0 引 言
近年来，随着我国煤矿开采深度的日益增加，越来越多的煤矿受到冲击地压的威胁[1-3]，为了应对与研究冲击地压，许多煤矿安装了微震监测系统，但由于微震监测系统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评估，区域预警效果较差[4-7]。而地音监测技术监测对象为冲击地压发生前煤岩体内部的微破裂发育情况，通过监测地音事件参数指标的变化，用以确定监测范围内煤岩体的应力状态，以此作为冲击地压是否发生的预警信号[8-11]。国内外学者对冲击地压的地音预警信号进行了大量的研究，夏永学[12]认为判断某一观测异常是否属于前兆异常，应将冲击地压地音前兆信息识别方法建立在冲击地压机理分析的基础上并将冲击地压典型地音模式划分为3种类型，即顶板断裂型、采动高应力型和断层活化型；王元杰等[13-14]利用地音监测系统对顶板巨厚岩层的运动规律进行了研究，对其破断进行了预测，并通过对华亭煤矿的地音监测数据的分析，得到了地音参量与矿压显现之间的变化规律。在使用地音监测技术对工作面进行监测时，一方面，由于工作面地质、采煤方式等存在不同，地音预警信号也存在一定的差异性，需要技术人员在使用时，结合现场情况进行归纳整理，寻找适用于实际情况的地音预警信号的规律和特点；另一方面，地音预警信号中也存在一定的规律，但由于前期总结的规律过于笼统，无法直接用于现场实际。笔者借助于冲击启动原理[15]，将冲击地压的地音信号划分为3种类型，第1种为冲击启动位置与冲击显现位置都位于地音传感器监测范围内；第2种为冲击启动位置位于地音传感器监测范围内，而冲击显现位置位于地音传感器监测范围外；第3种为冲击显现位置位于地音传感器监测范围内，而冲击启动位置位于地音传感器监测范围外。冲击地压的监测预警主要针对于冲击启动阶段，因此地音系统对冲击地压的预警类型主要体现在第1、2种类型，这两种类型的主要区别在于冲击地压显现时的地音信号的不同，而从冲击地压地音预警信号的角度来看，两者给予的地音预警信号是相同的，因而，此处仅对第1种类型进行地音信号分析。其中第1种类型又可以根据监测区域的载荷类型细分为集中动载荷型、集中静载荷型、动静载叠加型。笔者通过对多个矿井地音信号的分析，主要研究了第1种类型下的集中动载荷型地音信号，并对部分规律性的内容具体化，以方便于现场应用。
1 地音监测技术简介(以KJ623系统为例)
1.1 地音监测技术原理
地音现象是随着煤岩体被逐渐加压，其内在微缺陷被压裂、扩展或闭合，当裂纹扩展到一定规模、煤岩体受载强度接近其破坏强度时，开始出现大范围裂隙贯通的现象。
地音监测技术的原理是通过接收煤岩体介质内部在有载荷作用下发生微破裂时的声波，掌握微破裂发生的时间、位置和强度，在时间、空间和强度上分析煤岩体破裂过程中各阶段的力学行为与煤岩体内部结构变化之间的关系，探索主破裂发生的前兆信息和破裂后的演化规律。其所监测的地音事件能量较弱，震动频率较高，在300～2 000 Hz，即低能高频信号。
1.2 系统功能
KJ623煤矿用冲击地压地音监测系统是采用地音监测技术进行矿井冲击危险性评估的专用设备，利用监测网络对现场进行实时监测，其监测区域一般集中在主要生产空间(主要包括回采工作面和掘进工作面)。应用该系统可以实现对监测区域内较弱震动事件进行实时监测，经过系统软件的统计分析后，可以对监测区域当前的危险等级进行评估。
地音信号的多少、大小等指标的变化反映了煤岩体的受力情况，表征了煤岩体内部变形或破坏的情况，故通过对地音信号的采集、处理、分析和研究可以推断煤岩体内部的形态变化。
1.3 系统测点的布置与安装
KJ623煤矿用冲击地压地音监测系统采用总分式结构，主要由地音传感器、变送器、监测分站、地面主机等构成，如图1所示。
图1 系统结构与组成
Fig.1 System structure and composition
测点的合理布置对于煤岩体地音信号的有效监测至关重要，地音传感器的安装与布置内容包括：圈定监测区域与传感器有效接收范围、传感器安装位置、传感器安装结构、传感器安装层位及安装深度等。根据监测内容(顶板活动、煤层片帮或破裂)的不同，地音传感器的安装位置也应有所不同。系统可用于监测回采工作面，也可用于掘进巷道。
工作面布置方式如图2所示。靠近工作面最近的传感器与工作面保持40～100 m，其余传感器间距应选择40～50 m为宜，另外，随着开采进度的推进，需要移动传感器。KJ623地音传感器具有M20的螺纹接口，可直接拧在支护锚杆上，安装、拆卸简单方便，变更传感器位置时，取下传感器，将取下的传感器安装在距离工作面最远的传感器之后50 m左右的支护锚杆上即可(图2)。
图2 地音传感器安装示意
Fig.2 Sketch of sock sound sensor on the working face
2 第1种类型下的集中动载荷型地音预警信号规律分析
2.1 地音信号理论研究
根据引言中的分类原则，将地音监测系统接收到的地音信号分为3种类型，其中第1种类型又可细分为集中动载荷型地音信号、集中静载荷型地音信号、动静载叠加型地音信号。此外，根据动静载、能量释放主体，冲击地压类型可分为顶板型冲击地压、煤柱型冲击地压、断层型冲击地压、褶曲型冲击地压。因此，第1种类型下的集中动载荷型地音信号的预警主要针对于顶板型冲击地压以及断层型冲击地压。
岩石单轴受压条件下的全程应力应变曲线如图3所示[16]。曲线可划分为5个阶段，即O—A段，A—B段，B—C段，C—D段，D—段。结合相应的地音试验情况，以下将从2个角度(微观角度以及宏观角度)对岩石单轴受压情况以及地音试验情况进行阐述，O—A段为压密阶段，微观表现为岩石试件原始裂隙的闭合；A—B段为线弹性阶段，微观表现为岩石试件的弹性变形，该阶段符合Hook定律；B—C段为弹塑性过渡阶段，微观表现为岩石试件的微破裂开始产生并不断扩展，宏观变现为体积由压缩转向膨胀，此阶段是地音产生的主要阶段，也是地音仪器监测的主要阶段，随着应力的不断增大，微破裂不断产生、变大，地音信号也逐渐变强，甚至有可能达到仪器监测的能量最大值；C—D段为塑性阶段，微观表现为裂隙的加速扩展并贯通，宏观表现为体积的加速膨胀，该阶段通常伴随有大能量的释放，且能量值通常已超过地音仪器可监测的最大能量值，但由于大的能量释放时总是伴随有很多较小的能量，因而，地音仪器的监测数据通常在其所能监测能量的最大值附近；D—段为破坏阶段，宏观表现为岩石的冲击破坏，破坏后的岩石仍有一定的承载能力，该阶段的地音信号特点与岩石试件岩性有关。
图3 岩石的应力-应变全程曲线
Fig.3 Complete stress-strain curve of rock
当地音能量数据出现某一较大数值时，表明此时岩石产生了较大的微裂隙，同时，如果地音频次较多或持续时间较长，说明岩石此时积累了较多较大的微裂隙，假如这种情况持续发生，岩石较大的裂隙不断产生，裂隙就会产生扩展、贯通，岩石最终达到破坏。不同的岩石试件[17]，甚至相同岩性试件的不同层理[18]，在进行单轴受压试验时，地音信号也会略有不同，但不同的岩石试件在极限强度前都会出现一段地音信号的活跃期，而多数岩石在其单轴受压试验的弹塑性变形阶段会出现地音的活跃期，因而，准确捕捉到这个活跃期，可实现地音对冲击地压的预警作用。
依据冲击启动原理，煤岩体中的静载荷与矿震形成的动载荷叠加之和大于诱发煤岩体冲击破坏的最小载荷时，就会诱发冲击地压，即：
σj+σd≥σbmin
(1)
式中：σj为静载荷；σd为动载荷；σbmin为冲击破坏最小载荷。
当冲击地压的发生主要由动载荷引起时，冲击启动阶段的能量主要由σd提供，σj的作用在冲击地压的启动阶段贡献极少，其数值大小远低于煤岩体的破坏极限，其载荷情况如图4所示。
图4 动载荷型冲击地压载荷情况
Fig.4 Situation of pressure at dynamic load type rock burst
图4为动载荷型冲击地压发生的机理图，图中阴影区为煤岩体所受载荷大于其强度极限的区域，由图4可知，在冲击地压启动阶段，仅动载荷所提供的能量就已大于煤岩体冲击破坏所需的最小能量，从而导致冲击地压的发生。
在对第1种类型下的集中动载荷型地音信号的监测中，由于动载荷的特殊性，与静载荷逐渐增大不同，其具有突然性，初始阶段的能量也会很快达到地音所能监测到的能量范围高峰位置，在监测曲线上表现为能量曲线快速达到监测峰值区域，当能量释放长时间维持在高能量区域时，说明监测区域煤岩体有较大的破裂情况，并且有失稳的可能。
2.2 案例介绍
案例一。2016年11月24日约8时，新疆某煤矿南采区450B3+6工作面回风巷发生小型冲击事件，冲击位置位于超前工作面区域，该区域处于9-1传感器监测范围内。事件造成冲击区域巷道产生较大变形(其中，巷道顶底板移近量约1 500 mm，两帮移近量约2 800 mm)，同时造成一人受伤。
该煤矿南采区450B3+6工作面主采B3+6煤层，煤层最大厚度52.30 m，最小厚度39.85 m，平均厚度48.87 m，内含夹矸4～20层，夹矸总厚0.08～4.40 m，有益厚度为44.99 m。煤层倾角86°～89°，平均87°，属于急倾斜特厚煤层。450B3+6工作面采用急倾斜水平分层综采放顶煤开采方法，后退式回采方式，全部垮落法处理顶板。
此次事件中，地音监测系统起到了准确的预警作用，如图5所示。
图5 450B3+6工作面9-1传感器地音曲线
Fig.5 Sock sound curve of 450B3+6 working face
从传感器地音信号的变化情况来看，9-1传感器接收到的能量(频次)异常信号从11月22日13：30左右开始，11月25日13：10左右结束，能量值约20 000/min，频次约为50/min，如图3所示。另外，从地音曲线还了解到，该事件区域处的围岩直到11月25日13时10分左右才真正稳定。
此次事件发生区域的工作面开采方式为急倾斜水平分层综合放顶煤开采，后退式回采方式，全部跨落法处理顶板。地音信号的特点为初始处于稳定信号状况，之后地音数值迅速上升至较高数值(能量约20 000/min，频次约50/min)，且保持约40 h，之后便发生小型冲击，冲击后煤岩体继续缓慢运动，寻找应力平衡点。在此次地音对巷道的监测中，地音信号提前约40个小时监测到危险信号。
案例二。2013年10月24日约10时，甘肃某煤矿47208工作面回风巷420 m附近发生冲击事件，冲击区域最大片帮深度约1 500 mm，片帮宽度约3 000 mm，自工作面向回风巷延伸约40 m范围内出现顶板下沉，顶板最大下沉量约1 200 mm。47208工作面煤层呈单斜构造，埋深为435～500 m，工作面煤层平均倾角36.5°，煤层平均厚度10.3 m，煤层结构较简单。47208工作面采用急倾斜特厚煤层走向长壁综采放顶煤采煤法，全部跨落法管理顶板，黄泥灌浆处理采空区。
图6 47208工作面传感器地音曲线
Fig.6 Sock sound curve of 47208 working face
图6为该煤矿冲击事件地音监测曲线。47208工作面的地音监测系统安装后，能量、频次数值皆处在安全范围内，地音监测曲线显示，从10月22日约22时起，地音监测系统回风巷4号传感器数据发生急剧增加现象(能量值约21 600/min，频次约20/min)。10月24日约10时冲击事件发生后，地音信号逐渐降低至正常水平。
此次事件中，地音信号初始处于稳定信号状况，之后地音数值迅速上升至较高数值(能量约21 600/min，频次约20/min)，且保持约36 h，之后便发生小型冲击，冲击后，煤岩体继续缓慢运动，寻找应力平衡点。在此次地音对巷道的监测中，地音信号提前约36 h监测到危险信号。
2.3 集中动载荷型地音预警信号规律分析
从新疆450B3+6工作面的冲击事件，到甘肃47208工作面的冲击事件，虽然事件发生的地质条件、工作面的开采方式等差别很大，但我们仍可以从事件中总结出地音信号的变化规律：①从微震系统监测结果得知，2个矿的冲击事件中，冲击启动位置、冲击显现位置都在地音传感器的监测范围之内，另外，从地音信号变化特点来看，信号具有突然上升的特点，为集中动载荷型，因而判定两矿的冲击事件属于第1种模式下的集中动载荷型，同时这也说明了两个事件出现地音预警信号如此类似的原因。②在这种类型下，当地音能量和频次稳定在正常数值周围时，地音传感器监测区域应力变化较为稳定，煤岩体处于安全状态；当能量突然升高到约20 000/min 时，冲击启动区域应力变化明显，微破裂事件的破坏强度大，且达到集中动载荷破坏预警，当频次突然增大到40/min时，微破裂事件的频次较大，此时该区域的微破裂事件较为活跃，在此种能量强度和频次下，一般如果持续时间大于8 h，积聚的能量有突然释放的可能，此时工作面处于危险状态。③冲击发生后，能量频次恢复正常数值水平有2种形式，一是继续保持一段时间异常数值后，突然跳至正常数值；二是继续保持一段时间异常数值后，从异常数值渐变为正常数值。④该类型冲击地压的地音信号的最大特点为，地音信号由正常数值到异常数值是一个突变信号，且冲击地压发生前预警时间较长，一般大于8 h；冲击地压发生后，能量、频次仍将保持一段时间异常数值，待煤岩体应力重新达到平衡时，地音信号才恢复到正常水平。
3 结 论
1)以KJ623煤矿用地音监测系统为例，介绍了地音监测技术的技术原理、功能、测点的布置与安装等相关问题。
2)以新疆某矿450B3+6工作面，甘肃某矿47208工作面为例，通过查看两工作面冲击事件前的地音信号，总结出第1种类型下的集中动载荷型地音预警信号规律。即地音能量和频次值稳定在正常数值周围时，工作面处于安全状态。当数值突然升高至一异常数值(能量约20 000 min，频次约40 min)时，且持续较长时间(一般大于8 h)时，工作面处于危险状态。
3)借助于冲击启动原理，将地音预警信号分为3种类型，并对第1种类型下的集中动载荷型地音预警信号规律进行了详细研究，研究表明，该类型冲击地压的地音信号的最大特点为，地音信号由正常数值到异常数值是突变信号，冲击地压发生前预警时间较长，一般大于8 h；冲击地压发生后，能量、频次仍将保持一段时间异常数值，待煤岩体应力重新达到平衡时，地音信号才恢复到正常数值水平。其他情况的地音预警类型将作为以后研究的方向，从而完善与提高冲击地压地音预警信号的理论依据和可靠性。
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