0 引 言
随着浅部煤炭资源逐渐枯竭，我国煤炭地下开采深度正在沿着8～12 m/a的速度向深部延伸，国有大中型煤矿的平均开采深度已经超过800 m[1]，相较于浅部煤层开采，深部开采带来高地温、高地压、巷道难支护等突出问题，尤其是由浅部向深部延伸过程中，围岩支护结构的静载逐渐增加，造成局部区域高应力集中，一旦失稳可能引发冲击地压灾害，造成人员伤亡。煤矿冲击地压指的是煤矿井巷或工作面周围煤岩体由于弹性变形能的瞬间释放产生突然、剧烈破坏的动力现象，常伴有煤岩体瞬间位移、抛出，巨响及气浪等，其突然、能量释放、气浪等动力显现特点，极易引发人员伤亡，造成冲击地压事故。翟明华等[2]总结山能集团冲击地压矿井显现特征，提出“分类-评价-解危-预警-检验-支护-管理”的“七模块”分类治理防控体系。文献[3-6]梳理前人在冲击地压研究取得的成绩，从理论、监测与预警装备、防治技术及法律法规与标准构建等方面进行了总结。谭云亮等[7]提出了煤岩组合冲击能速度指数和卸围压冲击能速度指数2个新预警指标。潘俊锋等[8-13]提出煤矿冲击地压启动理论和深部开采巷道冲击地压动静载荷分源防控方法，立足冲击地压孕育机理、能量判据及发生特点，将其分为2类：动静载型和静载型，并得出：动静载型冲击地压因瞬时加载特点，煤岩体塑性变形时间短，较难预警；相反，静载型冲击地压的冲击煤岩体塑性变形时间长且充分，而岩体中随机发射的地音信号与岩体中的应力水平及其增长有关，因此可采用地音监测技术进行静载型冲击地压监测预警。窦林名等[14]研究了冲击地压危险性评价的地音法，并提出8个与开采有关的冲击地压地音监测技术参数。夏永学等[15-16]通过对大量现场实测地音数据分析，获得了顶板断裂型、采动高应力型和断层活化型冲击地压的典型地音前兆模式。孙书亮等[17]介绍了地音监测预警在华丰煤矿的冲击地压的监测预警情况。陆闯等[18]根据地音预警时效性和实用性制定了预警规则，提出使用不同滑动时步n和预警阈值DEV0组合优化预警模型的思想。刘金海[19]分析了震动场、应力场联合监测技术和“全频广域”震动监测技术，其中地音监测预警指标是重要的参数。上述针对冲击地压监测预警理论、技术与应用的研究取得不少阶段性成果，也有专门对煤矿冲击地压地音监测技术的应用研究，但较少有“理论依据+技术应用+效果评价”全面阐述煤矿冲击地压地音监测预警技术的研究。笔者系统地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地音监测预警模型，并进行了现场应用。
1 静载型冲击地压地音预警原理
采用刚性压力试验机对煤岩试件进行加载时，在试件表面安装声发射传感器，在得到试件全应力-应变曲线的同时采集试件微破裂释放的声发射信号，如图1所示。
图1 煤岩体全应力-应变曲线与声发射频次关系
Fig.1 Relationship between full stress-strain curve and acoustic emission frequency of coal and rock
根据煤岩体的全应力-应变曲线与声发射频次关系，可把加载过程划分为4个阶段：OA段为原生裂缝闭合阶段，产生较少的声发射事件；AB段试件进入线弹性变形阶段，持续时间长，充分体现出煤岩体试件的抗压特性，内部产生少量声发射事件；BC段试件进入弹塑性变形阶段，由弹性变形逐渐转向塑性变形，B点对应的应力为试件的屈服强度，C点达到应力峰值，对应的应力为试件的最大承载能力，该阶段试件内部裂纹形成速度增快，密度加大，释放大量声发射事件；CD段为应变软化阶段，应力继续增大，此阶段内岩石的微裂缝逐渐贯通，失稳破坏，岩石承载能力大幅度降低，释放大量声发射事件。静载型冲击地压的发生是围岩支护体受到的载荷超过其承载能力后，积聚在围岩或煤岩体的大量弹性能瞬间向自由面释放的结果。在静载型冲击地压发生前冲击煤岩体受顶底板岩层的夹持作用，工作面推进，上覆顶板产生位移，形成稳定结构，大量静载作用在煤岩体上，使其积聚大量弹性能，此时的冲击煤岩体经历了上述实验室试件加载过程中的原生裂缝闭合阶段、线弹性阶段及弹塑性变形阶段，当载荷超出围岩支护体的极限承载能力时冲击地压发生，微震事件呈现低频高能的特征，之后冲击煤岩体进入应变软化阶段。
冲击煤岩体进入弹塑性变形阶段至达到极限承载能力会释放大量的高频低能地音事件，利用该特点可探索静载型冲击地压的监测预警。
2 静载型冲击地压地音预警技术
在大尺度的采场中，多数情况下煤岩体均处在原生裂缝闭合、线弹性变形及弹塑性变形阶段，赋存的弹性能达不到支护结构的极限承载能力，不会发生冲击地压。随着工作面的推进，煤岩体内能量进入积蓄-释放-再积蓄-再释放的循环。
采用高精度地音传感器采集煤岩体上述3个阶段释放的高频低能地音事件的频次及释放能量，建立基于地音监测指标变化率的煤矿冲击地压监测预警模型。
式中：PE为能量变化率，%；Eh为当前小时/工作班地音事件能量，
为前i个小时/工作班地音事件能量的平均值，J。
式中：PN为频次变化率，%；Nh为当前小时/工作班地音事件频次；
为前i个小时/工作班地音事件频次的平均值。
根据监测区域显现及地质条件自由选取i(考虑到对比基数及代表性，现场应用时一般选择10)。根据地音传感器安装环境的不同，监测目标的不同，设定不同的预警指标PE、PN，兼顾2个指标持续时长，建立煤矿静载型冲击地压地音监测预警模型，计算出传感器周围煤岩体静载型冲击危险等级，煤矿静载型冲击危险等级地音监测预警模型见表1。
表1 煤矿静载型冲击危险等级地音监测预警模型
Table 1 Monitoring and warning model of static loading rock burst in coal mine
冲击危险等级冲击预警指标冲击危险状态现场施工预警响应aPE、PN无冲击危险周围煤岩体处于原生裂缝闭合和线弹性变形阶段,正常安全施工bPE、PN弱冲击危险周围煤岩体以线弹性变形为主,进入弹塑性变形初期,有轻微矿压显现,关注多参量监测指标,现场开展卸压措施,可正常安全施工cPE、PN中等冲击危险周围煤岩体以弹塑性变形为主,地音事件频次及释放能量远超日常均值,需要撤出周围施工人员,开展原因分析,研究应力异常主导因素dPE、PN强冲击危险周围煤岩体进入塑性变形阶段末期,存在较大概率超出支护体最大承载能力而引发冲击地压,需要迅速撤离周围施工人员
3 地音监测预警影响因素
回采工作面的地音传感器一般安装在工作面超前支承压力影响范围内(图2)，掘进工作面的地音传感器安装在其后方采动影响范围内(图3)。
图2 回采工作面地音传感器安装
Fig.2 Installation of acoustic emission sensor in mining face
图3 掘进工作面地音传感器安装
Fig.3 Installation of acoustic emission sensor in excavating face
以上区域正常施工时机械、人为活动等干扰因素多，极易导致监测预警结果出现偏差。因此，为了降低干扰，提高监测区域信噪比，提出以下安装应对措施。
3.1 地音传感器安装方式
为了降低巷道人为噪声干扰，在巷道帮部掏槽钻孔(图4)，孔底施工全长锚固的锚杆，且保证锚杆锚固端深入原岩区，地音传感器垂直巷道帮部安装在孔底锚杆端头，采用ø20 mm的锚杆端部螺纹固定，扩槽采用隔音棉填充，抑制本底噪声，提升信噪比。为了降低塑性区锚杆杆体自振带来小能量事件漏检，尽可能实施巷道帮部塑性区预注浆，保证安装锚杆的波导性良好。
图4 地音传感器巷道安装
Fig.4 Installation of acoustic emission sensor in entry
3.2 区别对待生产班与检修班的地音数据
生产班时，机械运转，工人施工，人员流动等干扰源严重影响地音监测数据质量，检修班时则较少。因此，要把生产班与检修班的数据区分开，也要把生产班非生产时间进行记录分析，避免生产班与检修班过渡时段内，本底噪声环境的变化造成预警指标的不准确，引起误报。
3.3 加强数据甄别
建立监测区域井上、井下施工信息共享机制，确保监测数据分析人员实时掌握传感器周边施工信息，剔除施工带来的干扰，避免将干扰信号当作有益信号，引起错误预警。
4 静载型冲击地压地音预警应用
4.1 应用条件
某矿设计生产能力6.0 Mt/a，205工作面运输巷埋深531～731 m，煤层倾角1°～5°，煤层平均厚度19～28 m，采用分层综放开采，目前开采首分层，设计采高3.8 m，放煤高度11.4 m，巷道左邻204工作面采空区，之间留宽44 m保护煤柱，中间为204工作面泄水巷(图5)。直接顶为厚3～9 m(平均厚6 m)薄层泥岩，节理发育，稳定性差；基本顶为厚10～24 m(平均厚17 m)粗砂岩，致密坚硬，为中等稳定性岩层；煤层底板为厚1～3 m泥岩，遇水易膨胀，稳定性较差；煤层及其顶底板具有中等冲击倾向性，该掘进工作面施工期间具有中等冲击危险。
图5 205工作面运输巷位置
Fig.5 Location of haulage entry in No.205 working face
4.2 地音监测系统安装方案
该矿2019年11月引进波兰Centrum Transferu Technologii Emag Sp.z.o.o生产的ARES-5/E地音监测系统。按照掘进工作面地音传感器的安装方式(图2、图3)，在205工作面运输巷掘进工作面后方采空区侧30 m处布设1台地音传感器(编号G14)，与其相距40 m处布设1台地音传感器(编号G13)，依据传感器在煤岩体常规监测范围150 m估算，该安装方式可实现掘进采动影响范围内高频低能地音事件全覆盖。当掘进推进40 m时，将G13号地音传感器挪移到掘进工作面后方30 m处，以此类推，始终保持掘进采动影响在传感器监测范围内。
4.3 静载型冲击危险地音监测预警模型
该矿以地音事件频次、能量偏差及指标持续时长为预警指标，分别以工作班及小时建立了静载型冲击地压危险等级监测预警模型。
4.3.1 工作班预警模型
该矿选择当前班地音活动(频次、能量)偏差值作为预警指标，设定25%、100%、200%三个偏差值为标准值，将所有偏差值划分在-100%～25%、25%～100%、100%～200%以及≥200%四档内，前后班次的偏差值在相同档级内认为不变，由低档级跳跃到高档级认为上升，反之认为下降。当地音活动的偏差值持续上升，预示着冲击危险状态的增加，偏差值的持续下降则代表冲击危险状态下降；并就地音活动偏差值骤增、骤降以及波动引起偏差值档级的跳跃等特殊变化模式建立相应预警模型。
根据初始班偏差值进行归一化处理，确定初始班危险等级，并基于上述原则，建立地音评价冲击危险模型，见表2—表6，依此可确定当前班的冲击危险等级。
表2 当前班次PE、PN上升至25%～100%的冲击危险等级划分
Table 2 Classification of rock-burst level when PE and PN of current shift rise to 25%～100%
上升持续时间/班冲击地压危险等级上升至25%～100%后下降至小于25%冲击地压危险等级持续下降1班持续下降2班持续下降2班以上1aaaa2aaaa3bbba
表3 当前班次PE、PN上升至100%～200%的冲击危险等级划分
Table 3 Classification of rock-burst level when PE and PN of current shift rise to 100%～200%
上升持续时间/班冲击地压危险等级后下降至小于25%冲击地压危险等级后下降至25%～100%冲击地压危险等级持续下降1班持续下降2班持续下降2班以上持续下降1班持续下降2班持续下降2班以上1bbbaaaa2ccc3ccc-1(每持续2班)bbcc-1(每持续2班)
注：冲击危险状态“-1”为冲击危险等级由d降到c，c降到b，b降到a；冲击危险状态“+1”为冲击危险等级由a增到b，b增到c，c增到d。
表4 当前班次PE、PN上升至大于200%的冲击危险等级划分
Table 4 Classification of rock-burst level when PE and PN of current shift rise up to 200%
上升持续时间/班冲击地压危险等级上升至大于200%后下降时冲击地压危险等级持续下降1班持续下降2班持续下降2班以上1ccc2ddd3ddd-1(每持续2班)
表5 PE、PN特殊上升模式时的冲击危险等级划分
Table 5 Classification of rock-burst level in PE and PN special ascending mode
地音异常指数/%3班前2班前前1班本班危险等级备注—≥100<25≥25+1(最大为d)≥100<25<25≥25+1(最大为d)特殊上升模式
表6 PE、PN特殊下降模式时的冲击危险等级划分
Table 6 Classification of rock-burst level in PE and PN special descending mode
地音异常指数或冲击危险等级4班前3班前2班前前1班本班地音异常指数/%危险等级———由表5中特殊上升模式上升至d100～200d(每持续下降2班时,-1)———由表5中特殊上升模式上升至c25～100c(每持续下降2班时,-1)————由表5中特殊上升模式上升至d<25%<25d(每持续下降2班时,-1)25～200c(每持续下降2班时,-1)≥200%≥200%25%～100%<25%<25d(每持续下降2班时,-1)
4.3.2 小时预警模型
该矿小时冲击危险评价模型是在班危险评价模型的基础上，缩小了数据分析的时间窗，提高了对异常数据的灵敏度。小时危险等级将所有偏差值划分在-100%～100%、100%～200%、200%～300%以及≥300%四档内。取前1班危险等级为初始小时冲击危险等级，若当前班次内某小时冲击危险等级大于初始小时冲击危险等级时，按表7进行小时冲击危险等级划分。
表7 基于每小时地音事件PE、PN的冲击危险等级
Table 7 Rock-burst level based on hourly PEand PN
持续时间/h不同地音异常指数冲击危险等级<100%100%～200%200%～300%>300%1aaab2aaac3aabc4aacd5abcd6abcd7abcd8abcd
4.4 现场应用
2019年12月29日8时，205运输巷掘进工作面G14地音传感器监测指标异常指数明显升高，且持续不降，至13时上升到d级，响应预警模型，迅速将井下205运输巷施工人员撤出，见表8、表9。12月30日5点，G13地音传感器监测指标异常指数在2 h内由b升到d，见表10和表11。2019年12月30日9时36分，205运输巷掘进工作面发生冲击地压，里程600～670 m发生大范围底鼓，底鼓量为 0.3～1.0 m，带式输送机旁出现宽约5 cm的地缝，掘进工作面顶板冒落或片帮，产生较大的声响和冲击，瞬时改变工作面风压，掘进工作面往外200 m巷道内充满煤尘。因提前预警，及时撤出冲击显现区域人员，本次冲击地压未造成人员伤亡。
表8 G14地音传感器冲击危险变化小时预警
Table 8 Rock burst risk changing based on G14 sensor under hour warning
时刻频次频次均值频次偏差/%能量/J能量均值/J能量偏差/%ABC2019-12-29T22:00:001264534137521766214000144.0ccc2019-12-29T23:00:00119664386581441251000132.0ccc2019-12-30T00:00:001230182576566681440001188.1ccc2019-12-30T01:00:001270182598494235440001023.4ccc2019-12-30T02:00:0092718241034532944000685.0ccc2019-12-30T03:00:00109418250144280644000907.0ddd2019-12-30T04:00:001770182873849083440001830.0ddd2019-12-30T05:00:001690643163740020251000195.0ccc
注：A、B分别为基于PN、PE的冲击危险等级；C为综合预警结果。
表9 G14地音传感器冲击危险变化工作班预警
Table 9 Rock burst risk changing based on G14 sensor under shift warning
工作班频次频次均值频次偏差/%能量/J能量均值/J能量偏差/%ABC2019-12-29早班18341609.813.9704830733000-3.8aaa2019-12-29中班22481569.343.287559272900020.1aaa2019-12-29晚班30711634.687.91532721757000103.0abb2019-12-30早班56691736.7226.02183875816000168.0ccc2019-12-30中班55052107.2161.019479029270000110.0ccc2019-12-30晚班66342521.2163.025998201060000145.0ccc2019-12-31早班125043093.5304.044851601290000247.0ccc2019-12-31中班95714268.3124.03327759171000094.1ccc2019-12-31晚班103255146.7101.043451492010000116.0ccc
注：A、B分别为基于PN、PE的冲击危险等级；C为综合预警结果；早班在时刻00：00：00开始，工作班为三八制。
表10 G13地音传感器冲击危险变化小时预警
Table 10 Rock burst risk changing based on G13 sensor under hour warning
时刻频次频次均值频次偏差/%能量/J能量均值/J能量偏差/%ABC2019-12-29T22:00:003572216117028181800108bbb2019-12-29T23:00:0066322120028156181800244bbb2019-12-30T00:00:0063222118624157281800195bbb2019-12-30T01:00:0068023518919639588600122bbb2019-12-30T02:00:00105723535053494088600504bbb2019-12-30T03:00:00114923538949095288600454ccc2019-12-30T04:00:00118023540239783288600349ccc2019-12-30T05:00:00105723535037190588600320ddd
注：A、B分别为基于PN、PE的冲击危险等级；C为综合预警结果。
表11 G13地音传感器冲击危险变化工作班预警
Table 11 Rock burst risk changing based on G13 sensor under shift warning
工作班频次频次均值频次偏差/%能量/J能量均值/J能量偏差/%ABC2019-12-29早班18751493.22668434955800023bab2019-12-29中班28051622.473109691060600081bab2019-12-29晚班26941769.252119349365400082bab2019-12-30早班37171880.5981521405709000115bbb2019-12-30中班80142140.62743056436823000271ccc2019-12-30晚班147292799.242657444761090000428ddd2019-12-31早班143634109.025040050401600000151ddd2019-12-31中班100765402.8872880179195000048ddd2019-12-31晚班40621214.02351046102316000231ddd
注：A、B分别为基于PN、PE的冲击危险等级；C为综合预警结果；早班在时刻00：00：00开始，工作班为三八制。
冲击地压发生时地音监测数据如图6所示，地音监测系统每1 min上传1次采集的地音事件频次及当前分钟内能量总值。
图6 地音监测系统实时在线监测
Fig.6 Real time on-line monitoring of acoustic emission monitoring system
地音监测指标变化趋势如图7、图8所示。综上分析：G14地音传感器距离205运输巷掘进工作面30 m，对本次冲击地压提前24 h出现异常反应，提前19 h发出撤人预警；G13地音传感器距离205运输巷掘进工作面70 m，对本次冲击地压提前9 h出现异常反应，提前5 h发出撤人预警。
图7 G13号传感器生产班地音指标变化
Fig.7 Changing of acoustic emission indexes of No.G13 sensor
图8 G14号传感器检修班地音指标变化
Fig.8 Changing of acoustic emission indexes of No.G14 sensor
5 结 论
1)通过分析煤岩体全应力-应变曲线与声发射频次关系，建立了采场煤岩体静载条件下的地音事件响应特征，从理论上阐释了地音监测技术进行静载型冲击地压监测预警的关键依据。
2)针对井下复杂的开采条件，分析影响地音监测数据质量的主要因素，提出了地音传感器合理安装方式。
3)结合静载型冲击地压孕育机理与特点，立足地音事件频次、能量偏差及持续时长，建立了静载型冲击地压地音预警模型，在某矿205运输巷掘进工作面施工中实现了静载型冲击地压提前19 h预警。
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