煤礦沖擊地壓災害監(jiān)測預警技術研究

劉飛

摘 要：由于沖擊地壓是非常復雜的，很難用單一的方法對沖擊地區(qū)進行非常準確的區(qū)域預警，應該用多種方法進行考慮，監(jiān)測預警參考多綜合因素，起到更具有科學性的預警；對現(xiàn)場的監(jiān)控預警方法進行選擇時，應根據動靜載疊加誘沖原理，再選擇合理的監(jiān)測方法，以振動場作為主要監(jiān)測對象或應力場為主要監(jiān)測對象。

關鍵詞：煤礦；災害監(jiān)測；沖擊地壓；預警技術

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.14.058

1 監(jiān)測預警技術與方法

1.1 多參量監(jiān)測預警技術

煤巖的受壓破壞過程，對“震動場-應力場”進行多參數(shù)歸一化的監(jiān)測預警，在不同的發(fā)展階段，與煤巖微地震裂縫應建立、聲、電等參數(shù)監(jiān)測、預測進行的，分析預警方法響應的預警方式是基于震動波CT、彈性波、沖擊波、鉆屑等綜合參數(shù)實時監(jiān)測預警和應力指標；聲音，微震、電磁輻射和地音應力波的監(jiān)測與預警。風險的影響程度分為無沖擊危險，弱沖擊危險，中等沖擊危險，強沖擊危險四級，四級是統(tǒng)一通過風險準則的影響進行劃分，將根據風險程度的不同，采取相應的對策。

1.2 應力監(jiān)測技術

以 “多因素耦合”和“當量鉆屑量原理”的沖擊地壓危險性為基礎的確定方法，其基本原理是支撐壓力、鉆頭、鉆巖層運動和應力之間的關系，通過實時在線監(jiān)測，采集動態(tài)應力場的變化規(guī)律，然后發(fā)現(xiàn)歐洲高應力區(qū)及其變化趨勢，從而實現(xiàn)實時監(jiān)測和預報、巖破裂的危險區(qū)域的程度的危險預警。

1.3 電磁輻射監(jiān)測技術

煤在荷載作用下，巖石會變形破壞，并且生成電磁輻射，這一現(xiàn)象引發(fā)于應力，由于應力作用，對非均質性煤巖體產生非均勻變速形變，從而導致這種情況，電磁輻射強度和脈沖與載荷和變形速度有關，載荷和變形的電磁波輻射強度和脈沖上升率將增加，煤巖試樣在沖擊破壞前，電磁輻射的強度一般會保持在一定的值，但是在沖擊破壞時，電磁輻射的強度會突然增加。煤的變形和破壞的電磁輻射和煤體的應力狀態(tài)是耦合關系。為此，建立了電磁輻射的分類預報技術和監(jiān)測風險的監(jiān)測技術。

1.4 電荷監(jiān)測技術

煤巖微破裂會導致摩擦作用共同產生煤巖變形破壞過程的電荷感應信號和裂隙尖端電荷分離，其中電荷感應強度與煤巖的負載增加的負荷有一定關系，電荷感應信號會更強，在電荷感應信號強度達到最大值的時候，煤巖破裂，電荷感應信號強度后將逐漸減小。煤巖充量監(jiān)測技術基于巖爆的“失穩(wěn)機理”，且電荷感應信號強度越強，巖爆發(fā)生的可能性越大。

2 應用分析

在此，僅介紹“全頻廣域”震動監(jiān)測技術的應用。菏澤煤電公司兩礦井下工作面都安裝KJ550沖擊地壓監(jiān)測系、KBD5電磁輻射檢測儀，2017年3月安裝ARAMIS微震監(jiān)測系統(tǒng)，并于2017年4月調試形成“全頻廣域”震動監(jiān)測技術體系，實現(xiàn)寬頻（0.5—1500Hz）、廣域（回采工作面→礦井→礦區(qū)）監(jiān)測目的。

KJ550沖擊地壓監(jiān)測系根據煤巖體壓力的變化引起油囊內壓力的變化，通過壓力變送器內敏感元件轉換為電信號傳遞給采顯一體儀，采顯一體儀通過接收到的模擬信號進行處理，轉換為最終壓力值并顯示出來，同時將信號處理后通過CAN總線傳輸?shù)骄路终?。分站將各采顯儀傳上來的數(shù)據以光、電的形式通過環(huán)網、光纖傳輸?shù)降孛娣终具M行存儲、處理、展示。對回采工作面重點進行壓力監(jiān)測的區(qū)域為工作面前方300m、兩條順槽向回采煤體一側8-25m范圍內進行監(jiān)測。

電磁輻射儀能夠實現(xiàn)非接觸、定向、區(qū)域及連續(xù)預測預測煤巖動力災害，信號的采集、轉換、處理、存儲和報警由監(jiān)測儀自動完成；能夠實現(xiàn)礦山沖擊礦壓的預測預報，煤與瓦斯突出的預測預報，其它煤巖災害動力現(xiàn)象的預測預報，礦井工作面前方應力狀態(tài)的監(jiān)測，松動圈測量，周期來壓監(jiān)測，斷層活動監(jiān)測，頂板穩(wěn)定性監(jiān)測。

振動器接收振動事件并將其處理為數(shù)字信號，然后通過數(shù)字通信系統(tǒng)發(fā)送到地面。根據不同的監(jiān)測范圍，系統(tǒng)可以選擇不同的頻率范圍傳感器。數(shù)字通信系統(tǒng)采用長距離通信電纜實現(xiàn)三方向振動速率變化（x，y，z）的傳輸。該系統(tǒng)提供了通過24位σ-δΔ轉換器的振動信號的轉換和記錄。標準版系統(tǒng)軟件為每個通道提供一個通道監(jiān)測信號；可選3通道信號，為每個通道監(jiān)控使用非標版軟件，實現(xiàn)三向監(jiān)測的微震活動。

自運行以來，采用“全頻廣域”震動監(jiān)測技術能有效記錄了礦區(qū)范圍內的沖擊地壓、礦井范圍內的礦震件爆破、工作面區(qū)域的巖層破裂與構造等應力大小變化，可根據一次次的沖擊地壓波形圖分析井下的地壓大小，實現(xiàn)有效的控制，如圖1所示。圖中D1、D2為臺站序號，UD、EW、NS分別代表垂直、東西、南北，根據波形圖可有效的進行分析，論證，處理現(xiàn)場情況。

3 結論

沖擊地壓的監(jiān)測預警主要是從靜態(tài)的應力場和振動場兩面，單一的方法難以達到沖擊準確的預警，涉及多參數(shù)監(jiān)測與預警技術的振動場和應力場的各種方法相結合，可顯著提高沖擊地壓預警效果。

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