我國煤礦沖擊地壓監(jiān)測預警技術的現(xiàn)狀與展望

鞠文君，潘俊鋒

(天地科技股份有限公司開采設計事業(yè)部，北京100013)

沖擊地壓是指礦山井巷或采場周圍煤巖體，由于彈性變形能的瞬間釋放而產生的以突然、急劇、猛烈的破壞為特征的動力現(xiàn)象［1］。對于煤礦企業(yè)來說，如何預測沖擊地壓的發(fā)生;在什么時候、什么位置去進行解?；蛘T導;不得已的情況下怎樣合理避災，是沖擊地壓防治必須面對的問題。因而，探索沖擊地壓前兆信息，辨識沖擊地壓危險源分布特征，以及在此基礎上探索沖擊地壓監(jiān)測預警技術是沖擊地壓研究的重要內容。

國內外學者針對沖擊地壓前兆信息探測開展了許多研究［1－6］，取得了一系列重要理論成果。近年來，在沖擊地壓監(jiān)測手段上也有長足進展，一些高技術含量的監(jiān)測設備被引入到沖擊地壓的監(jiān)測預警中來。但由于沖擊地壓發(fā)生條件復雜，預警模式多樣，監(jiān)測設備繁多，使得煤礦企業(yè)在沖擊地壓防治工作中眼花繚亂，無所適從。

本文分析了我國煤礦沖擊地壓監(jiān)測預警的主要方法和模式，指出了沖擊地壓的監(jiān)測預警發(fā)展趨勢，以期對沖擊地壓監(jiān)測預警和防治工作有所幫助。

1 煤礦沖擊地壓主要監(jiān)測預警方法

沖擊地壓監(jiān)測預警方法復雜多樣，并不斷推陳出新，根據(jù)監(jiān)測目標與原理可將其分為2類:巖石力學方法和地球物理方法。

1.1 巖石力學方法

巖石力學方法主要以監(jiān)測沖擊地壓發(fā)生前圍巖變形、離層、應力變化、動力現(xiàn)象等特征為主，屬于直觀接觸式監(jiān)測方法，主要包括煤粉鉆屑法、鉆孔應力計法、支架載荷法、圍巖變形測量法等。

(1)煤粉鉆屑法 由德國首先提出，目前在國際上已被廣泛應用，是我國沖擊地壓前兆探測最基本的一種監(jiān)測手段。我國《沖擊地壓煤層安全開采暫行規(guī)定》和《煤礦安全規(guī)程》都將鉆屑法作為確定沖擊危險程度和采取措施后的效果檢驗方法。該方法簡單，便于實施，能直接反映煤體壓力大小，并且通過不同深度的取屑，可以測量煤體不同深度的壓力狀態(tài)，實現(xiàn)“線”監(jiān)測。缺點是:探測范圍小，打鉆工程量大，鉆機布置受巷道斷面、設備等影響，取屑、稱量等過程人工操作存在較大誤差，目前還不能實現(xiàn)在線監(jiān)測，探測范圍有限，有時顧此失彼。

(2)鉆孔應力計法 此法在我國已有幾十年的歷史，最早由原煤炭科學研究總院北京開采研究所 (現(xiàn)天地科技股份有限公司開采設計事業(yè)部)研發(fā)，通過在煤體中埋設帶有油管的壓力枕來間接反映煤體應力值。鉆孔應力計法測試的是煤體相對應力值，這個值雖然不是煤體垂深位置處的真實垂直應力，但可以得到監(jiān)測處采動應力變化。2004年這套儀器實現(xiàn)了在線連續(xù)監(jiān)測，主要監(jiān)測應力變化梯度，命名為采動應力監(jiān)測系統(tǒng)。該方法的優(yōu)點是:直接深入煤體中探測煤體應力大小，不受外界干擾;監(jiān)測數(shù)據(jù)可實現(xiàn)自動采集，在線傳輸;監(jiān)測范圍隨著傳感器的增加而增大;探測應力值屬于超前探測，也是沖擊地壓的力源探測，符合沖擊地壓發(fā)生機理。不足之處是:傳感器只能反映所在位置的應力，屬于“點”監(jiān)測，每個傳感器性能、初始參數(shù)各異，因此相鄰傳感器探測值離散性較大，不適合關聯(lián)分析;監(jiān)測數(shù)據(jù)受安裝質量影響很大。

(3)支架載荷法 支架載荷是回采工作面和巷道礦壓最基本的觀測內容，其通過支護體受力的大小和變化來反映外載特征，主要觀測項目有液壓支架工作阻力、錨桿及錨索載荷等，近年來支架載荷的監(jiān)測儀器實現(xiàn)了在線連續(xù)監(jiān)測。沖擊地壓發(fā)生前的應力集中和能量聚集一定會在支架載荷上有所反映，但支架載荷受多種因素影響。然而，近期沖擊地壓發(fā)生主要在綜放工作面的回采巷道，單純依靠支架載荷還不能及時準確預警沖擊地壓。

(4)巷道變形測量法 對巷道圍巖變形情況的測量，綜合反映了圍巖強度和外載的耦合礦壓效應，沖擊地壓發(fā)生必然伴隨巷道的劇烈變形，因此可以通過觀測巷道變形量和變形速度間接警示沖擊地壓的發(fā)生。目前對兩幫移近和底鼓的觀測基本采用手工量測，對于頂板下沉和離層的觀測目前已實現(xiàn)在線連續(xù)觀測。該方法的優(yōu)點是:方便直觀，簡單易行，成本低，觀測結果可同時用于礦壓分析和校核支護設計。缺點是:方法粗略，監(jiān)測數(shù)據(jù)準確程度受人工操作影響較大，人工監(jiān)測數(shù)據(jù)不連續(xù)，并且為表面監(jiān)測，同載荷法一樣巷道變形受多因素影響，預警的特征性不是很明顯，難以用此單指標預測沖擊地壓的發(fā)生。

1.2 地球物理方法

實際上，煤巖體在采動影響下，其產生裂隙，發(fā)生破壞時向外發(fā)射出振動波、電磁輻射等信號，通過對這些地球物理信號的遠程響應分析，可以間接地辨識到沖擊地壓危險源及其發(fā)展趨勢。地球物理方法主要根據(jù)煤巖破壞時會釋放出彈性波、地音、電磁波等信號，通過捕捉這些信號來預警沖擊地壓，屬于非接觸式、遠程監(jiān)測方法。地球物理方法主要有:微震法、地音法、電磁輻射法等。

(1)微震法 井下煤巖體是一種應力介質，當其受力變形破壞時，將伴隨著能量的釋放過程，微震是這種釋放過程的物理效應之一，即煤巖體在受力破壞過程中以較低頻率 (f＜100Hz)震動波的形式釋放變形能所產生的震動效應。微震監(jiān)測系統(tǒng)通過對煤巖破壞啟動發(fā)射的震動波的響應，實現(xiàn)約10km范圍的危險源探測。

微震法優(yōu)點是:監(jiān)測范圍廣，比地震臺定位精度高出上千倍，能對煤巖破裂事件作出較準確的定位，并計算出釋放能量;在線實時監(jiān)測，節(jié)省人力，并及時通報信息，軟件數(shù)據(jù)后處理功能強大;設備傳感器布置在開拓巷道，受井下設備影響小，可重復使用，波蘭的第五代產品ARAMIS M/E使用期一般15～20a。缺點是:初期投資較大，價格較高;井下傳感器布置受開采范圍影響，開采水平越多，形成包圍網絡時精度越高，目前水平、垂直定位誤差仍然在兩位數(shù);傳感器優(yōu)化布置需要人為爆破，不能自動化自我調整。

(2)地音法 地音是煤巖體破裂釋放的能量以彈性波形式向外傳遞過程中所產生的聲學效應。地音是由于井下開采活動誘發(fā)的，其震動頻率高，大約150～3000Hz;震動能量一般為0～103J。與微震相比，地音為一種高頻率、低能量的震動。研究表明地音是煤巖體內應力釋放的前兆，地音信號的多少、大小等指標反映了巖體受力的情況。地音監(jiān)測系統(tǒng)是通過對近場煤巖破壞啟動發(fā)生的地音信號的響應，實現(xiàn)約200m范圍的危險源探測［8－10］。

煤巖層的破壞、裂隙擴展總是經歷一個量變到質變的過程。因此對微震活動頻繁的重點區(qū)域，采用地音監(jiān)測技術，是對微震監(jiān)測技術的補充。

地音監(jiān)測區(qū)域一般集中在主采工作面和掘進工作面。通過提供統(tǒng)計單位時間監(jiān)測區(qū)域內地音事件的頻度、能率、頻率、延時等一系列地音參量，找出地音活動規(guī)律，以此來判斷監(jiān)測區(qū)域的煤巖體受力狀態(tài)和破壞程度。

2008年10月，煤炭科學研究總院開采分院沖擊地壓研究室人員將地音監(jiān)測技術從波蘭引進國內。圖1為華亭礦區(qū)硯北煤礦井下地音探測器布置方案示意圖。可見工作面每條巷道布置2個探測器，隨著工作面的推進，探測器邁步遷移。通過對一段時間內接收到的煤巖破壞地音信息的分析，可以分別按分、小時、工作班對當時危險狀態(tài)作出評價。

圖1 硯北煤礦井下ARES 5地音傳感器布置

地音監(jiān)測方法的優(yōu)點是:依據(jù)量變到質變的原理，填補了微震所監(jiān)測不到的盲區(qū);設備井下安裝簡單、方便;傳感器可重復性使用，使用周期較長;軟件數(shù)據(jù)后處理功能強;在線實時監(jiān)測，節(jié)省人力，監(jiān)測范圍較大。

(3)電磁輻射法 俄羅斯在前蘇聯(lián)時期就研究應用電磁輻射法，近年來，該方法在我國的應用也較廣泛，它通過接收煤巖破壞產生的電磁輻射來測量煤巖體內應力集中程度。電磁輻射是一種非接觸式探測方法，其優(yōu)點是:不需要安裝，直接掛靠在巷道煤幫;為便攜式設備，單個工人就能攜帶;可實現(xiàn)在線監(jiān)測。缺點在于不能實現(xiàn)定位，而且監(jiān)測范圍也只有數(shù)十米，受井下變頻設備干擾較大。

2 沖擊地壓主要監(jiān)測預警模式分析

以上分析表明，沖擊地壓預警方法眾多，對于不同礦區(qū)，可能采用一種方法，也可能采用幾種方法進行綜合監(jiān)測，因此形成了不同的預警模式。

2.1 單一人工探測

單一人工探測主要在一些以前未出現(xiàn)過，目前有沖擊地壓跡象的省份或礦區(qū)應用。采用鉆屑法、鉆孔應力監(jiān)測、巷道變形觀測中的一種方法。這種模式由于人員工作量較大，單一的監(jiān)測結果缺乏驗證、比較，因此預警可靠度最低，甚至不能警示災害的發(fā)生。

2.2 綜合礦壓觀測

綜合礦壓觀測主要是將巖石力學方法中的幾種方法組合起來使用，例如鉆屑法、巷道變形觀測、鉆孔應力監(jiān)測，甚至將采場、巷道支架的工作阻力監(jiān)測組合進來。這種模式主要在一些已經出現(xiàn)，但是沖擊地壓顯現(xiàn)較輕的省份或礦區(qū)應用，雖然能將監(jiān)測結果進行橫向比較，相互驗證，但都是近距離監(jiān)測，監(jiān)測結果往往難以滿足指導沖擊地壓防治的要求。究其原因有三:一是采用巖石力學方法監(jiān)測到的圍巖變形等特征，很難判斷出是常規(guī)礦壓顯現(xiàn)還是沖擊地壓前兆;二是沖擊地壓發(fā)生經歷3個階段［11］，上述巖石力學方法監(jiān)測半徑相對較小，一旦監(jiān)測到圍巖驟變特征，沖擊地壓本身已經即將進入第3階段，即沖擊地壓顯現(xiàn)階段，預警的作用降低;三是采掘活動空間采動圍巖的應力調整導致圍巖變形本身是一種能量釋放，因此，這種近表面監(jiān)測模式預警沖擊地壓可靠性仍然很低。

2.3 單一物探監(jiān)測

單一物探監(jiān)測主要是采用電磁輻射儀、微震監(jiān)測系統(tǒng)、地音 (聲發(fā)射)監(jiān)測系統(tǒng)中的一種監(jiān)測預警沖擊地壓。這種模式以監(jiān)測煤巖中的集中動載荷源為目標，忽視了圍巖近場集中靜載荷是沖擊啟動的內因［11］，主要應用在沖擊地壓事件較多，已經出現(xiàn)過破壞性沖擊地壓的礦井，雖然考慮到了采掘活動空間遠場圍巖的破壞對沖擊啟動的促進作用，但是由于各自監(jiān)測原理及有效監(jiān)測半徑的不同，使用效果差異較大，并且單一方法缺乏驗證。

2.4 多參量綜合監(jiān)測

多參量綜合監(jiān)測是將巖石力學方法與地球物理方法相組合的一種監(jiān)測預警模式。這種模式投入的人力、物力相對較大，是我國典型的沖擊地壓礦井主要應用模式，例如新汶華豐礦、撫順老虎臺礦、臨沂古城礦、徐州三河尖礦、義馬千秋、躍進礦、甘肅華亭礦等。該模式考慮到了各種手段的局限性，采用綜合的指導思想，同時采用所有監(jiān)測手段，實踐證明沖擊地壓監(jiān)測預警仍然是重大難題。

3 沖擊地壓監(jiān)測預警存在的問題及發(fā)展趨勢

3.1 我國煤礦沖擊地壓監(jiān)測預警存在的問題

因地質條件和投入的不同，沖擊地壓災害防治效果也不同。沖擊地壓防治的最薄弱環(huán)節(jié)是不能夠準確預測，除了監(jiān)測預警設備存在各自缺陷外，在設備應用方面也存在很多技術方面的問題。

(1)沖擊地壓監(jiān)測預警模式設計與沖擊地壓發(fā)生機理相脫節(jié) 目前我國存在多種沖擊地壓監(jiān)測預警模式的原因，不僅是因為管理或經濟，更主要是對沖擊地壓發(fā)生機理和建立在機理基礎上的沖擊地壓發(fā)生類型沒有掌握，而在選擇沖擊地壓監(jiān)測預警方法時，全憑經驗或參照其他礦，與本礦自身發(fā)生機理相脫節(jié)，導致監(jiān)測模式存在缺陷或濫用。

(2)監(jiān)測預警傳感器布置區(qū)域缺乏指導 在進行沖擊地壓監(jiān)測預警傳感器井下布置前，由于沒有預先進行沖擊危險區(qū)劃分，以及傳感器數(shù)量有限，導致井下布置區(qū)域選擇時缺乏針對性，存在盲區(qū)或重復的情況，因此監(jiān)測模式一開始就存在很大誤差，再加設備本身的誤差，往往顧此失彼。

(3)對監(jiān)測目標 (沖擊地壓危險源)缺乏針對性 多種監(jiān)測手段共用時，由于對沖擊地壓危險源構成，及其在時間、空間上的分布特征缺乏研究，因此布置傳感器時缺乏空間概念，導致原理不同的設備交錯使用，或相同原理的設備平行使用。

(4)綜合監(jiān)測，多種手段結果矛盾 由于在沖擊地壓監(jiān)測預警模式應用技術上存在眾多問題，后期又缺乏信息的動態(tài)反饋，導致監(jiān)測預警效果不佳，因而采取綜合監(jiān)測，造成人力、物力成本大增。不同監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測原理不同，監(jiān)測對象、有效精度、監(jiān)測范圍也不同，最終得出的預警結果橫向相比經常相互矛盾，沒有進行深入分析驗證難以指導沖擊地壓防治工作。

3.2 沖擊地壓監(jiān)測預警的發(fā)展方向

(1)沖擊地壓監(jiān)測預警模式設計分源化、空間層次化 沖擊地壓監(jiān)測預警模式設計分源化主要依據(jù)沖擊地壓啟動理論［11］，對沖擊地壓啟動的內因——集中靜載荷，采用巖石力學方法監(jiān)測預警;外因——集中動載荷，采用地球物理方法進行監(jiān)測預警。

空間層次化主要針對地球物理方法，因為此類方法是非接觸式、遠程監(jiān)測，因此監(jiān)測尺度因載荷源的空間分布特征和各自有效范圍開展層次化辨識。例如從監(jiān)測范圍來說，ARAMIS M/E微震監(jiān)測系統(tǒng)能獲得區(qū)域大范圍內巖層活動的相關信息，屬于區(qū)域大范圍內 (礦井或采區(qū))的監(jiān)測手段;ESG地音監(jiān)測系統(tǒng)能獲得煤巖體微破裂信息，但監(jiān)測范圍小，屬于局部小范圍內 (回采工作面、掘進面)的監(jiān)測手段，如圖2所示。從監(jiān)測事件類型來看，ARAMIS M/E微震監(jiān)測的對象主要是震動比較強烈、震動頻率通常小于150Hz的事件，屬于微震(簡稱MS)范疇，一般為大范圍裂隙貫通并產生破壞的現(xiàn)象;ESG地音監(jiān)測的對象主要是能量比較弱的，一般為0～103J，震動頻率較高，為大于150Hz而小于3000Hz的事件，屬于地音 (簡稱AE)范疇，通常為煤巖裂隙擴張或產生局部破壞的現(xiàn)象，相比于微震現(xiàn)象，地音為一種高頻率、低能量的震動［12］。一般來說，ESG地音覆蓋了部分微震信號和幾乎全部的地音信號，見圖3。

圖2 微震和地音監(jiān)測區(qū)域范圍

圖3 ARAMIS M/E系統(tǒng)和ESG系統(tǒng)監(jiān)測頻率范圍分布

ARAMIS M/E微震監(jiān)測系統(tǒng)和ESG地音監(jiān)測系統(tǒng)的這種區(qū)別使得它們在沖擊地壓監(jiān)測預警中體現(xiàn)出了其各自的長處和局限性。以千秋煤礦為例，對于沖擊動載荷源位于該礦21141工作面低位巖層的高能事件，ESG評價效果更好，反之，則ARAMIS M/E更佳。2010年5月15日－11月25日，ARAMIS M/E監(jiān)測范圍內共發(fā)生的31次能量大于107J的高能事件中，ARAMIS M/E作出提前預報的有24次，ESG則為17次。其中位于ESG監(jiān)測范圍的事件有17次，ARAMIS M/E作出提前預報的有12次，ESG則為15次［12］。

(2)信息動態(tài)反饋調整 (局部監(jiān)測點隨著區(qū)域指導快速調整) 目前沖擊地壓監(jiān)測預警模式設計，以及傳感器一旦在井下安裝完畢，幾乎不再調整，但井下開采環(huán)境每天都隨著煤炭采出而不斷變化，采掘空間的應力環(huán)境也在不斷地改變，所以監(jiān)測模式也應對這些變化信息作出動態(tài)反饋，尤其是對于“集中動載荷”型沖擊地壓的監(jiān)測預警，由于其發(fā)生需要2種載荷源同時作用，地球物理方法，特別是微震監(jiān)測系統(tǒng)能夠對井區(qū)巖層宏觀運動作出監(jiān)測，通過其監(jiān)測到的事件密集區(qū)要及時視為局部監(jiān)測的目標。

(3)精細化研究 沖擊地壓的監(jiān)測預警是制約防治效果的核心環(huán)節(jié)，沖擊地壓監(jiān)測預警精細化研究是沖擊地壓防治工作的復雜性和重要性所必須的。沖擊地壓監(jiān)測預警精細化研究主要體現(xiàn)在對每種設備的性能、優(yōu)缺點的準確了解，尤其是地球物理方法在不同傳播介質中的特征、發(fā)生沖擊事件前后監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化特征，以及對同類監(jiān)測設備的性能、精度、先進性、監(jiān)測數(shù)據(jù)可靠度等的比較;同時對設備的布置要精細設計，精準安裝。

(4)預警結果綜合權重分析法 總結和分析多年來的經驗與教訓，多參量綜合監(jiān)測模式正逐漸成為沖擊地壓主要監(jiān)測預警模式，但即使采用了分源、層次化布置設計，在各種監(jiān)測方法的結果得出來后，通過橫向比對，仍可能存在差異性結論。因此各種預警手段和指標對最終綜合結果的影響的程度存在權重，權重較小的結果僅為參考值。筆者認為采掘空間“集中靜載荷”的預警結果所占權重要大得多，因為從沖擊地壓啟動理論來看，“集中靜載荷”是內因，“集中動載荷”是外因。

(5)監(jiān)測設備的改進 雖然沖擊地壓監(jiān)測預警的方法不斷地推陳出新，但實際上現(xiàn)有方法研究還沒有結束，由于技術攻關難度的加大導致新產品的不斷推出，而忽視了對現(xiàn)有監(jiān)測設備精度的提高。例如微震監(jiān)測系統(tǒng)雖說能對事件作出定位，但該設備說明書中縱向誤差達50m，橫向誤差也達20m左右，雖然在實際應用中可通過爆破效驗降低至個位數(shù)，但其誤差精度有很大的提升空間。目前的地球物理方法是以被動接受為主，因此開發(fā)主動性的發(fā)射性的物探設備，或者通過巖層破斷前的溫度等其他信息來主動探測也是發(fā)展方向。

4 結束語

(1)監(jiān)測預警技術的發(fā)展程度是制約煤礦沖擊地壓防治效果的重要環(huán)節(jié)，目前沒有任何一種單一的方法能夠較準確地預測沖擊地壓，多種方法聯(lián)合預警、權重分析可以進一步增強沖擊地壓預警的可能性。

(2)任何沖擊地壓監(jiān)測預警方法都是以監(jiān)測沖擊地壓危險源為目的，因而掌握沖擊地壓危險源類型、空間、時間分布特征是沖擊地壓監(jiān)測預警模式設計的基礎。

(3)沖擊地壓預測任重道遠，開展沖擊地壓精細化、專業(yè)化研究，建立在沖擊地壓啟動機理基礎上的監(jiān)測預警技術將使得沖擊地壓防治措施實施得到較好地指導。

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