一种基于声发射技术的矿井灾害防治系统及其实现方法

一种基于声发射技术的矿井灾害防治系统及其实现方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于声发射技术的矿井灾害防治系统及其实现方法。系统包括数据分析主机、地面交换机、井下交换机、AE主机、信号线和两个声发射传感器；声发射传感器的输出端经过信号线和AE主机相连；所述AE主机的输出端在依次经过井下交换机和地面交换机后与数据分析主机相连接。该系统利用声发射监测技术在线连续跟踪矿井回采工作面的回采过程，采集回采过程中声发射信号，分析信号的响应特征规律，捕捉回采过程中动力现象或灾害发生的前兆信息，分析动力现象或灾害发生前后的声发射演化规律，对试验工作面的煤岩瓦斯动力现象或灾害进行综合判识预警。
【专利说明】一种基于声发射技术的矿井灾害防治系统及其实现方法

【技术领域】
[0001] 本发明公开了一种基于声发射技术的矿井灾害防治系统及其实现方法，涉及矿井 灾害防治【技术领域】。

【背景技术】
[0002] 21世纪以来，国家对煤炭资源的深部开采给予高度重视，随着深度的增加，矿井开 采中出现的主要问题有：地温增高、瓦斯涌出量增加、矿山压力增大、冲击地压显著以及煤 的自燃发火危险增。从瓦斯突出量看，在深600?900m，尤其是700?800m是瓦斯突出频 率明显增高的深度。但对深部矿井瓦斯赋存研宄尚缺乏明确的共识，尤其是对深部瓦斯赋 存规律研宄的历史、现状与进展缺乏较全面的了解和认知。近年来，随着矿井开采深度不断 增加、开采强度加大，矿井深水平矿山压力日益显现，冲击地压、以地压为主导影响因素的 煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害也将日益突出。通过研宄深部矿井瓦斯赋存规律，为深部矿 井瓦斯防治、抽采达标等提供技术指导，显得非常必要。
[0003] 深部矿井瓦斯含量模型具有呈非线性特性。目前的单一静态预测方法，只能反映 煤岩瓦斯动力灾害的某一因素的指标及其变化，但对于深部开采条件下，复杂瓦斯动力灾 害是主控因素及控制因素之间的相关关系共同作用的结果，而声发射监测技术正是对主控 因素及其这一结果的实时在线监测，可以实现动态的实时超前预测及预警。而这一动态预 测技术也正是深部矿井瓦斯动力灾害预测预报的发展趋势。
[0004] AE声发射连续监测深部矿井特殊动力灾害技术是一种非接触式地球物理预测方 法，在时间和空间上具有动态、连续性，预测工作无需打钻或打钻工程量较少、不占用专门 的作业时间、不影响生产，具有目前普遍采用的传统预测技术所不具有的技术优势，是有潜 力的非接触式预测方法，是行业安全监测监控预警的发展趋势，正是矿井安全管理所急需 的有效监测技术。
[0005] 煤岩体在外界条件（地应力、瓦斯压力等）作用下，其内部将产生局部应力集中 现象。由于应力集中区的高能状态不稳定，它必将向稳定的低能状态过渡。在这一过渡 过程中，应变能将以应力波的方式快速释放并在煤岩体介质中传播，即煤岩体声发射现象 (acoustic emission，简称AE)。位错可能产生微水平的弹性应力波，而孪晶、颗粒界面的移 动、裂缝的产生和传播可能产生宏观水平的应力波，岩体受外力或内力作用产生变形或断 裂，可能产生很强烈的声发射现象。而有的声发射信号强度很弱，人耳不能直接听见，需要 借助灵敏的电子仪器才能检测出来，用仪器检测、记录、分析声发射信号和利用声发射信号 推断声发射源以及进行结构破坏趋势预测、煤岩动力灾害的预测预警等的技术称为煤岩 体声发射技术。
[0006] 声发射是煤岩变形和破裂过程中产生的应力波现象，煤岩变形和破裂的进程与地 应力大小、煤岩的强度等有着密切的关系，所以声发射特征参数主要反映工作面前方应力 活动情况，当应力处于活跃期时，产生的声发射信号较多，且能量越大，而应力活动处于平 静期时，则声发射信号较少甚至接收不到声发射信号。在应力水平较大、煤岩层较软、顶底 板破碎的区域（这些区域往往是突出危险区），采掘过程中煤岩的变形和破坏比较容易，此 时的声发射活动就较多而且集中，声发射特征参数指标值一般比较高。同时，由于瓦斯压力 的存在能够在一定程度上降低煤的破坏强度，在应力水平一定的条件下，减少煤抗破坏的 能力，使得声发射特征参数指标值有所增加。所以，声发射特征参数能够不同程度地反映引 发突出的地应力、瓦斯和煤的强度性质因素，从而反映出工作面的突出危险性。
[0007] 由于煤中原生的和次生的裂隙的强度远低于煤极限粒度的强度，所以，煤在受力 时优先在微裂隙产生破坏，表现出沿粒破坏形式，即微裂隙破坏。由于煤体中的微裂隙是随 机分布的，不完全是相互连通的。随着载荷的增加，在微裂隙之间的微孔隙上产生满足格里 菲斯准则的微孔隙破坏。所以，煤体的破坏形式包括3种：一是微裂隙破坏，二是微孔隙破 坏，三是前二者的组合破坏。在这三种破坏中，孔隙和裂隙中存在的瓦斯压力增强了有效正 应力，更有利于这种破坏的产生。随着载荷的增加，裂隙破坏进一步扩展，并可能产生分岔 现象。裂隙的扩展达到一定程度就停止了，扩展后的裂隙长度取决于最小主应力与最大主 应力的比值和原始裂隙长度。煤体的宏观破坏并不一定是单个裂隙的扩展形成的，当作用 于裂隙带的剪应力大于抗剪强度时，产生剪切位移，表现出在原裂隙方向上的剪切破坏；另 一种情况是，在最大和最小有效应力的作用下，裂隙扩展出现一组分岔稳定裂隙，当裂隙端 部产生的局部有效拉应力大于一定值时，分岔的裂隙进一步扩展，造成宏观的张性破坏。
[0008] 一般而言，煤岩的破坏过程包括原生裂隙的闭合阶段、新裂隙的产生、扩展及断 裂。在煤岩的变形和破裂过程中，声发射的产生可能来自于以下几个方面：①煤岩集团或颗 粒之间是靠各种桥键连接的，其键能远小于金属等材料的键能，在外力作用下，当大分子集 团和原子的位错、滑移引起桥键的断裂时会产生声发射现象；②煤岩大分子集团之间存在 的各种矿物质和胶结物也是靠分子键连接的，其断裂时也会产生声发射；③一部分源生裂 隙的扩展和新生裂纹的产生及扩展中也会产生大量的声发射现象；④在裂纹的发展中，彼 此之间会产生摩擦和碰撞等，此时也会产生声发射现象；⑤在裂纹扩展到一定程度，引起断 裂时，产生的声发射活动会更大、更集中。
[0009] 深部矿井瓦斯赋存条件复杂，单一静态方法预测只能反映煤岩瓦斯动力灾害的某 一因素的指标及其变化，对于深部开采条件下，复杂瓦斯动力灾害的分析显得无能为力。


【发明内容】

[0010] 本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的缺陷，提供一种基于声发射监测 技术的矿井灾害防治系统及实现方法，利用声发射连续监测预警技术在线实时监测工作面 的声发射信号特征，捕获动力灾害前兆，进行灾害的有效判识，起到灾害预测预警的作用， 提高试验工作面的突出危险预测准确度，为采取有效的针对性的灾害防治措施及工作面的 安全回采起到指导作用。
[0011] 本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
[0012] 一种基于声发射监测技术的矿井灾害防治系统，包括数据分析主机、地面交换机、 井下交换机、AE主机、信号线和两个声发射传感器；所述两个声发射传感器设置于机巷中 距离工作面前方50m以外位置处，两个声发射传感器之间相距IOm布置，所述声发射传感器 的输出端经过信号线和AE主机相连；所述AE主机的输出端在依次经过井下交换机和地面 交换机后与数据分析主机相连接；声发射传感器采集声发射信号，并产生相应的振铃计数， 振铃计数信号经过AE主机上传至数据分析主机。
[0013] 作为本发明的进一步优选方案，所述声发射传感器的设置采用孔底安装方式，具 体为：采用水泥注浆和叉式固定的安装方式，孔径cp65mm，孔深20m。
[0014] 作为本发明的进一步优选方案，所述声发射传感器的设置采用波导器安装方式： 声发射传感器通过特制接头安装在巷道顶板上的矿用标准高强锚杆上。
[0015] 作为本发明的进一步优选方案，随着工作面的回采，每间隔30m作为一个循环，将 声发射传感器依次后退安装。
[0016] 本发明还公开了一种对应所述基于声发射监测技术的矿井灾害防治系统的实现 方法，具体步骤为：
[0017] 步骤一、监测声发射传感器所采集到的声发射信号，统计其所产生的振铃计数，同 时监测钻孔瓦斯涌出的初速度和钻肩量这两个特征参数指标；
[0018] 步骤二、根据步骤一所得的数据，制作声发射信号的振铃计数、特征参数指标变化 规律及其与异常现象对应的变化曲线图；
[0019] 步骤三、根据步骤二得到的曲线图观测振铃计数的变化情况和特征参数指标的变 化情况，其中，振铃计数的变化情况反映工作面顶板及煤体的活动性，特征参数指标的变化 情况反应顶板活动过程中导致煤岩体的能量释放；
[0020] 步骤四、根据声发射信号变化的前兆特征性，对工作面可能发生的异常情况进行 提前预测预警，并实时反映工作面所采取针对性措施的执行情况。
[0021] 本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：在本发明所公开 的基于声发射监测技术的矿井灾害防治系统及实现方法中，声发射指标能够很好地超前 反映工作面前方存在的异常情况，敏感性明显优于工作面执行的常规校检指标，且提前捕 捉了工作面灾害的发生前兆信息，并提前近一个班的时间给出了警示。

【专利附图】

【附图说明】
[0022] 图1是回采工作面声发射监测示意图。
[0023] 图2是声发射信号的特征参数指标变化规律曲线。
[0024] 图3是发生灾害前后的声发射特征参数指标变化的规律曲线。

【具体实施方式】
[0025] 下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始 至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参 考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
[0026] 本【技术领域】技术人员可以理解的是，本发明中涉及到的相关模块及其实现的功能 是在改进后的硬件及其构成的装置、器件或系统上搭载现有技术中常规的计算机软件程序 或有关协议就可实现，并非是对现有技术中的计算机软件程序或有关协议进行改进。例如， 改进后的计算机硬件系统依然可以通过装载现有的软件操作系统来实现该硬件系统的特 定功能。因此，可以理解的是，本发明的创新之处在于对现有技术中硬件模块的改进及其连 接组合关系，而非仅仅是对硬件模块中为实现有关功能而搭载的软件或协议的改进。
[0027] 本【技术领域】技术人员可以理解的是，本发明中提到的相关模块是用于执行本申请 中所述操作、方法、流程中的步骤、措施、方案中的一项或多项的硬件设备。所述硬件设备可 以为所需的目的而专门设计和制造，或者也可以采用通用计算机中的已知设备或已知的其 他硬件设备。所述通用计算机有存储在其内的程序选择性地激活或重构。
[0028] 本【技术领域】技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式"一"、"一 个"、"所述"和"该"也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措 辞"包括"是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加 一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元 件被"连接"或"耦接"到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在 中间元件。此外，这里使用的"连接"或"耦接"可以包括无线连接或耦接。这里使用的措 辞"和/或"包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
[0029] 本【技术领域】技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术 术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应 该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的 意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0030] 下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
[0031] 在本发明的一个具体实施例中，AE现场试验依托平煤十矿己15-24080回采工作 面，该采面位于十矿己四采区西翼第三阶段，东靠己四轨道下山、瓦专、运输机下山，西至26 勘探线，南为己15-24060采空区，北未开采。工作面标高-460. 8?-629. 5m，工作面埋深 631?900m。工作面所采煤层为己15煤层，外段己15与己16合层，里段分开，合层区煤厚 一般在3. 5m左右，最厚达4m以上。煤厚1. 6?2. 6m，一般为2. 2m，煤层倾角10?37°， 平均24°。己15煤层直接顶为4. 6?14m厚的砂质泥岩含薄层状碳质泥岩，上为大于18m 厚的细至中粒砂岩；直接底为泥岩，厚0?7. 5m。己15煤层原始瓦斯压力2. 23Mpa，瓦斯 12.37m/t〇
[0032] 利用YSFS(A)声发射监测系统在线连续跟踪己15-24080回采工作面的回采过程， 跟踪工作面约150m，采集回采过程中声发射信号，分析信号的响应特征规律，捕捉回采过程 中动力现象或灾害发生的前兆信息，分析动力现象或灾害发生前后的声发射演化规律，对 试验工作面的煤岩瓦斯动力现象或灾害进行综合判识预警。整体试验方案图如图1所示。
[0033] 将监测工作面试验区域范围选在工作面第二回采区段，并以试验周期划分为：初 期试验阶段、扩大性试验阶段。初期试验阶段：距工作面初始切眼360m开始至距工作面初 始切眼430m(试验范围70m)。此范围内工作面存在物探异常区A5、A6、A7三个异常区，其 中A5、A6为风巷侧的正断层，A5断层落差0. 5m，深度103m。且此范围内巷道掘进期间经常 出现喷孔、卡钻、响煤炮等异常动力现象。在机巷侧安装2个声发射传感器。扩大性试验阶 段：距工作面初始切眼430m开始至距工作面初始切眼510m(试验范围80m)。工作面此范 围内巷道掘进期间经常出现喷孔、卡钻、响煤炮等异常动力现象。在己15-24080采面机巷 距离工作面前方50m位置处布置1个声发射传感器，后退IOm布置第2个传感器。随着工 作面的回采，每30m作为一个循环将传感器后退安装。其中，传感器安装方式共分两种：
[0034] 1)孔底安装方式：安装方式采用水泥注浆和叉式固定的安装方式，孔径cp65mm， 孔?米20m。
[0035] 2)波导器安装方式：传感器通过特制接头安装在巷道顶板上的矿用标准高强锚 杆上。
[0036] 从2013年6月6日开始，声发射系统已连续跟踪考察工作面约170余m，进行工作 面防突措施效果检验41个循环，钻孔瓦斯涌出初速度、钻肩量2个检验指标均未出现测试 超标现象。选用声发射的振铃计数及能量2个特征参数指标进行规律分析。图2为监测期 间的声发射信号的振铃计数、能量2个特征参数指标的变化规律及异常现象等对应的变化 曲线。声发射信号特征参数变化与工作面出现的煤炮、瓦斯涌出异常、顶板活动、措施执行 等有着良好的对应关系，且声发射信号变化具有明显的前兆特征，能够超前反映工作面可 能发生的异常情况，做到对工作面可能发生的异常情况进行提前预测预警，并且能够实时 反映工作面采取的针对性措施执行情况。
[0037] 以图2中的2013年7月3号中班18:06分发生的以地应力为主导的"瓦斯大幅 超限"灾害分析。采面在推进第2刀，推到91?99架处时发生瓦斯超限，切眼探头浓度最 大达到3. 34%，上隅角达到4. 7%，风里探头达到1. 36%，风外探头1. 69%。经计算切眼涌 出瓦斯量达276m3^，大致计算参与煤量35. 84t，吨煤瓦斯涌出量约为7. 7m3/t。经现场勘 查，采面在126架以下至70架之间煤壁片帮显现明显，尤其是99架至71架之间尤为明显， 煤壁出现大量从上而下斜切纵向裂隙，裂隙宽约2?5mm，在80架左右有2条落差0. 4? 0. 6m小正断层，煤壁垮落处看到明显构造应力产生的镜面节理，84?71架煤壁整体外移 200?500mm，煤壁钻孔在200?500mm深度发生明显错位，用手插进孔里可以明显摸到煤 体内错台及裂缝，该区域个别钻孔现场实测瓦斯最大1. 3?1. 5%，煤壁裂隙内溢出瓦斯也 明显较其他区域稍高，在84架小断层以下底板有约6?9m长发生100?200mm轻微底鼓 现象。综合动力现象显现特征，本次灾害整体来看应属于以地应力为主导的煤岩挤出。
[0038] 7月2号早班区域验证时测试q值最大0. 96L/min，钻肩量S最大3Kg/m，Δ h2最 大60Pa，未出现指标超限的情况。7月2号夜班打防突措施孔，持续时间从8 :30?7月3 号00 :30,期间未出现任何异常。且在灾害发生前工作面瓦斯浓度监控曲线未有明显的异 常波动，瓦斯涌出变化比较平稳。
[0039] 由图3的2013年7月3号中班18 :06发生以地应力为主导的"瓦斯大幅超限"灾 害前后的声发射特征参数指标变化的规律曲线可以看出，声发射指标在灾害发生前出现大 幅震荡，且特征参数指标水平明显高于正常区域的指标水平，振铃计数平均在100个以上， 最大值达到494个，并伴随着大量的能量释放。2个特征参数指标变化总体上呈增加趋势。 且在灾害发生时各特征参数指标均明显降低。进一步可以看出，特征参数指标在7月3号 12 :02 :16. 12时出现明显的大幅增加及连续高水平波动，而此时工作面处于检修阶段，且 传感器埋设在煤体深部，不易受明显的人为干扰及作业干扰等信号干扰。而且指标变化时 间连续密集，说明了工作面自身的活动性大大增加。
[0040] 结合声发射振铃计数和能量两个特征参数指标的特点：振铃计数的变化可以反 映工作面顶板及煤体的活动性，能量指标的变化反应顶板活动过程中导致煤岩体的能量释 放。
[0041] 因此，通过声发射振铃计数和能量指标的变化很好地说明了工作面顶板和煤体的 活动性大大增加，并伴随着煤岩体活动过程中的能量释放。且在灾害发生前，有1次比较大 的能量释放，相应的顶板的活动性也减弱，表明了工作面进入了临界稳定状态，随着工作面 的推进，工作面煤壁的煤被割掉，破坏了工作面的安全屏障，导致了后方的煤体被挤压出， 并伴随着大量的瓦斯涌出，造成了本次灾害的发生。
[0042] 综合以上可以看出，声发射指标能够很好地超前反映工作面前方存在的异常情 况，敏感性明显优于工作面执行的常规校检指标，且提前捕捉了工作面灾害的发生前兆信 息，并提前近一个班的时间给出了警示。
[0043] 上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施 方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下 做出各种变化。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的 限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的 技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动 或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术 实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进 等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种基于声发射监测技术的矿井灾害防治系统，其特征在于：包括数据分析主机、 地面交换机、井下交换机、AE主机、信号线和两个声发射传感器； 所述两个声发射传感器设置于机巷中距离工作面前方50m以外位置处，两个声发射传 感器之间相距l〇m布置，所述声发射传感器的输出端经过信号线和AE主机相连； 所述AE主机的输出端在依次经过井下交换机和地面交换机后与数据分析主机相连 接； 声发射传感器采集声发射信号，并产生相应的振铃计数，振铃计数信号经过AE主机上 传至数据分析主机。
2. 如权利要求1所述的基于声发射监测技术的矿井灾害防治系统，其特征在于：所述 声发射传感器的设置采用孔底安装方式，具体为：采用水泥注浆和叉式固定的安装方式，孔 径可根据矿山钻机进行调整，孔深大于20m。
3. 如权利要求1所述的基于声发射监测技术的矿井灾害防治系统，其特征在于：所述 声发射传感器的设置采用波导器安装方式：声发射传感器通过特制接头安装在巷道顶板上 的矿用标准高强锚杆上。
4. 如权利要求1所述的基于声发射监测技术的矿井灾害防治系统，其特征在于：随着 工作面的回采，每间隔一定距离作为一个循环，将声发射传感器依次后退安装。
5. -种对应权利要求1所述基于声发射监测技术的矿井灾害防治系统的实现方法，其 特征在于，具体步骤为： 步骤一、现场打钻并安装该检测体统。监测声发射传感器所采集到的声发射信号，统计 其所产生的振铃计数，同时监测钻孔瓦斯涌出的初速度和钻肩量这两个特征参数指标； 步骤二、根据步骤一所得的数据，制作声发射信号的振铃计数、特征参数指标变化规律 及其与异常现象对应的变化曲线图； 步骤三、根据步骤二得到的曲线图观测振铃计数的变化情况和特征参数指标的变化情 况，其中，振铃计数的变化情况反映工作面顶板及煤体的活动性，特征参数指标的变化情况 反应顶板活动过程中导致煤岩体的能量释放； 步骤四、根据声发射信号变化的前兆特征性，对工作面可能发生的异常情况进行提前 预测预警，并实时反映工作面所采取针对性措施的执行情况。
【文档编号】E21F17/18GK104500139SQ201410668552
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年11月13日 优先权日:2014年11月13日
【发明者】高明忠, 呂有厂, 张茹, 代志旭, 段守德, 王满, 郭明功, 陈建忠 申请人:四川大学