對于煤礦沖擊地壓災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警技術(shù)的幾點思考

王博

摘 要：在煤礦開采的過程中，沖擊地壓是一種典型的動力災(zāi)害，它具有突然產(chǎn)生性和強烈破壞性，對煤礦開采的安全性有著巨大威脅。監(jiān)測和防范沖擊地壓的發(fā)生是煤礦開采過程中亟須解決的技術(shù)難題，建立科學(xué)的監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)是十分重要的。本文對煤礦開采中沖擊地壓災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)警技術(shù)進行了大體介紹，在分析我國沖擊地壓災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警技術(shù)面臨難題的基礎(chǔ)上，提出了相關(guān)技術(shù)未來的發(fā)展走向，希望能為我國采礦工程的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻。

關(guān)鍵詞：沖擊地壓;監(jiān)測預(yù)警技術(shù);發(fā)展

中圖分類號：TD324 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）01-0195-02

1 煤礦沖擊地壓災(zāi)害概述

據(jù)相關(guān)研究表明，沖擊地壓發(fā)生的主要原因有三個：（1）煤巖本身就具有沖擊地壓發(fā)生的傾向性，也就是說其本身就存在沖擊破壞力，屬于內(nèi)在因素;（2）煤巖的結(jié)構(gòu)存在斷層或軟弱層，這是煤層在形成過程中的原始地質(zhì)構(gòu)造問題，人為無法改變和量化，也屬于沖擊地壓發(fā)生的內(nèi)因;（3）外力作用使煤巖體發(fā)生形變和破壞，這種所受應(yīng)力是產(chǎn)生沖擊地壓的關(guān)鍵原因[1]?？梢哉f沖擊地壓的產(chǎn)生都是來自應(yīng)力的破壞，只是每種沖擊地壓所受應(yīng)力的大小和來源不同而已。由于煤巖體本身的構(gòu)造可能就存在一些沖擊傾向，加上煤礦開采中會產(chǎn)生一些采場應(yīng)力，原始應(yīng)力和采場應(yīng)力相互疊加、相互作用，就可能形成高度集中的應(yīng)力，從而破壞煤巖體的動態(tài)平衡狀態(tài)，誘發(fā)沖擊地壓災(zāi)害發(fā)生。由此可見，煤巖體所受的應(yīng)力就是沖擊地壓發(fā)生的根本原因。

2 監(jiān)測預(yù)警技術(shù)和方法

2.1 對煤巖體應(yīng)力情況的監(jiān)測技術(shù)

（1）應(yīng)力監(jiān)測技術(shù)。現(xiàn)今我國已開發(fā)出比較完備的應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)：系統(tǒng)通過傳感器實現(xiàn)對煤巖體所受應(yīng)力的自動監(jiān)測，然后將脈沖信號傳至監(jiān)測記錄儀;監(jiān)測記錄儀隨時接收并存儲傳感器輸出的相關(guān)數(shù)據(jù);然后這些數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)測軟件的量化處理，轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌蚍从吵霾傻V工作時采場應(yīng)力的變化情況的信息;工作人員找出高應(yīng)力區(qū)并對其變化趨勢進行分析，進而實現(xiàn)對危險區(qū)的及時預(yù)報和預(yù)警。（2）電磁輻射監(jiān)測技術(shù)。在應(yīng)力作用下煤巖體中會產(chǎn)生非均勻形變，進而產(chǎn)生電磁輻射。煤巖體的形變速度增加，電磁輻射的強度和脈沖也會逐漸增強。安全情況下，電磁輻射的強度一般在某個值以下;有沖擊破壞產(chǎn)生時，電磁輻射的強度會突然加強。因此根據(jù)電磁學(xué)的相關(guān)理論計算出煤巖體應(yīng)力狀態(tài)和電磁輻射強度的耦合關(guān)系，然后監(jiān)測人員只需通過對電磁輻射強度進行監(jiān)測，就可以有效預(yù)測煤巖體是否會產(chǎn)生沖擊地壓災(zāi)害。（3）電荷監(jiān)測技術(shù)。煤巖體產(chǎn)生形變時，煤巖裂縫處的電荷會在摩擦作用下產(chǎn)生分離的情況，進而產(chǎn)生電荷感應(yīng)信號。電荷感應(yīng)信號的強度和煤巖體的受力情況具有一定的相關(guān)性，即煤巖體受力增加，電荷感應(yīng)信號也會不斷加強。但電荷感應(yīng)信號不是無限增強的，據(jù)相關(guān)研究表明，煤巖體被破壞到失去穩(wěn)定性之前，電荷信號上升到最大值，失穩(wěn)之后電荷強度會減小[2]。電荷監(jiān)測技術(shù)就是利用了煤巖體的失穩(wěn)反應(yīng)，該技術(shù)監(jiān)測到的電荷信號越強，表示煤礦越有可能發(fā)生沖擊地壓災(zāi)害。（4）CT探測技術(shù)。CT探測技術(shù)分為彈性波CT和震動波CT兩種，彈性波CT用于監(jiān)測位置由人工激發(fā)的已知情況，震動波CT應(yīng)用于采礦誘發(fā)的礦震等震源未知情況，它們的工作原理都是用地震波射線透視煤巖體，對煤巖體的應(yīng)力場大小進行反演成像。煤巖體的應(yīng)力值越高，震動波速就越快，因此通過對地震波的能量高低情況進行觀測，可以推算出礦區(qū)的震動速度場，進而判別出高應(yīng)力的沖擊地壓危險區(qū)域。（5）地質(zhì)動力區(qū)劃技術(shù)。這種技術(shù)基于板塊構(gòu)造學(xué)說，須結(jié)合礦區(qū)的實際情況進行分析和運用。地質(zhì)構(gòu)造情況會決定地形地貌，因此也可以通過對地形地貌的分析反推出地質(zhì)構(gòu)造。地質(zhì)動力區(qū)劃技術(shù)可以劃分研究區(qū)域的斷塊圖并且查明斷塊之間的相互作用關(guān)系，進而確定應(yīng)力場的方向和大小。通過一系列分析，能夠為采礦工程確定施工方案提供有價值的參考信息。

2.2 實際開采中的預(yù)警防治措施

對沖擊地壓進行防治的主要理念是減少施工中對煤巖巷道產(chǎn)生的應(yīng)力影響，并且通過主動支護措施增加煤巖體的力學(xué)強度，必要時還可以通過加錨索和打錨桿等方式增加圍巖的承受能力。相關(guān)人員要通過采用綜合性的措施，有效減少沖擊地壓發(fā)生的可能性和破壞性，具體的預(yù)防措施可以參考以下幾個方面：

（1）制定合理開采方案。在礦井開采的過程中，首先要對地質(zhì)環(huán)境有具體的了解和詳細(xì)的分析，制定出最佳的開拓和回采方案，并選擇最適合的開采進度。必要時要避免開采高危區(qū)域，比如能量較大的斷層區(qū)或地質(zhì)松脆的煤巖區(qū)，在掘進巷道時要盡量避免觸碰這種特殊區(qū)域，并且在回采的過程中也可以快速推過，減少損傷。（2）減少應(yīng)力集中情況。對于監(jiān)測到的應(yīng)力作用高度集中的工作面，采取有效措施減少應(yīng)力集中的情況，來預(yù)防沖擊地壓的發(fā)生。主要的方法有：無煤柱開采，對采區(qū)內(nèi)有突出危險的煤柱采用直接采掉措施，以免高危煤柱威脅開采安全;對于受高危煤柱影響的臨近區(qū)域，在開采過程中也應(yīng)盡量避開;另外要合理安排開采順序，避免應(yīng)開采錯亂導(dǎo)致的追采和對采、以及雙面或三面采空等情況。（3）改變煤巖體物理學(xué)特性。常用的改變煤巖體物理學(xué)特性的方法有：將高壓水注入到煤層中，從而對煤巖的脆性起到一定軟化作用，以減少高能量集中積聚的情況;在煤巖體應(yīng)力集中的部位燃放“應(yīng)力炮”，合理的爆破能起到良好的降壓作用，但要注意，這一舉措一定要有科學(xué)的理論和豐富的實戰(zhàn)經(jīng)驗作為支撐，否則可能無法避免沖擊地壓甚至誘發(fā)沖擊地壓;對于圍巖變形而導(dǎo)致的沖擊地壓，可以采用噴漿錨索等方法進行支護，提高巖體的承受能力。

3 沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警面臨的問題

3.1 監(jiān)測物理量單一

沖擊地壓災(zāi)害產(chǎn)生的原因有很多，從環(huán)境上看有地質(zhì)構(gòu)造、采掘擾動、頂板破斷等，從力源上看有震動力、應(yīng)力等，從沖擊類型上看有滯后性沖擊和瞬時性沖擊等。綜上所述，沖擊地壓誘因具有很強的復(fù)雜性，但各種監(jiān)測技術(shù)都是對某一特定物理量進行監(jiān)測的，難以實現(xiàn)全面分析、合理預(yù)警，從總體上來看不能與沖擊地壓的復(fù)雜機理適配。

3.2 預(yù)警指標(biāo)的閾值難規(guī)范

為克服上述監(jiān)測物理量過于單一的情況，很多采礦現(xiàn)場安裝了組合設(shè)備，采用多種監(jiān)測技術(shù)組合的方式進行預(yù)警。每種監(jiān)測技術(shù)都設(shè)有安全區(qū)間，也就是當(dāng)監(jiān)測物理量的值超出安全區(qū)間時，檢測設(shè)備會產(chǎn)生警報。但是每種技術(shù)和設(shè)備預(yù)警的閾值都存在不確定性，在不同的施工環(huán)境中或多或少存在一定彈性，因此常出現(xiàn)設(shè)備錯誤預(yù)警或不預(yù)警的情況。即使采礦現(xiàn)場采取多套設(shè)備組合監(jiān)測，但預(yù)警閾值不能精準(zhǔn)確定也會造成預(yù)警失敗[3]。

3.3 監(jiān)測布點難確定

沖擊地壓災(zāi)害的破壞方式和沖擊力來源之間有強大的關(guān)聯(lián)性，比如垂直應(yīng)力會對采場煤壁和巷道幫部造成沖擊，水平應(yīng)力會對巷道底板、頂板以及采場底板造成沖擊，強烈的振動會造成構(gòu)造失穩(wěn)、頂板斷裂等。可見煤礦中的沖擊方式多樣多變，給現(xiàn)場布點工作帶來了很大難度，布點工作缺乏周全性和科學(xué)性會直接導(dǎo)致沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警效果不理想。

3.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸和反饋不及時

監(jiān)測技術(shù)水平高只是做好煤礦沖擊地壓災(zāi)害預(yù)警的一部分，而危險信息能否及時反饋也是災(zāi)害預(yù)警的關(guān)鍵。良好的信息反饋機制能夠保障沖擊地壓預(yù)警的安全性，但是由于礦場監(jiān)測設(shè)備數(shù)量和種類多，數(shù)據(jù)產(chǎn)出量極大，因此信息的反饋容易出現(xiàn)滯后現(xiàn)象。監(jiān)測設(shè)備并不是越多越好，合理的搭配和布置才能夠有效預(yù)警，幫助相關(guān)人員快速分析，及時捕捉危險信息，采取預(yù)防措施。

4 沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警技術(shù)發(fā)展要求

4.1 區(qū)域性覆蓋、局域性聚焦

在礦井開采的過程中，潛在的沖擊地壓塊段數(shù)量多且分布廣，其中，靜態(tài)危險區(qū)是由各種原先存在的地質(zhì)因素誘發(fā)的，動態(tài)危險區(qū)是由采礦施工活動引起的，沖擊地壓災(zāi)害的形成也是由各種近場因素和外場因素各自或共同誘發(fā)的。因此，沖擊地壓災(zāi)害監(jiān)測技術(shù)應(yīng)該做到區(qū)域性覆蓋、局域性聚焦，既能對危險區(qū)域進行聚焦式追蹤監(jiān)測，又要對潛在的沖擊地壓塊段進行全覆蓋型把控，在臨場預(yù)警的同時保證外場預(yù)警工作同樣到位。

4.2 “多參量”同時監(jiān)測

各種各樣的因素都可能導(dǎo)致煤礦沖擊地壓災(zāi)害，因此在進行監(jiān)測的時候，需要把多種參量結(jié)合起來才能更好地做到全面監(jiān)測。比如有些因素會產(chǎn)生震動從而造成沖擊地壓;有些因素會促使應(yīng)力演化進而誘發(fā)地壓災(zāi)害，因此有必要將震動監(jiān)測和應(yīng)力監(jiān)測結(jié)合起來，同時對應(yīng)力和震動兩個參數(shù)進行監(jiān)測[4]。在常見的沖擊地壓監(jiān)測技術(shù)中，鉆屑、電磁輻射和電荷輻射等技術(shù)監(jiān)測的物理量是應(yīng)力，而礦震、微震監(jiān)測等技術(shù)所關(guān)注的物理量是震動。監(jiān)測之后可以將沖擊危險分為強度沖擊危險、中度沖擊危險、弱沖擊危險以及無沖擊危險四個等級，相關(guān)人員應(yīng)根據(jù)不同等級采取有效的方式及時預(yù)警。通過多種技術(shù)組合進行多參量監(jiān)測，能夠?qū)_擊地壓的危險性作出更為準(zhǔn)確合理的預(yù)判，進而實現(xiàn)更好的監(jiān)測預(yù)警效果。

4.3 實現(xiàn)“在線、實時”的數(shù)據(jù)傳輸

優(yōu)化沖擊地壓監(jiān)測技術(shù)是做好災(zāi)害預(yù)防的基礎(chǔ)，而監(jiān)測信息反饋的及時性是保障監(jiān)測技術(shù)有效發(fā)揮的關(guān)鍵。如果檢測人員不能及時捕獲重要信息，那么監(jiān)測技術(shù)將失去意義。因此，實現(xiàn)在線、實時的監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸是必不可少的。近年來光纖通信技術(shù)的不斷發(fā)展為數(shù)據(jù)監(jiān)測連續(xù)、及時傳輸提供了可行之路，礦井環(huán)網(wǎng)技術(shù)的研發(fā)為沖擊地壓災(zāi)害預(yù)警工作的發(fā)展做出了重要貢獻。

4.4 “時、空、級別”多層次精準(zhǔn)預(yù)警

新時代的煤礦沖擊地壓災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警技術(shù)應(yīng)該做到多層次可靠預(yù)測，即對于某一區(qū)域，實現(xiàn)該區(qū)域在一段時間內(nèi)的預(yù)測;對于某一時間點，實現(xiàn)該時間點上所有區(qū)域的全面預(yù)測;對于某段時間或某個區(qū)域，實現(xiàn)災(zāi)害危險級別精確預(yù)測。這種時間跨度長、監(jiān)測區(qū)域廣、預(yù)警準(zhǔn)確度高的預(yù)測能夠滿足新時代災(zāi)害預(yù)警的要求，有效保護社會財產(chǎn)安全和人民生命安全。

5 結(jié)語

總之，沖擊地壓作為一種動力災(zāi)害，一旦發(fā)生就會對工作人員的生命安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，也會對儀器設(shè)備和各種構(gòu)筑物產(chǎn)生嚴(yán)重破壞，從而造成巨大經(jīng)濟損失。因此，煤礦沖擊地壓災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)警技術(shù)十分重要，相關(guān)工作人員在進行監(jiān)測和施工的過程中，要做到密切監(jiān)測，嚴(yán)格防控，及時預(yù)警，通過不斷完善監(jiān)測預(yù)警措施，有效提升煤礦開采的安全性和有效性。

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