煤礦深部開采沖擊地壓監(jiān)測解危關(guān)鍵技術(shù)研究

譚云亮，郭偉耀，辛恒奇，趙同彬，于鳳海，劉學(xué)生

(1.山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，山東 青島 266590; 2.山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590; 3.山東能源新汶礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，山東 泰安 271233)

沖擊地壓指井巷或工作面周圍煤巖體，由于彈性變形能的瞬時(shí)釋放而產(chǎn)生突然劇烈破壞的動(dòng)力現(xiàn)象，常伴有煤巖體拋出、巨響及氣浪等，具有很強(qiáng)的破壞性[1-4]。隨著我國煤礦開采強(qiáng)度和開采深度不斷增加，沖擊地壓災(zāi)害已經(jīng)成為威脅煤礦安全生產(chǎn)的重大災(zāi)害之一[5-6]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全國沖擊地壓礦井?dāng)?shù)量由1985年的32個(gè)增加到現(xiàn)在的180多個(gè)，其中近50個(gè)礦井開采深度達(dá)到或超過1 000 m[7-8]，沖擊地壓發(fā)生頻率和烈度均有顯著增加。

煤層開采達(dá)到一定深度后，一方面，煤巖體性質(zhì)將由彈脆性向黏彈塑性轉(zhuǎn)變，使得能量積聚方式由線彈性轉(zhuǎn)變?yōu)轲椃蔷€性，尤其是深部高圍壓下煤巖積聚的能量遠(yuǎn)高于淺部[5,9];另一方面，煤巖體能量釋放方式向非線性轉(zhuǎn)變，此時(shí)能量釋放無法通過一次性卸壓來完成，需多次甚至持續(xù)性卸壓讓黏彈性變形能釋放。當(dāng)開挖卸荷尺度過大時(shí)，易導(dǎo)致積聚的高彈性能突發(fā)性釋放，如“蠕變型”沖擊地壓便是深部開采沖擊地壓的一種形式[10]。特別是當(dāng)上覆厚層堅(jiān)硬頂板斷裂、斷層活化等產(chǎn)生動(dòng)載作用于積聚高能量的采掘圍巖時(shí)，極易造成強(qiáng)沖擊[7,11]。因此，深部沖擊地壓監(jiān)測防治難度更大，必須針對(duì)“深部”的特點(diǎn)開展沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警與卸壓解危研究。

針對(duì)煤炭沖擊地壓發(fā)生與防治機(jī)理問題，部分學(xué)者圍繞深應(yīng)力場和能量場的動(dòng)態(tài)演化開展研究，并引入非線性理論、損傷理論、斷裂力學(xué)理論等建立了煤巖沖擊失穩(wěn)模型[12-16]。在煤巖沖擊傾向性研究方面，大家逐漸認(rèn)同以煤巖組合體力學(xué)特性為依據(jù)的沖擊傾向性評(píng)價(jià)方法[17-22]。沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警是沖擊地壓防治的基礎(chǔ)，鉆屑、應(yīng)力監(jiān)測、聲發(fā)射、電磁輻射、微震、震動(dòng)波CT等監(jiān)測技術(shù)和設(shè)備已取得了長足發(fā)展[23-29]，對(duì)沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警起到了積極作用。由于深部開采沖擊地壓復(fù)雜性，采用多參量聯(lián)合監(jiān)測成為預(yù)測預(yù)警的發(fā)展方向[7,30-32]。關(guān)于沖擊地壓卸壓解危，可從兩個(gè)方面入手，一是通過改變煤巖體結(jié)構(gòu)和物理力學(xué)性能，減小煤層沖擊傾向性;二是降低靜載應(yīng)力集中程度，使高應(yīng)力區(qū)域向煤壁深部轉(zhuǎn)移。常用卸壓解危技術(shù)包括開采保護(hù)層、無煤柱開采、煤層注水、大直徑鉆孔、斷頂爆破等[33-42]，這些技術(shù)可有效降低采掘空間附近圍巖區(qū)域應(yīng)力集中程度。

與淺部開采相比，深部開采沖擊地壓成因及其防治更為復(fù)雜，主要體現(xiàn)在:一是高地應(yīng)力，煤巖積聚能量及破壞釋能模式發(fā)生變化，常規(guī)的沖擊傾向性指標(biāo)體系無法完全滿足深部煤層沖擊傾向性評(píng)價(jià);二是以深部開采沖擊地壓類型為導(dǎo)向的多參量聯(lián)合監(jiān)測預(yù)警方法和卸壓解危技術(shù)體系尚未建立起來，以及在鉆孔過程中可能會(huì)發(fā)生沖擊地壓。針對(duì)深部開采沖擊地壓防治難題，研究深部應(yīng)變型、斷層滑移型和堅(jiān)硬頂板型3類沖擊地壓的致災(zāi)機(jī)理，建立與沖擊地壓類型相適應(yīng)的煤巖沖擊傾向性評(píng)價(jià)體系，提出以深部開采沖擊地壓類型為導(dǎo)向的監(jiān)測預(yù)警及組合式卸壓解危方法，以及研發(fā)鉆孔施工與監(jiān)測預(yù)警同步化技術(shù)，以期為深部開采條件下沖擊地壓的監(jiān)測解危研究提供理論及技術(shù)參考。

1 深部開采沖擊地壓致災(zāi)機(jī)理及類型

根據(jù)深部煤巖體賦存環(huán)境、力學(xué)性質(zhì)和沖擊地壓主要影響因素[5-6]，也可將深部開采沖擊地壓分為應(yīng)變型、斷層滑移型和堅(jiān)硬頂板型3類，但其致災(zāi)機(jī)理與淺部煤巖具有很大不同。

圖1 流變?cè)囼?yàn)結(jié)果及深部圍巖非線性黏彈塑性本構(gòu)模型Fig.1 Rheological test results and nonlinear visco-elastoplastic constitutive model

1.1 深部應(yīng)變型

煤巖體在深部高應(yīng)力作用下將發(fā)生脆-延轉(zhuǎn)化，表現(xiàn)為持續(xù)的強(qiáng)流變性，可視為黏彈塑性介質(zhì)[5]。深部采掘工程擾動(dòng)后，采掘空間附近圍巖應(yīng)力重新分布，在高應(yīng)力作用下發(fā)生黏彈性或黏彈塑性流變，基于Kelvin，Burgers等模型[43]，結(jié)合室內(nèi)不同應(yīng)力水平下砂巖的分級(jí)流變?cè)囼?yàn)結(jié)果，構(gòu)建深部圍巖非線性黏彈塑性本構(gòu)模型，具體如圖1所示，其中曲線b，c的表達(dá)式分別為

σs1≤σ0≤σs2(1)

式中，t為流變時(shí)間;σ0為模型總應(yīng)力;σs1，σs2為模型塑性參數(shù);E1，E2為模型彈性參數(shù);η1，η2，η3為模型黏性參數(shù);n為流變指數(shù)，大于1的整數(shù)。

圖2 流變數(shù)值模型及不同流變時(shí)間下支承壓力演化規(guī)律Fig.2 Creep numerical model and abutment stress evolution law under different creep time

采掘擾動(dòng)后圍巖積聚能量主要表現(xiàn)為2個(gè)特征:一是在礦山壓力作用下圍巖應(yīng)力重新分布，圍巖內(nèi)能量積聚明顯大于能量釋放與耗散之和，造成圍巖破壞;二是破壞圍巖積聚的彈性應(yīng)變能緩慢釋放并驅(qū)動(dòng)圍巖深部產(chǎn)生塑性變形，到一定圍巖深度后受高應(yīng)力作用，這一過程到一定深度后會(huì)受到阻礙[10]，造成此區(qū)域應(yīng)力集中不斷增大。參考文獻(xiàn)[44]的模擬方法，建立了如圖2(a)所示的流變數(shù)值模型，研究不同流變時(shí)間作用下煤壁的支承壓力演化規(guī)律，結(jié)果如圖2(b)所示。隨著流變時(shí)間增加，支承壓力峰值向圍巖深部轉(zhuǎn)移到一定深度后受到阻礙，且支承壓力峰值逐漸增大，如當(dāng)流變時(shí)間從0.1 a增大道0.5 a時(shí)，最大應(yīng)力集中系數(shù)從1.4大到1.6。

根據(jù)上述結(jié)果，可將深部應(yīng)變型沖擊地壓的發(fā)生機(jī)制描述為:深部開采巷道圍巖在采掘擾動(dòng)下圍巖應(yīng)力重新分布，圍巖破壞深度逐漸增大直至穩(wěn)定后，在高應(yīng)力作用下應(yīng)力集中程度不斷增大，甚至進(jìn)入流變狀態(tài)，結(jié)合圖1可知，此時(shí)圍巖的應(yīng)變會(huì)呈非線性快速增大，即積聚的能量會(huì)快速增多，當(dāng)圍巖積聚的能量大于其釋放能量與耗散能量之和時(shí)，就會(huì)發(fā)生深部應(yīng)變型沖擊地壓，具體如圖3所示。

圖3 深部應(yīng)變型沖擊地壓發(fā)生機(jī)制Fig.3 Occurrence mechanism of deep strain rock burst

1.2 深部堅(jiān)硬頂板型

隨著開采深度增加，不僅煤體積聚的彈性應(yīng)變能增多，且由于堅(jiān)硬頂板的厚度及懸頂長度增加，其積聚的彎曲變形能也呈快速增加趨勢。參考文獻(xiàn)[45]的模擬方法，建立了如圖4所示的FLAC3D巖梁數(shù)值模型，研究巖梁長度及厚度對(duì)巖梁能量積聚的演化規(guī)律，結(jié)果如圖5所示。巖梁積聚能量隨著巖梁長度或厚度的增大而呈非線性增大趨勢，當(dāng)巖梁長度從20 m增大到40 m時(shí)，積聚能量從0.78 MJ增大到6.57 MJ;當(dāng)巖梁厚度從2 m增大到4 m時(shí)，巖梁積聚能量從1.82 MJ增大到4.98 MJ。

圖4 不同長度及厚度的巖梁數(shù)值模型Fig.4 Numerical models of rock beam with different lengths/thicknesses

圖5 巖梁積聚能量與長度及厚度的關(guān)系Fig.5 Relationship between energy accumulation and rock beam length/thickness

淺部開采條件下，取堅(jiān)硬頂板厚度、懸頂長度為H1，L1;深部開采條件下，取堅(jiān)硬頂板厚度、懸頂長度為H2，L2，有H1

由巖體破壞的最小能量原理可知[46]，無論巖體處于何種應(yīng)力狀態(tài)，一旦失穩(wěn)，破壞啟動(dòng)，其破壞真正需要消耗的能量總是單向應(yīng)力狀態(tài)的破壞能量。當(dāng)堅(jiān)硬頂板破斷時(shí)，淺部開采條件下煤巖系統(tǒng)自身存儲(chǔ)的彈性能能夠緩慢有效釋放，整個(gè)煤巖系統(tǒng)處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài);隨著開采深度增加，煤系統(tǒng)中增加的能量ΔE1和ΔE2將打破原有的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，但煤巖破壞消耗的能量是一定的，也就是說系統(tǒng)中新增的兩部分能量將主要轉(zhuǎn)換為煤體拋出的動(dòng)能，更易形成沖擊地壓。據(jù)此，可給出如圖7所示的深部堅(jiān)硬頂板致沖機(jī)制。

圖6 開采深度影響下堅(jiān)硬頂板及煤層能量積聚示意Fig.6 Sketch of hard roof and coal seam energy accumulation under the influence of mining depth

圖7 深部堅(jiān)硬頂板致沖機(jī)制Fig.7 Burst mechanism induced by hard roof

1.3 深部斷層滑移型

斷層滑移型沖擊地壓是由于采礦活動(dòng)引起斷層相對(duì)錯(cuò)動(dòng)而猛烈釋放能量的現(xiàn)象。在受開采擾動(dòng)前，煤巖體內(nèi)任意點(diǎn)的應(yīng)力都是平衡的，假設(shè)斷層滑移面的抗剪強(qiáng)度及其面上的剪應(yīng)力分別為τT，τ，判定斷層是否發(fā)生滑移的條件[47]可表示為

(3)

無外界開采擾動(dòng)時(shí)，斷層滑移面上的剪應(yīng)力小于其抗剪強(qiáng)度，斷層不發(fā)生滑動(dòng);受采掘影響，易導(dǎo)致斷層滑移面上的剪應(yīng)力增大或抗剪強(qiáng)度減小，使斷層滑移面上的剪應(yīng)力大于其抗剪強(qiáng)度，造成斷層發(fā)生滑移，產(chǎn)生沖擊地壓。

圖8 斷層數(shù)值模型及不同埋深下斷層區(qū)域的原巖應(yīng)力演化規(guī)律Fig.8 Numerical model of fault and stress evolution law under different buried depth

圖9 距斷層不同距離時(shí)工作面超前支承壓力演化規(guī)律Fig.9 Abutment pressure evolution law under different distances between fault and longwall face

深部開采條件下斷層構(gòu)造有兩個(gè)特點(diǎn):一是與淺部開采相比，斷層區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力明顯增大;二是斷層切割的煤巖力學(xué)性質(zhì)差異性遠(yuǎn)大于淺部開采，采掘影響下應(yīng)力集中程度更高。為了驗(yàn)證“深部斷層區(qū)域的構(gòu)造應(yīng)力大于淺部”這一結(jié)論，建立了如圖8(a)所示的FLAC3D斷層數(shù)值模型，研究不同埋深下斷層區(qū)域的應(yīng)力演化規(guī)律，結(jié)果如圖8(b)所示。斷層構(gòu)造區(qū)域的最大構(gòu)造應(yīng)力和應(yīng)力梯度均隨埋深的增加而增大，如埋深從600 m增大到1 000 m時(shí)，最大應(yīng)力從15.75 MPa增加到26.06 MPa、應(yīng)力梯度從2.91 MPa增大到4.36 MPa。以埋深800 m為例，對(duì)斷層上盤進(jìn)行回采，得到了距斷層不同距離時(shí)工作面的超前支承壓力演化規(guī)律，具體如圖9所示。隨著工作面回采，當(dāng)工作面距離斷層由50 m減小到10 m時(shí)，支承壓力應(yīng)力峰值從32.5 MPa增大到51.8 MPa。

根據(jù)上述研究結(jié)果，得到如圖10所示的深部斷層滑移型沖擊地壓發(fā)生機(jī)理。以工作面由正斷層上盤向斷層回采時(shí)為例，回采引起煤壁前方支承壓力增大，而深部斷層構(gòu)造區(qū)區(qū)域的應(yīng)力集中又遠(yuǎn)高于淺部，隨著工作面回采接近斷層，在二者疊加作用下，更易造成煤體承載力降低、斷層帶剪應(yīng)力增大，造成斷層帶剪應(yīng)力超過其抗剪強(qiáng)度，斷層發(fā)生錯(cuò)動(dòng)滑移，對(duì)工作面煤體產(chǎn)生沖擊，導(dǎo)致深部斷層滑移型沖擊地壓發(fā)生。

圖10 深部斷層滑移型沖擊地壓發(fā)生機(jī)理Fig.10 Occurrence mechanism of deep fault slip rock burst

2 深部開采煤巖沖擊傾向性評(píng)價(jià)

受深部復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境和煤巖體力學(xué)性質(zhì)改變的影響，現(xiàn)有沖擊傾向性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系存在不同程度高估或低估現(xiàn)象，無法完全滿足深部開采煤層沖擊傾向性評(píng)價(jià)要求。

2.1 沖擊傾向性指標(biāo)

沖擊地壓發(fā)生需要煤巖體滿足一定物性條件，即煤巖具有沖擊傾向性[48-51]。為定量衡量煤巖沖擊傾向性大小，我國2010年制定以動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間(DT)、彈性能量指數(shù)(KE)、沖擊能量指數(shù)(WET)和單軸抗壓強(qiáng)度(RC)為核心的煤巖沖擊傾向性評(píng)價(jià)的國家標(biāo)準(zhǔn)。但這些指標(biāo)在應(yīng)用過程中具有一定局限性，動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間無法反映煤巖破壞過程中的能量關(guān)系;彈性能量指數(shù)不能反映煤巖破壞釋放能量和破壞所需能量之間的關(guān)系;沖擊能量指數(shù)無法反映煤巖破壞過程中轉(zhuǎn)化成動(dòng)能的剩余能量大小，以及沒有考慮塑性變形過程中所消耗的能量。沖擊地壓是頂?shù)装寮懊簩釉谠瓗r應(yīng)力和礦山采動(dòng)應(yīng)力共同作用下力與能量不連續(xù)傳遞的結(jié)果，其發(fā)生不僅取決于煤巖屬性，而且與煤巖組合形式、應(yīng)力環(huán)境、圍巖性質(zhì)等因素有著密切關(guān)系[17-22]?；诖?，提出了煤巖組合沖擊能速度指數(shù)和卸圍壓沖擊能速度指數(shù)兩個(gè)沖擊傾向性指標(biāo)。

(1)煤巖組合沖擊能速度指數(shù)。

頂板巖層與煤層具有不同的受載變形特征，在外力加載下，煤體首先破壞，進(jìn)而導(dǎo)致頂板巖層發(fā)生回彈并釋放彈性變形能，加速煤體破壞，采用單一的煤巖沖擊傾向性指標(biāo)無法準(zhǔn)確評(píng)價(jià)煤層沖擊傾向性。煤巖破壞過程中單位時(shí)間內(nèi)釋放的剩余能量表征了單位時(shí)間內(nèi)彈性能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的多少，也反映出了沖擊傾向性強(qiáng)弱，進(jìn)行沖擊傾向性評(píng)價(jià)需考慮能量因素和時(shí)間效應(yīng)。在綜合考慮煤巖組合體的尺寸效應(yīng)、加載過程中的相互作用和破壞過程中釋放能量的時(shí)間效應(yīng)影響下，提出了煤巖組合沖擊能速度指數(shù)WZT，其計(jì)算式[52]如下

(4)

式中，h1，h2，h3分別為組合體試樣中煤的高度、頂板巖石高度和底板巖石高度;QSER1，QSER2和QSEC分別為組合體試樣破壞時(shí)頂板巖石、底板巖石與煤內(nèi)積聚的彈性應(yīng)變能;FX為組合體試樣中煤體破壞消耗的能量。

煤巖組合沖擊能速度指數(shù)反映了煤巖組合體試樣破壞時(shí)釋放能量的能力，該指數(shù)越大，沖擊越強(qiáng)。

參考文獻(xiàn)[53]劃分煤巖單體的方式，將煤巖組合沖擊能速度指數(shù)的界限值近似表示為:WZT<3時(shí)，無沖擊傾向性;當(dāng)3≤WZT<100時(shí)，弱沖擊傾向性;當(dāng)WZT≥100時(shí)，強(qiáng)沖擊傾向性。以某礦13煤為例，進(jìn)行煤巖組合體單軸壓縮試驗(yàn)，測試沖擊能速度指數(shù)，結(jié)果如圖11所示。采用式(4)計(jì)算得出該煤層煤巖組合沖擊能速度指數(shù)為112.8，具有強(qiáng)沖擊傾向性。

圖11 煤巖組合沖擊能速度指數(shù)測試Fig.11 Calculation sketch for combined coal-rock impact energy speed index

(2)卸圍壓沖擊能速度指數(shù)。

考慮到深部高應(yīng)力集中及高能量積聚對(duì)沖擊地壓發(fā)生起到主控作用，以及室內(nèi)三軸卸圍壓試驗(yàn)?zāi)軌蛟佻F(xiàn)深部沖擊發(fā)生過程，提出了卸圍壓沖擊能速度指數(shù)WST，其計(jì)算式如下

(5)

式中，σ1c為卸圍壓前的最大軸向應(yīng)力;σ3c為卸圍壓前的最大圍壓，即初始水平地應(yīng)力σh;E為煤體彈性模量;ε1c為卸圍壓前的最大軸向應(yīng)變;ε3c為卸圍壓前的側(cè)向應(yīng)變;ε1r為軸向殘余強(qiáng)度初始點(diǎn)處的應(yīng)變;ε3r為側(cè)向殘余強(qiáng)度初始點(diǎn)處的應(yīng)變。

參考相關(guān)試驗(yàn)和現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，初步確定卸圍壓沖擊能速度指數(shù)WST的界限值為:當(dāng)WST<6時(shí)，無沖擊傾向性;當(dāng)6≤WST<180時(shí)，弱沖擊傾向性;當(dāng)WST≥180時(shí)，強(qiáng)沖擊傾向性。

(3)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

煤巖組合沖擊能速度指數(shù)考慮了煤巖介質(zhì)能量積聚與釋放的差異性，根據(jù)煤層所處巖層環(huán)境判斷其沖擊傾向性，能減小使用傳統(tǒng)指標(biāo)評(píng)價(jià)時(shí)產(chǎn)生的誤差;卸圍壓沖擊能速度指數(shù)充分考慮了深部高應(yīng)力對(duì)沖擊地壓發(fā)生的主控作用，特別適用于深部煤巖沖擊傾向性判定。據(jù)此，對(duì)原有沖擊傾向性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行了完善，使之更適合深部沖擊傾向性評(píng)價(jià)，具體見表1。

表1深部煤巖沖擊傾向性新評(píng)價(jià)指標(biāo)體系
Table1Newburstevaluationsystemfordeepcoalmining

指標(biāo)無沖擊傾向性弱沖擊傾向性強(qiáng)沖擊傾向性備注動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間DT/sDT>50050

針對(duì)深部開采3類沖擊地壓致災(zāi)機(jī)理不同，建立與深部開采沖擊地壓類型相匹配的沖擊傾向性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，具體如下。

深部應(yīng)變型沖擊地壓:在深部高應(yīng)力作用下圍巖內(nèi)積聚大量彈性能，一旦卸圍壓，彈性能將迅速釋放造成沖擊災(zāi)害，需在國家標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上增加“卸圍壓沖擊能速度指數(shù)”。

深部堅(jiān)硬頂板型沖擊地壓:深部堅(jiān)硬頂板在采空區(qū)的懸露面積遠(yuǎn)大于淺部，積聚的能量更多，突然斷裂時(shí)將向煤巖系統(tǒng)輸入大量能量，使煤體迅速破壞造成沖擊災(zāi)害，可見深部條件下堅(jiān)硬頂板與煤體組合的差異性對(duì)沖擊程度影響更為突出。因此，在國家標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上需增加“煤巖組合沖擊能速度指數(shù)”。

深部斷層滑移型沖擊地壓:當(dāng)斷層活化時(shí)，高疊加應(yīng)力在斷層附近頂板內(nèi)積聚的大量彈性能突然釋放并促使斷層加速滑移，造成煤體迅速破壞形成沖擊災(zāi)害，沖擊形式與深部堅(jiān)硬頂板型沖擊地壓類似，而淺部斷層活化時(shí)頂板與煤體差異性對(duì)沖擊程度影響較小;當(dāng)斷層不活化時(shí)，深部斷層附近頂板因高疊加應(yīng)力積聚的彈性能遠(yuǎn)高于淺部斷層，在卸荷作用下會(huì)迅速釋放，沖擊形式與深部應(yīng)變型沖擊地壓類似。因此，在國家標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上需增加“煤巖組合沖擊能速度指數(shù)”和“卸圍壓沖擊能速度指數(shù)”。

2.2 沖擊傾向性最優(yōu)模糊評(píng)價(jià)方法

(6)

式中，r=(r1，r2，r3，r4，r5)T為樣本規(guī)格化后隸屬度向量；u=(u1，u2，u3)為隸屬度向量；W=(W1，W2，W3，W4，W5)為樣品j的5個(gè)指標(biāo)權(quán)向量。

為了求解最優(yōu)歸類隸屬度向量，假設(shè)目標(biāo)函數(shù)為樣品j對(duì)于類別上限值a1至下限值a2的加權(quán)廣義歐氏距離平方和最小，則有

進(jìn)一步，通過構(gòu)造拉格朗日函數(shù)，求得樣品j對(duì)a1至a2類的最優(yōu)隸屬度理論模型:

(9)

根據(jù)式(9)的最優(yōu)模糊識(shí)別模型，可對(duì)深部沖擊傾向性進(jìn)行最優(yōu)模糊評(píng)價(jià)。以某礦10煤為例，該區(qū)域煤層位于向斜軸部，構(gòu)造應(yīng)力大，易發(fā)生應(yīng)變型沖擊地壓。通過試驗(yàn)測試得到各沖擊傾向性指標(biāo)為:DT=423 ms(弱)，WET=5.332(強(qiáng))，KE=2.632(弱)，RC=27.28 MPa(強(qiáng))，WST=138。按照最優(yōu)模型識(shí)別模型計(jì)算求得各分類隸屬度為:u1=0.01，u2=0.37，u3=0.61，根據(jù)最優(yōu)隸屬原則判定該煤層具有強(qiáng)沖擊傾向性。

3 深部開采沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警

大量實(shí)踐表明，深部3類沖擊地壓前兆信息差異性大，建立與深部三類沖擊地壓相適應(yīng)的監(jiān)測預(yù)警方法，能夠更好實(shí)現(xiàn)對(duì)深部沖擊地壓的可靠預(yù)警。

3.1 深部應(yīng)變型

深部應(yīng)變型沖擊地壓是煤巖系統(tǒng)在變形過程中的能量穩(wěn)定態(tài)積聚、非穩(wěn)定態(tài)釋放的非線性過程，煤巖體應(yīng)力及積聚彈性能較大。沖擊發(fā)生前，煤體應(yīng)力、鉆屑量、電磁輻射強(qiáng)度等信號(hào)持續(xù)升高，而微震呈現(xiàn)多微破裂事件、振蕩變化，但微震事件頻次和能量均較小。因此，建議以應(yīng)力在線法和鉆屑法監(jiān)測為主、電磁輻射和聲發(fā)射監(jiān)測為輔，用應(yīng)力或鉆屑量增量梯度進(jìn)行預(yù)警。

陽城煤礦1304工作面為典型的兩側(cè)采空孤島工作面，易發(fā)生深部應(yīng)變型沖擊地壓，采用應(yīng)力在線和電磁輻射監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警。陽城煤礦1304工作面2012年8至9月的應(yīng)力和電磁輻射監(jiān)測結(jié)果如圖12所示。從圖12(a)可以看出，兩次沖擊地壓發(fā)生前，煤體應(yīng)力和應(yīng)力增量梯度均產(chǎn)生持續(xù)增大現(xiàn)象;而沖擊發(fā)生后，應(yīng)力和應(yīng)力增量梯度均產(chǎn)生突降現(xiàn)象，而后應(yīng)力梯度增量進(jìn)入平穩(wěn)期狀態(tài)，煤體應(yīng)力持續(xù)緩慢升高，煤體再次進(jìn)入能量積聚期。從圖12(b)可以看出，兩次沖擊地壓發(fā)生前，煤體電磁輻射強(qiáng)度值和脈沖數(shù)均持續(xù)升高，且升高幅度較大，均達(dá)到甚至超過正常值的數(shù)倍左右，這是因?yàn)樵摃r(shí)期內(nèi)煤體應(yīng)力急劇升高，高應(yīng)力使得煤體內(nèi)部破裂和摩擦加劇，進(jìn)而產(chǎn)生較強(qiáng)烈的電磁輻射信號(hào)。該現(xiàn)象表明，深部應(yīng)變型沖擊地壓發(fā)生前通常存在一個(gè)煤體應(yīng)力持續(xù)升高期。

圖12 陽城煤礦1304工作面應(yīng)力及電磁輻射監(jiān)測結(jié)果Fig.12 Monitoring results of stress and electromagnetic radiation in No.1304 mining face

3.2 深部堅(jiān)硬頂板型

深部堅(jiān)硬頂板型沖擊地壓是頂板隨工作面回采不斷發(fā)生離層并產(chǎn)生大量微破裂，超過其極限狀態(tài)時(shí)突然斷裂失穩(wěn)破壞的過程。在釋放大量能量同時(shí)，應(yīng)力會(huì)從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)突然轉(zhuǎn)變。沖擊發(fā)生前，微震或聲發(fā)射事件的能量和頻率均增大，且煤體應(yīng)力或鉆屑量也呈增大趨勢。因此，建議采用微震法監(jiān)測頂板破裂事件增加作為遠(yuǎn)期預(yù)警，將煤體應(yīng)力、鉆屑量或聲發(fā)射事件增大作為近期預(yù)警。

華豐煤礦1411工作面基本頂巖層厚度較大且堅(jiān)硬，易發(fā)生深部堅(jiān)硬頂板型沖擊地壓，采用聲發(fā)射和應(yīng)力在線系統(tǒng)進(jìn)行沖擊危險(xiǎn)監(jiān)測預(yù)警，工作面聲發(fā)射及應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果如圖13所示[55]。從圖13(a)可以看出，從4月16日開始，聲發(fā)射能量值呈現(xiàn)逐漸上升趨勢;從圖13(b)中可以看出，隨著工作面回采，超前支承壓力也隨之向前轉(zhuǎn)移，而從4月16日開始，煤體中應(yīng)力持續(xù)升高形成應(yīng)力集中，煤體中積聚大量彈性能，應(yīng)力增長持續(xù)時(shí)間達(dá)3 d，采取強(qiáng)制放頂措施后該區(qū)域應(yīng)力值顯著減小。

圖13 華豐煤礦1411工作面聲發(fā)射及應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果[55]Fig.13 Monitoring results of acoustic emission and stress in No.1411 mining face[55]

3.3 深部斷層滑移型

深部斷層滑移型沖擊地壓是由于斷層面產(chǎn)生滑移、巖體加速滑動(dòng)而產(chǎn)生，釋放大量能量同時(shí)，也會(huì)造成煤體應(yīng)力瞬間增大。由于斷層滑移具有“持續(xù)滑動(dòng)-突變”或“黏滑-間歇-突變”的特征，沖擊發(fā)生前，能量會(huì)呈指數(shù)型增長趨勢或多峰值特征。因此，建議采用微震或聲發(fā)射監(jiān)測斷層活動(dòng)性，以應(yīng)力在線法和鉆屑法監(jiān)測斷層引起的應(yīng)力變化作為近期預(yù)警。

為了確定孫村煤礦1411工作面回采過斷層時(shí)工作面的動(dòng)壓顯現(xiàn)情況，該工作面采用微震和應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)分別在全局范圍、回采空間近場進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。2013-07-09在孫村煤礦1411工作面發(fā)生一次沖擊地壓，震級(jí)1.9級(jí)、能量2.82×106J，工作面沖擊地壓事件投影剖面如圖14所示。震源位置位于斷層附近，驗(yàn)證了由于斷層阻隔，煤體內(nèi)彈性能無法向前傳遞，導(dǎo)致斷層附近發(fā)生沖擊地壓。

圖14 孫村煤礦1411工作面沖擊地壓事件投影剖面Fig.14 Projection profile of one rock burst in No.1411 mining face

工作面回采過斷層期間的微震能量和應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果如圖15所示。從圖15(a)中可以看出，隨著工作面回采接近斷層，能量積聚呈指數(shù)型增長趨勢;沖擊發(fā)生后，能量大量釋放;7月24日后，總能量保持穩(wěn)定，基本不再受斷層影響。從圖15(b)中可以看出，從7月8日開始，斷層附近煤體應(yīng)力持續(xù)升高形成應(yīng)力集中，具有沖擊危險(xiǎn)，而7月9日深部煤體應(yīng)力突然下降，表明深部煤體發(fā)生破壞，應(yīng)力向四周轉(zhuǎn)移，發(fā)生沖擊地壓。也就是說，當(dāng)工作面回采接近斷層時(shí)，微震總能量和煤體應(yīng)力均會(huì)出現(xiàn)整體持續(xù)升高，即沖擊顯現(xiàn)前煤體內(nèi)部在短期內(nèi)會(huì)積聚大量彈性能。

圖15 孫村煤礦1411工作面過斷層期間微震總能量及應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果Fig.15 Monitoring results of microseismic energy and stress during passing through fault

4 深部開采沖擊地壓卸壓解危技術(shù)

4.1 組合式解危方法

基于深部應(yīng)變型、堅(jiān)硬頂板型和斷層滑移型沖擊地壓發(fā)生機(jī)理，結(jié)合開采保護(hù)層、鉆孔卸壓、深孔爆破和、煤層注水等方法的卸壓解危原理，提出了不同類型沖擊地壓的組合式解危方法，具體如圖16所示。

圖16 不同類型沖擊地壓組合式解危方法Fig.16 Combined mitigation methods for different rock burst types

防治深部應(yīng)變型沖擊地壓，需從2方面入手:① 降低煤層沖擊傾向性，如開采保護(hù)層和煤層注水;② 減小工作面超前支承壓力峰值及范圍，如開采保護(hù)層、煤層注水、斷底和大直徑鉆孔。幾種解危方法優(yōu)先順序?yàn)?開采保護(hù)層、大直徑鉆孔、斷底、煤層注水。

對(duì)于深部堅(jiān)硬頂板型沖擊地壓，關(guān)鍵是控制厚層堅(jiān)硬頂板斷裂，其次是降低煤層沖擊傾向性。開采保護(hù)層既可破壞頂板完整性，又能降低煤層沖擊傾向性，是消除此類沖擊危險(xiǎn)的有效方法。深孔斷頂爆破可避免堅(jiān)硬頂板懸頂產(chǎn)生的應(yīng)力集中，從根本上消除了堅(jiān)硬頂板突然斷裂對(duì)工作面產(chǎn)生的沖擊。幾種解危方法優(yōu)先順序?yàn)?開采保護(hù)層、深孔斷頂爆破、大直徑鉆孔、斷底、煤層注水。

控制深部斷層滑移型沖擊地壓的關(guān)鍵是防止斷層兩盤突然滑移，使斷層兩盤不發(fā)生相對(duì)滑移或僅緩慢滑移。只有通過留設(shè)保護(hù)煤柱的辦法才能從根本上消除此類沖擊地壓的發(fā)生，若要過斷層開采，可采用大直徑鉆孔和煤層注水提前釋放斷層構(gòu)造帶附近積聚的應(yīng)變能。開采保護(hù)層能夠降低煤層沖擊傾向性和應(yīng)力集中，也可有效緩解斷層型沖擊地壓發(fā)生。幾種解危方法優(yōu)先順序?yàn)?開采保護(hù)層、大直徑鉆孔、煤層注水。

由于大直徑鉆孔、煤層注水、深孔爆破斷頂?shù)刃秹航馕＜夹g(shù)均須提前向煤層或巖層中鉆孔，鉆孔過程中將對(duì)煤巖系統(tǒng)產(chǎn)生擾動(dòng)，以及在采掘、爆破等擾動(dòng)影響下，可能誘發(fā)沖擊地壓，對(duì)施工人員安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。為避免鉆孔過程中的沖擊危險(xiǎn)，研發(fā)了鉆孔施工與監(jiān)測預(yù)警同步化技術(shù)，即在鉆孔施工過程中通過監(jiān)測煤粉量和應(yīng)力變化信息，可對(duì)鉆孔施工過程中可能發(fā)生的沖擊危險(xiǎn)進(jìn)行同步預(yù)警，具體施工示意如圖17所示。

圖17 鉆孔施工與監(jiān)測預(yù)警同步化技術(shù)Fig.17 Synchronization technique of drilling and monitoring

4.2 典型沖擊地壓卸壓解危實(shí)踐

(1)深部應(yīng)變型。

選用大直徑鉆孔在陽城煤礦1304工作面超前80 m范圍內(nèi)進(jìn)行卸壓后，采用鉆孔應(yīng)力在線監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)卸壓前后工作面超前支承壓力進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測，結(jié)果如圖18所示。采用大直徑鉆孔卸壓前，工作面超前支承壓力峰值為44.5 MPa，位于工作面前方40～45 m;采用大直徑鉆孔卸壓后，工作面超前支承壓力峰值為42.5 MPa，但位于工作面前方55～58 m。鉆孔卸壓降低了工作面超前支承壓力，且使支承壓力峰值向深部轉(zhuǎn)移，降低了工作面沖擊危險(xiǎn)性。

圖18 陽城煤礦1304工作面卸壓前后支承壓力對(duì)比Fig.18 Comparison of abutment pressure before and after stress relief

(2)深部堅(jiān)硬頂板型[55]。

華豐煤礦1411工作面選用深孔斷頂爆破和大直徑鉆孔進(jìn)行卸壓。工作面實(shí)施卸壓解危措施后，采用鉆屑法對(duì)卸壓前后工作面煤壁前方30 m處進(jìn)行了監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖19所示。

圖19 工作面卸壓前后鉆粉量對(duì)比Fig.19 Comparison of powder amount before and after stress relief

卸壓前，工作面煤壁前方最大鉆粉量約為4 kg/m;采用大鉆孔卸壓后，該處鉆粉量明顯降低，最大鉆粉量約為3 kg/m左右，說明該處應(yīng)力集中得到有效緩解。

(3)深部斷層滑移型。

孫村煤礦1411工作面選用大直徑鉆孔作為常規(guī)卸壓手段。工作面施工卸壓鉆孔后，對(duì)卸壓前后微震監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果如圖20所示。卸壓前，隨著工作面回采接近斷層，微震釋放能量先增大后減小，釋放最大能量約為65 kJ;卸壓后，微震釋放能量也是先增大后減小，但卸壓后的最大微震能量為41 kJ，僅為卸壓前的63.07%，說明工作面卸壓效果明顯，沖擊危險(xiǎn)得到緩解。

圖20 孫村煤礦1411工作面卸壓前后微震總能量變化Fig.20 Comparison of microseismic energy before and after stress relief

5 結(jié) 論

(1)采掘擾動(dòng)后圍巖能量積聚呈黏彈非線性，深部應(yīng)變型沖擊地壓是圍巖系統(tǒng)能量積聚大于能量釋放與耗散之和的結(jié)果;深部堅(jiān)硬頂板型沖擊地壓是由頂板破斷引起，但與淺部相比，煤層積聚彈性變形能和頂板積聚彎曲變形能均增大，轉(zhuǎn)換為煤體拋出的動(dòng)能增多;深部斷層受高集中應(yīng)力和斷層面兩側(cè)煤巖力學(xué)性質(zhì)差異較大的影響，開采擾動(dòng)下更易發(fā)生錯(cuò)動(dòng)滑移，導(dǎo)致深部斷層型沖擊地壓發(fā)生。

(2)深部應(yīng)變型沖擊地壓是應(yīng)力集中和能量大量積聚的結(jié)果，應(yīng)以能量和應(yīng)力判據(jù)為主;深部堅(jiān)硬頂板型沖擊地壓是應(yīng)力從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)突然轉(zhuǎn)變，以及釋放大量能量的過程，也應(yīng)以能量和應(yīng)力判據(jù)為主;深部斷層滑移型沖擊地壓是釋放能量從量變到質(zhì)變，應(yīng)以能量判據(jù)為主。基于各類沖擊地壓特點(diǎn)，提出了以深部沖擊地壓類型為導(dǎo)向的監(jiān)測預(yù)警方法。

(3)深部應(yīng)變型沖擊地壓解危方法優(yōu)先順序?yàn)殚_采保護(hù)層、大直徑鉆孔、斷底和煤層注水;深部堅(jiān)硬頂板型沖擊地壓解危方法優(yōu)先順序?yàn)殚_采保護(hù)層、深孔斷頂爆破、大直徑鉆孔、斷底和煤層注水;深部斷層型沖擊地壓解危方法優(yōu)先順序?yàn)殚_采保護(hù)層、大直徑鉆孔和煤層注水。研發(fā)了鉆孔施工與預(yù)警同步一體化技術(shù)，可在鉆孔施工過程中通過監(jiān)測煤粉量和應(yīng)力變化信息，對(duì)施工過程中可能發(fā)生的沖擊危險(xiǎn)進(jìn)行同步預(yù)警。

(4)煤礦深部開采沖擊地壓防治作為一個(gè)系統(tǒng)工程，以科學(xué)分類為基礎(chǔ)的系統(tǒng)防治技術(shù)體系，將是深部開采沖擊地壓需要重點(diǎn)攻關(guān)的研究方向，尤其是深部耦合型沖擊地壓的致災(zāi)機(jī)理與防治將更為復(fù)雜。近年來，厚積松散層、淺埋煤層、薄基巖、軟弱煤層等新區(qū)域也紛紛產(chǎn)生沖擊地壓現(xiàn)象，其發(fā)生的機(jī)理、類型等也需進(jìn)一步探索和研究。

致謝感謝新汶礦業(yè)集團(tuán)等單位提供的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)。