煤礦沖擊礦壓機(jī)理及其監(jiān)測預(yù)警技術(shù)分析*

李二海，王桂峰，毛 永

(1.神華寧煤集團(tuán) 設(shè)備管理中心， 寧夏 銀川 750001；2. 中國礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 徐州市 221008)

煤礦沖擊礦壓機(jī)理及其監(jiān)測預(yù)警技術(shù)分析*

李二海1，王桂峰2，毛 永2

(1.神華寧煤集團(tuán) 設(shè)備管理中心， 寧夏 銀川 750001；2. 中國礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 徐州市 221008)

在探討動靜載疊加誘發(fā)沖擊礦壓機(jī)理的基礎(chǔ)上，論述了沖擊礦壓監(jiān)測預(yù)警的幾種方法，及其預(yù)測預(yù)報沖擊礦壓的優(yōu)缺點(diǎn)，因此，在分析各礦井沖擊機(jī)制的基礎(chǔ)上，提出了沖擊礦壓多參量耦合監(jiān)測預(yù)警，并建立了沖擊危險的多參量綜合預(yù)警體系，采取多參量耦合監(jiān)測，研究針對沖擊主控因素的合理防治方法，可提高礦井對沖擊礦壓的預(yù)測預(yù)報的科學(xué)性。

沖擊礦壓；監(jiān)測預(yù)警；多參量耦合

0 引 言

沖擊礦壓是礦山井巷和采場周圍煤巖體由于變形能釋放而產(chǎn)生突然、急劇、猛烈的破壞現(xiàn)象，往往造成采掘空間中支護(hù)設(shè)備的破壞以及采掘空間的變形，嚴(yán)重威脅著煤礦的安全生產(chǎn)，并給我國煤礦造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡[1￣2]。目前，我國淺部煤炭資源已逐漸枯竭，許多礦區(qū)進(jìn)入深部開采階段，沖擊礦壓災(zāi)害問題越發(fā)嚴(yán)重，如甘肅華亭煤業(yè)集團(tuán)、兗州煤業(yè)股份有限公司、徐州礦務(wù)局、臨沂礦務(wù)局等下屬礦井的沖擊致災(zāi)的強(qiáng)度和頻次越來越高。而保證煤炭的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)和安全開采，是關(guān)系到國家能源安全的重大問題，因此目前已經(jīng)發(fā)生和未發(fā)生過沖擊礦壓但已準(zhǔn)備進(jìn)入深部開采的礦井，都必須防治沖擊礦壓災(zāi)害放在重中之重的地位。

目前的沖擊災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警及防治方法、技術(shù)、措施眾多，而各種監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)用缺乏規(guī)則和理論指導(dǎo)，甚至將各種監(jiān)測方法和防治措施全部采用，缺乏對各自礦井針對性沖擊機(jī)制的研究，常導(dǎo)致各種監(jiān)測數(shù)據(jù)的預(yù)警結(jié)果不一致甚至相悖[3￣4]。因此必須根據(jù)沖擊礦壓發(fā)生機(jī)理，選取具有針對性的監(jiān)測與治理方法，做到有的放矢，才能有效提高防治效率。

本文首先探討了動靜載疊加誘發(fā)沖擊礦壓機(jī)理，隨后分別論述了微震、電磁輻射、聲發(fā)射、應(yīng)力監(jiān)測和鉆屑與沖擊礦壓之間的關(guān)系，以及采用上述方法預(yù)測預(yù)報沖擊礦壓的優(yōu)缺點(diǎn)，最后在分析各礦井沖擊機(jī)制的基礎(chǔ)上，討論了多參量耦合監(jiān)測預(yù)警的必要性，并在此基礎(chǔ)上建立了沖擊危險的多參量綜合預(yù)警體系。研究結(jié)果可為提高礦井對沖擊礦壓的預(yù)測預(yù)報能力提供重要參考。

1 沖擊礦壓機(jī)理分析

沖擊礦壓機(jī)理的深入研究表明[5￣7]，沖擊礦壓的發(fā)生是由動靜載組合作用下的煤巖體動力破壞與顯現(xiàn)。這是由于煤巖體復(fù)雜的非均質(zhì)性，導(dǎo)致應(yīng)力波在傳播過程中衰減嚴(yán)重，因此礦震動載傳播至煤體后，直接觸發(fā)沖擊的可能性較小，更多的是動載與靜載耦合作用誘發(fā)沖擊礦壓。若煤巖系統(tǒng)的原有靜載荷較大，則較低的動載荷可導(dǎo)致疊加后的應(yīng)力峰值超過煤體極限強(qiáng)度而發(fā)生破壞，反之，若煤巖系統(tǒng)的原有靜載荷較小，則需較高動載荷才能誘發(fā)煤體破壞。

目前煤礦動力現(xiàn)象的預(yù)測預(yù)報是圍繞煤礦動力現(xiàn)象發(fā)生的強(qiáng)度理論和能量條件進(jìn)行的，預(yù)測方法大致可以分為兩類：一類方法是局部探測法，主要用于探測采掘局部區(qū)段的沖擊危險程度，包括煤巖體變形觀察法(頂板動態(tài)、圍巖變形)、煤巖體應(yīng)力測量法、流動地音監(jiān)測法等；第二類方法是系統(tǒng)監(jiān)測法，根據(jù)連續(xù)記錄煤巖體內(nèi)出現(xiàn)的動力現(xiàn)象，預(yù)測煤礦動力現(xiàn)象危險狀態(tài)，包括微震系統(tǒng)監(jiān)測法、電磁輻射法、聲發(fā)射等方法。

煤礦沖擊礦壓的預(yù)測預(yù)報是基于對煤巖動力災(zāi)害的機(jī)理認(rèn)識。因此必須結(jié)合各礦井的生產(chǎn)實(shí)際，針對于煤巖系統(tǒng)所承受的靜載組成，包括自重應(yīng)力場的開采深度因素、開采布局、構(gòu)造應(yīng)力場的褶曲因素以及采動支承應(yīng)力集中的開采強(qiáng)度因素，以及煤巖系統(tǒng)所承受的動載，包括開采活動的頂板來壓、煤柱失穩(wěn)、覆巖運(yùn)動等所導(dǎo)致的礦震動載，分析各礦井沖擊礦壓的致災(zāi)過程、致災(zāi)條件，分析其誘發(fā)機(jī)制和控制性因素，為合理選擇監(jiān)測與治理方法提供基本理論與依據(jù)。對于深部開采的礦井，其所受原巖應(yīng)力逐年增加，加之部分工作面設(shè)計不合理，人為導(dǎo)致應(yīng)力集中水平高。另外，由于構(gòu)造應(yīng)力場的斷層、褶曲等因素，使煤巖系統(tǒng)所承受靜載處于一個較高的水平，但由于靜載直接誘發(fā)沖擊礦壓的致災(zāi)過程較少，此時礦震動載主要起到一個誘發(fā)作用。而對于設(shè)計合理、采深相對較小、受斷層和褶曲影響較小的工作面，此時礦震動載起到主導(dǎo)作用。

2 沖擊礦壓監(jiān)測預(yù)警技術(shù)

2.1 微震活動與沖擊礦壓的關(guān)系

沖擊礦壓是開采空間附近造成的破壞發(fā)生的大能量震動。沖擊礦壓是微震事件的子集，其特殊性在于：

(1) 沖擊礦壓發(fā)生的位置在開采空間附近；

(2) 沖擊礦壓釋放的能量較高；

(3) 沖擊礦壓造成了巷道破壞、設(shè)備損壞或人員傷亡。

正因?yàn)槲⒄鹋c沖擊礦壓具有的內(nèi)在聯(lián)系和區(qū)別，可采用微震監(jiān)測技術(shù)監(jiān)測微震事件的發(fā)生變化規(guī)律。

目前微震監(jiān)測技術(shù)已被國內(nèi)外公認(rèn)為是煤巖動力災(zāi)害監(jiān)測最有效和最有發(fā)展?jié)摿Φ谋O(jiān)測方法之一[8]。微震監(jiān)測技術(shù)是通過實(shí)現(xiàn)三維空間中煤巖體內(nèi)部微破裂及微破裂演化過程的實(shí)時監(jiān)測，從微破裂顯現(xiàn)、微破裂發(fā)展到積聚的前兆特征出發(fā)，監(jiān)測礦震事件的時空演化趨勢，判斷高能量沖擊礦壓發(fā)生的可能性，進(jìn)行沖擊礦壓微震前兆信息分析和收集。

2.2 微震監(jiān)測的特點(diǎn)

微震事件與沖擊礦壓同屬煤巖體應(yīng)力和能量釋放的震動現(xiàn)象，其發(fā)生原因和機(jī)理一致，因此微震監(jiān)測具有較高可靠性。微震監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)θV范圍進(jìn)行實(shí)時、連續(xù)、動態(tài)、非接觸的微震監(jiān)測，并對震源進(jìn)行精確定位，具有遠(yuǎn)距離、動態(tài)、三維、實(shí)時監(jiān)測的特點(diǎn)，抗干擾能力強(qiáng)，不損傷煤體，勞動強(qiáng)度小，能夠?yàn)樵u價全礦范圍內(nèi)的沖擊礦壓危險提供依據(jù)。但微震監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性受到諸如模型合理性、系統(tǒng)靈敏度、人為判斷誤差等因素影響，因此采用微震監(jiān)測預(yù)警的前提是確保有效的微震監(jiān)測精度[9]。

目前，國內(nèi)微震監(jiān)測技術(shù)對沖擊礦壓的研究應(yīng)用還不夠深入，還不能完全滿足臨場監(jiān)測預(yù)測的需要。

2.3 沖擊礦壓電磁輻射監(jiān)測

煤巖破裂是煤礦井下一種極其復(fù)雜的動力現(xiàn)象，煤巖體受載變形破裂過程中會向外輻射電磁能量，與煤巖體的變形破裂過程密切相關(guān)。承載煤巖在微觀上非均勻應(yīng)力作用下的變形及破裂過程必然伴隨著電磁輻射效應(yīng)。煤體中應(yīng)力越高，變形破裂過程越強(qiáng)烈，電磁輻射信號越強(qiáng)，其主頻帶也越高[10]。

從微觀角度分析，沖擊礦壓發(fā)生前后存在應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)的改變以及煤巖體的裂紋啟裂、擴(kuò)展，在此過程存在電磁輻射現(xiàn)象[11￣12]。通過對沖擊礦壓發(fā)生過程電磁輻射特征的研究，可耦合得到?jīng)_擊礦壓的電磁輻射前兆規(guī)律，從而進(jìn)行沖擊礦壓的電磁輻射預(yù)警預(yù)測。

采用電磁輻射法可實(shí)現(xiàn)實(shí)時、無接觸和不受地域限制的預(yù)測預(yù)報，監(jiān)測處理方便，可反應(yīng)煤體中靜態(tài)受載及變化特征。但由于礦井機(jī)電設(shè)備的影響，電磁輻射信號往往受到污染和干擾，同時煤巖體電磁輻射特征形式多樣，對于沖擊礦壓監(jiān)測預(yù)警效果有時不準(zhǔn)確。

2.4 沖擊礦壓的聲發(fā)射監(jiān)測

聲發(fā)射是以脈沖的形式記錄弱的、低能量的聲發(fā)射(微震)現(xiàn)象。其監(jiān)測原理與微震監(jiān)測類似，并可以與微震進(jìn)行聯(lián)合監(jiān)測，以掌握礦井圍巖破裂的發(fā)展趨勢與前兆信息[13]。但其主要特征是能量低于100 J沖擊礦壓發(fā)生前的微小破裂，通過理論或經(jīng)驗(yàn)的前兆規(guī)律進(jìn)行沖擊礦壓預(yù)測預(yù)報。

聲發(fā)射也是一種常用的局部動載監(jiān)測手段，它監(jiān)測的是煤巖體破裂產(chǎn)生的高頻低能量震動現(xiàn)象，監(jiān)測范圍較微震監(jiān)測小，較電磁輻射范圍廣，且容易受到電器設(shè)備及開采活動導(dǎo)致的微震動的影響，監(jiān)測信息的可靠性難以得到保證。

2.5 沖擊礦壓的鉆屑法監(jiān)測

鉆屑法是根據(jù)排出的煤粉量及其變化規(guī)律和有關(guān)動力效應(yīng)，鑒別沖擊危險與確認(rèn)高應(yīng)力區(qū)的一種方法[14]。鉆屑排粉量與圍巖應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，兩者呈正相關(guān)系。鉆屑法在國內(nèi)外沖擊礦井中廣泛使用，并且形成了沖擊危險等級判斷方法。

鉆屑量反應(yīng)的是煤巖體在應(yīng)力作用下的變形大小以及煤巖體鉆孔內(nèi)的微動力現(xiàn)象，直接反應(yīng)了煤巖體靜態(tài)受載大小與沖擊礦壓危險的強(qiáng)弱，具有較高的可靠性[15]。但鉆屑法只能針對潛在沖擊危險點(diǎn)進(jìn)行校核監(jiān)測，監(jiān)測范圍小，工作量大，實(shí)時性差，且易受操縱干擾。

2.6 沖擊礦壓的在線應(yīng)力監(jiān)測

對于工作面前方支承壓力影響區(qū)域內(nèi)，可以采用布置應(yīng)力計對采動應(yīng)力場進(jìn)行定時或連續(xù)監(jiān)測。合理的布置能夠監(jiān)測支承壓力曲線分布規(guī)律[16]。如果采用在線連續(xù)監(jiān)測，則可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時變化的顯示與處理，從而形成具有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)力梯度等值線，即可評價沖擊危險性和沖擊危險區(qū)域。

靜載在沖擊礦壓的發(fā)生中占有極其重要的作用。在線應(yīng)力監(jiān)測能夠在工作面開采之前或開采過程中，測量工作面范圍內(nèi)應(yīng)力分布狀態(tài)，找到應(yīng)力集中區(qū)，從而有針對性的進(jìn)行卸壓處理與解危，能夠極大的提高治理效率，達(dá)到事半功倍的效果。但是上述方法測量區(qū)域有限，不能給出大范圍開采區(qū)域內(nèi)工作面回采過程中的應(yīng)力信息。

2.7 沖擊礦壓的震動波CT監(jiān)測

震動縱波與橫波與煤巖體所受載荷具有正相關(guān)性，震動波CT反演應(yīng)力狀態(tài)即是建立在這種密切關(guān)系上。主動CT技術(shù)是在工作面兩巷分別布置爆破點(diǎn)與接收點(diǎn)，通過對彈性波走時和能量衰減的觀測，可獲得工作面內(nèi)的波速分布特征，通過研究應(yīng)力與波速之間關(guān)系就能夠得到工作面內(nèi)的應(yīng)力大小分布規(guī)律，從而實(shí)現(xiàn)沖擊危險區(qū)域的劃分。為采取針對性卸壓防護(hù)措施提供依據(jù)[17]。礦山CT技術(shù)能夠獲得較為廣泛和準(zhǔn)確的應(yīng)力信息，在沖擊礦壓危險研究上已成為一種強(qiáng)有利的監(jiān)測手段。

利用震動波CT反演技術(shù)可以定性的監(jiān)測與評估采區(qū)或工作面范圍應(yīng)力狀態(tài)，劃分開采區(qū)域的高應(yīng)力場(能量場)及高沖擊危險區(qū)域，為沖擊動力災(zāi)害監(jiān)測防治提供重要依據(jù)[18]。相比傳統(tǒng)監(jiān)測手段，該技術(shù)可以從較大范圍的巖體內(nèi)直接獲得信息，與其他方法相比，獲取信息成本低、技術(shù)含量高、觀測的參數(shù)信息量準(zhǔn)確。

3 沖擊礦壓多參量耦合監(jiān)測

綜上所述，目前沖擊礦壓監(jiān)測的手段，如微震法、電磁輻射法、聲發(fā)射法、鉆屑法、震動波CT，雖然存在各自的優(yōu)越性，但也存在不足。同時，由于沖擊礦壓發(fā)生的隨機(jī)性、突發(fā)性、破壞形式的多樣性，不同條件下可能存在不同的前兆信息。單一監(jiān)測方法只能從某一個角度反映沖擊礦壓的危險，而電磁輻射、微震、聲發(fā)射、鉆屑量、震動波CT又都包含沖擊礦壓發(fā)生的某些信息，因此，有必要在分析各礦井沖擊機(jī)制的基礎(chǔ)上，選擇合理的監(jiān)測設(shè)備，從多參量耦合信息的角度深入研究與探討沖擊礦壓的識別與監(jiān)測預(yù)警。沖擊礦壓的多參量分級預(yù)測體系可見圖1。

圖1 沖擊危險的多參量綜合預(yù)警體系

4 結(jié) 論

煤礦沖擊礦壓的預(yù)測預(yù)報是基于對煤巖動力災(zāi)害的機(jī)理認(rèn)識。因此在監(jiān)測預(yù)警及防治方法的應(yīng)用上，應(yīng)以分析沖擊作用機(jī)制為基礎(chǔ)，對各種監(jiān)測預(yù)警方法的使用規(guī)則及范圍作精細(xì)化研究，找到影響沖擊礦壓的主要靜載和動載因素，確定針對靜載和動載的合理監(jiān)測方案，采取多參量耦合監(jiān)測，研究針對沖擊主控因素的合理防治方法，可提高礦井對沖擊礦壓預(yù)測預(yù)報的科學(xué)性。

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高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目(20120095120019)，江蘇省自然科學(xué)基金(BK20140194).

2014￣09￣11)

李二海(1973-)，男，主要從事煤礦機(jī)電設(shè)備管理和應(yīng)用等方面的工作，Email: libcumt@163.com。