煤巷掘进工作面声发射监测传感器超前布设工艺研究
时间：2023-07-27 来源：中国煤炭杂志官网 分享：★ 煤矿安全 ★
煤巷掘进工作面声发射监测传感器超前布设工艺研究
0 引言
工作面突出危险性预测是两个“四位一体”中局部综合防突措施的重要环节和安全保障[1-2]，2019年颁布实施的《防治煤与瓦斯突出细则》中明确规定[3]：为使工作面预测更可靠，鼓励矿井根据实际条件增加一些辅助预测指标，如声发射结合物探、钻探等手段，参考煤体结构并以采掘作业与钻孔施工过程中的实际现象为依据进行工作面突出危险性综合预测。因此，多指标、多手段相结合的工作面突出危险性预测将是突出预测的一个发展方向[4-5]。声发射预测技术属于超前非接触式连续预测[6-8]，可极大提高工作面采掘作业效率、降低预测钻孔工程量、节约人工成本，而声发射监测传感器安装位置决定了监测信号的可用性与有效性，合理的监测传感器超前布设工艺是决定声发射监测效果可靠及预测准确性的基础。目前声发射预测技术已经应用于矿井回采工作面[9-10]，并建立了监测传感器安装方法，取得了较好监测效果[11]，如上向孔与平孔叉式安装法[12]、波导器安装方法[13]。我国煤矿发生突出事故统计数据资料显示：煤巷掘进工作面突出事故发生频次与人员伤亡较多[14-15]，因此笔者重点对煤巷掘进工作面声发射监测传感器的超前布设工艺进行研究与现场考察。
1 工程背景
为确保研究过程中采集到丰富的声发射监测信号，拟在具备煤层松软、透气性差、煤中瓦斯初始解吸速度快等瓦斯地质赋存典型特征的贵州矿区开展声发射传感器超前布设工艺研究。经实地调研并结合矿井采掘部署情况，最终确立在贵州大方煤业有限公司小屯煤矿(以下简称“小屯煤矿”)16中13运输巷掘进工作面(以下简称“13运输巷”)开展试验研究。16中13回采工作面(以下简称“13回采面”)布置如图1所示，在13运输巷下方靠13轨道巷一侧垂距25～30 m处布置13运输巷底抽巷并已完成掘进。小屯煤矿13运输巷位于井田一采区南翼，工作面标高+1 385～+1 420 m，西北面为13回采面，东南面设计为16中15工作面。13运输巷煤巷设计长度1 580 m，采用综掘机沿6中号煤层底板掘进，掘进后采用锚网喷+锚索进行支护。6中号煤层属于突出煤层，煤层厚度2.01～2.47 m，平均煤厚2.28 m，煤层倾角0°～5°，平均倾角2°。13回采面采用底板巷穿层钻孔结合本煤层顺层钻孔预抽煤层瓦斯的区域防突措施，掘进工作面掘进过程测定钻屑瓦斯解吸指标K1值与钻屑量S进行工作面突出危险性预测。现场考察试验前，13运输巷待掘煤巷长度剩余约350 m，具备研究条件，经与矿方协商确立在13运输巷待掘区域开展声发射监测传感器布设工艺研究。
图1 小屯煤矿13回采面巷道布置
本次研究采用中煤科工集团重庆研究院有限公司自主研发的煤岩动力灾害声发射监测系统进行信号采集、处理与分析，该系统在井下通过监测传感器与信号采集主机完成信号采集与数字化转化，并通过光纤及矿井监控环网将信号传输至地面进行处理分析，其组成及系统构架如图2所示。
图2 声发射监测系统框架
2 监测传感器布设工艺研究
2.1 监测传感器安装方式研究
13运输巷掘进工作面内除掘进机掘进作业外，还有锚杆及锚网支护以及掘进机后方的瓦斯抽采钻孔施工等作业，底板巷也有穿层钻孔施工等影响，因此无论是在掘进工作面还是底抽巷内安装监测传感器都存在正常作业所产生的干扰信号。为有效屏蔽巷道空间内作业所产生的干扰信号，系统采用棒状电压式监测传感器并安装在钻孔内部进行数据采集。
为实现对煤巷掘进工作面掘进过程可能发生的异常现象进行有效监测预警，声发射监测传感器需超前布置在掘进工作面前方煤体中，且不能位于煤巷掘进轮廓线内，以免造成传感器破坏。根据小屯煤矿13回采面巷道布置情况，可在13运输巷后方钻场内向掘进工作面前方施工顺层钻孔以及在13运输巷底抽巷内向13运输巷掘进工作面前方施工穿层钻孔2种方式安装监测传感器，并对2种监测传感器安装方式进行研究考察。监测传感器安装方式如图3和图4所示。
1—传感器；2—顺层钻孔；3—钻场；4—信号线；5—掘进头
图3 传感器顺层钻孔安装平面示意
1—传感器；2—13轨道巷；3—信号线；4—13运输巷底抽巷；5—穿层钻孔；6—13运输巷；
图4 传感器穿层钻孔安装剖面示意
2.2 监测系统搭建
根据掘进工作面掘进进度，在小屯煤矿13运输巷与13运输巷底抽巷施工顺层与穿层钻孔，超前布设传感器并进行信号采集，将传感器采集的声发射信号通过信号线、井下信号采集主机以及矿用光纤传输至井下交换机，通过矿井安全监控网络传输至地面进行信号分析，监测系统搭建框架如图5所示。
图5 声发射监测系统现场搭建示意
2.3 监测传感器安装
依据声发射监测传感器直径，传感器安装钻孔孔径为Φ94 mm。由于监测传感器在孔内不能出现晃动，以免传感器自身产生干扰信号，所以输送至孔底后需将传感器进行固定，同时要保证长距离上行钻孔内传感器的顺利输送，因此设计并加工了可伸缩式弹性倒爪将与传感器顶端与底端进行连接，如图6所示。
图6 声发射监测传感器倒爪连接
通过四分铁管推动传感器底端倒爪结构向试验钻孔孔底输送安装，传感器安装到位后将四分铁管撤出并在孔口进行封堵，以完成传感器安装。通过拖拽信号线方式发现传感器有无松动或者滑动现象。采用可伸缩式倒爪安装与固定监测传感器，保证了监测传感器输送的简易性与固定的牢靠性，同时监测传感器安装到位后可撤出四分管，避免巷道内部磕碰四分管，造成干扰信号，同时节约了安装成本。
3 试验效果
根据监测传感器不同安装方式以及现场传感器安装实际情况，并结合监测系统采集到的监测信号，在客观需求、安装工艺可行性以及监测信号采集质量优劣性等方面对上述2种监测传感器安装方式进行考察。
3.1 安装工艺考察
(1)在客观条件需求方面，本煤层顺层钻孔施工需在钻场内施工钻孔，而底板巷由于巷道已经施工完毕，对钻孔施工位置没有限制。
(2)对于矿方日常作业影响，煤巷掘进工作面由于存在掘进作业、掘进机后方本煤层抽采钻孔的施工作业，因此本煤层传感器安装钻孔的施工对矿方日常工作影响较大，而底板巷施工传感器安装钻孔对矿方日常工作影响较小。
(3)2种监测传感器安装方式均能保证监测传感器成功输送安装至设计位置，本煤层钻孔内传感器安装更加方便。
(4)底板巷穿层布设监测传感器可通过在底板巷内不同位置施工多个钻孔超前布设多个监测传感器，在传感器超前布设方面要优于顺层钻孔传感器安装方式。
结合安装条件、工程影响、安装可行性以及传感器布设超前性分析，监测传感器安装工艺应优先选取底板巷穿层钻孔布设传感器。
3.2 监测信号效果分析
利用顺层及穿层试验钻孔安装的监测传感器，同时采集13运输巷掘进工作面煤巷掘进期间的声发射监测信号，并通过声发射监测系统对所采集的监测信号全波形数据进行分析，以时谱图方式考察不同监测传感器安装工艺背景下监测信号的可用性与真实性。通过对比现场作业时间并整理采集的信号，随机抽取并回放出同一时刻顺层与穿层试验钻孔内传感器的监测信号全波形如图7所示。
图7 监测传感器不同安装方式下全波形信号时谱
对比图7(a)与(b)可知，顺层钻孔内监测传感器采集到的干扰信号较多，煤岩体内真实声发射信号被覆盖掉，这使后期信号分析增加了难度，且可能影响利用声发射监测数据进行灾害判识的准确性；通过图7(c)与(d)发现，顺层钻孔内监测传感器采集到的全波形信号存在较大的毛刺点，由于监测系统采集原始信号为电压信号，因此煤巷掘进工作面内多种大型供电设备的启停对真实信号的采集会产生影响，因此需在监测效果方面底板巷穿层钻孔安装监测传感器要优于顺层钻孔。
综合现场考察及信号分析，在煤巷掘进工作面进行声发射监测传感器超前布置时，宜采用底板巷穿层钻孔安装传感器的布设方式。
4 结论
(1)研制了可伸缩式弹性倒爪机构，实现了监测传感器在大倾角上行钻孔内的顺利输送与稳定固定，确保了监测传感器在钻孔内指定位置的有效安装，为监测传感器超前布设工艺的建立提供保障。
(2)结合矿井实际研究并制定了煤巷掘进工作面声发射监测传感器本煤层顺层钻孔与底板巷穿层钻孔2种传感器布设工艺，基于此，以小屯煤矿13运输巷为工程背景完成了传感器安装工艺布设与监测系统搭建。
(3)现场考察了声发射传感器在不同安装工艺的可行性并对比了监测信号真实性，煤巷掘进工作面底板巷穿层钻孔安装传感器方式具备可执行性，且监测信号更加接近煤岩层内真实信号，减少了干扰信号的采集，以此建立了煤巷掘进工作面声发射监测传感器底板巷穿层钻孔超前布设工艺。
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