深部延伸，并且进一步靠近F16逆冲断层，该断层延展长度达45 km，倾角750，落差50～500 m，在常村煤矿范围内的落差最大为250 m，常村矿附近多个矿井冲击地压的发生均是受该断层影响。因此，目前常村矿冲击地压显现日趋明显，对矿井安全生产造成一定的威胁。

    为确保矿井安全生产，加强对冲击地压的监测预警工作，常村煤矿引进了ARES- 5/E地音监测系统，监测频率范围为28～1500 Hz，目前应用区域为21220工作面，该工作面倾向长度180 m，走向长度约900 m，回风巷邻近采空区，运输巷深度低于回风巷且更靠近F16断层。2014年7月至2015年3月期间21220工作面回风巷和运输巷处于掘进状态。回风巷安装一个地音探头，探头编号为G1。随掘进工作面的推进，运输巷逐步安装了4个地音监测探头，探头编号分别为X、X1、X2、X3。各探头安装和工作情况见表1。

    根据记录常村矿21220工作面从2014年7月4日至2015年5月31日21220丁作面共发生煤炮85次，其中有震感的Ⅱ类事件为6次，有一定破坏的I类事件8次。

3  地音预警方法

    地音监测技术的主要监测对象为小能量的微破裂，在岩石发生宏观破坏前（即冲击地压发生前），均有一段微破裂的急剧发育期，从而导致地音事件的频次和能量大幅上升。因此，以这种变化为预警信号，选取地音异常指数做为地音预警的指标（包括能量异常指数和频次异常指数）。地音能量异常指数PE和地音频次异常指数PN计算公式如下：

    由此，可获得采掘期间的能量、频次异常指数和非采掘期间的能量、频次异常指数，共4个预警指标。根据煤矿预警需求和工作强度，时间单元可以是天、工作班或小时；本研究对常村煤矿地音预警分析选择以工作班为时间单元。实际应用中，受回采作业的影响，工作面回采期间和检修期间工作面附近区域的噪音等差别较大，应将工作班和检修班数据分开统计，如图1所示，从而避免因同采工作的开始和停止而引起的地音异常指数的波动。根据以往研究，结合常村矿实际情况确定地音异常指数预警指标为：异常指数达到0. 25为安全线达到1为警戒线，达到2为预警线，在图1中用3条线分别表示。    ．

    研究表明，地音预警时间最长为3d左右；因此，地音异常指数在3d内若多次突破预警线按1次预警计算。为尽量减少环境噪音等其他因素的影响，分析地音预警时选取距离掘进工作面最近的探头数据进行分析。以2014年7月的地音数据为例，2014年7月只有G1探头工作，故只选取G1探头的数据分析。G1探头地音异常指数如图1所示。由图中可看出在7. 21事件（7.21事件即为7月21日发生的事件）发生前，地音有强烈的预警信号。在工作班地音异常指数图中，7月18日夜班（图中为7 -18 -3）地音异常指数大幅超过预警线并持续数日在预警线以上，7月19日中班(图中为7-19-2)检修班异常指数也出现相同现象，可看出对该事件地音提前预警时间约为2d。

4  预警情况统计分析

    依照前例地音数据对煤炮预警的分析方法，依次分析2014年7月至2015年3月所有地音数据的预警情况。由于Ⅲ类事件数量过多，且该类事件对巷道影响极小；因此，仅对Ⅱ类以上事件的预警情况进行分析。同时，由于2014年11月地音数据缺失，11月的3次煤炮不参与预警率和报准率的统计分析。

4.1  预警率

    预警率是指有预警的煤炮次数与煤炮总次数的比值。煤炮发生前3d内地音异常指数超过预警线即视为对该煤炮有预警。地音监测系统预警情况见表2。由表中可以看出以同一监测通道生产班、检修班同时预警为预警信号，11次事件中预警9次，预警率为81. 82%。其中2.13事件发生于21220回风巷巷道口处，与回风巷的G1探头距离超过800 m，已经不在地音系统监测范围内，剔除该事件后地音预警率为90%，对有破坏的I类事件预警率为100%。

    同时由表2可以看出在系统运行初期的7月至9月以及后期的3月，针对工作面内发生的煤炮，在回风巷和运输巷的监测通道均能作出预警，预警效果较好；但在10月份，回风巷内的地音监测通道未对3次煤炮发出预警，仅运输巷的地音监测通道作出预警。结合表1中地音探头挪移情况可知．7月至10月地音探头并未跟随掘进工作面进行挪移，地音预警效果降低是由于地音监测范围较小，随掘进工作面的移动，地音监测探头距离掘进工作面的距离增加，超出了监测范围，地音探头远离煤炮发生地点。

4.2报准率

    报准率是指报准次数与煤炮总数量的比值。在地音异常指数超过预警线（异常指数超过2）之后3 d内有煤炮发生即记为报准1次，若预警后3d内连续发生2次以上煤炮也只记为报准1次。21220工作面回风巷和运输巷地音通道预警情况统计见表3和表4。表中工作班（检修班）预警指仅利用工作班（检修班）的地音异常指数进行预警；共同预警指工作班地音异常指数和检修班地音异常指数在同一时间段（时间间距小于3 d）都超过预警线，发出预警。因此共同预警的次数少于工作班或检修班的预警次数。

    (1)工作班与检修班报准率对比。由表3可以看出当21220工作面回风巷监测通道工作班地音异常指数从2014年7月至2015年3月共发出17次预警，但预警后发生煤炮的数量仅有5次，报准率仅有29.4%；但在同一时间区间内，回风巷检修班地音异常指数发出15次预警，预警后发生的煤炮有7次，报准率达到46.7%；由表4也可以看到21220工作面运输巷检修班的报准率为so%，高于工作班的44.4%；检修班地音异常指数报准率高于工作班地音异常指数主要是由于检修期间工作面停止回采作业，各监测通道接收的地音事件受到人为活动的影响更小。

    (2)回风巷与运输巷报准率对比。对比表3和表4数据可见，21220工作面运输巷地音监测通道工作班和检修班地音异常指数的报准率分别为44. 4%和50%，高于回风巷的29. 4%和46. 7%，但在井下实际中运输巷由于运输皮带的存在，环境噪音高于回风巷，地音探头所受干扰也高于回风巷，运输巷的地音报准率理论上应低于回风巷。导致这种差异的原因是21220工作面运输巷冲击地压比回风巷严重，2014年7月至2015年3月发生的14次煤炮或冲击中的11次均发生于运输巷；表明，地音探头距离冲击危险区域越近，对发生冲击的报准率越高。

    (3)工作班或检修班预警与共同预警报准率对比。21220工作面回风巷工作班和检修班地音异常指数共同预警的报准率为50%，运输巷的报准率为57. 1%，均高于以工作班或检修班单独报警时的报准率。这主要是由于井下探头挪移、故障以及探头被其他物体撞击等均会引起地音异常指数的大幅波动，从而造成假预警，降低报准率；但以上这些因素影响时间一般较短，在一个工作班或检修班的时间范围内即可结束。将工作班和检修班地音数据分开统计分析后，在工作班时间范围的地音数据的大幅波动，仅会影响工作班地音异常指数，不会影响检修班地音异常指数的预警效果；同样，检修班的数据波动也不会影响工作班地音异常指数的预警效果。当工作班和检修班地音异常指数共同预警才触发预警时，工作班或检修班的单独预警并不触发预警，降低了假预警的次数，从而提升了报准率。

5  结论

    (1)在不考虑地音监测数据丢失及线路故障等情况下，地音监测对Ⅱ类以上事件的预警率达到90%，报准率为53%，漏报率为10%;对产生破坏的I类事件的预警率为100%，漏报率为0。表明地音监测能够对常村矿的煤炮实现较好的预警。

    (2)地音监测仅能对地音监测探头附近区域的煤炮（冲击）实现预警，预警准确率随地音监测探头与煤炮发生区域距离的增加而降低。因而，以煤炮作为依据分析得出的地音预警率和报准率高于以微震监测数据为依据的预警率和报准率。

    (3)地音监测预警准确度与煤炮的显现程度呈正相关。