煤層沖擊地壓防治技術現(xiàn)狀研究*

李鵬翔

(1.東北大學資源與土木工程學院 沈陽 110819；2.深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室 沈陽 110819)

0 引言

近年來，隨著淺部資源煤炭的枯竭，開采深度逐年增加以及孤島工作面和殘采煤柱逐漸納入開采規(guī)劃，沖擊地壓災害頻發(fā)。針對沖擊地壓的發(fā)生機理，國內外學者們提出了包括剛度理論、強度理論、能量理論、沖擊傾向性理論、變形系統(tǒng)失穩(wěn)理論、三準則、三因素理論等一系列相關的理論[1]。但由于沖擊地壓的復雜性，目前學術界還未對其形成統(tǒng)一的認識，沖擊地壓的理論滯后于沖擊地壓的防治實踐。我國最早的沖擊地壓發(fā)生在1933年撫順勝利煤礦，沖擊地壓防治工作研究始于1978年，相比于其他采礦先進國家(波蘭、德國、前蘇聯(lián))，我國針對沖擊地壓研究起步較晚，但我國是世界上采煤量最多的國家，也是受沖擊地壓災害最嚴重的國家，因此對沖擊地壓的機理和防治研究非?；钴S。經(jīng)過多年努力，沖擊地壓防治技術工作已處于國際領先水平[2-8]。學者們提出的各種防治沖擊地壓的理論和措施、研發(fā)或提出的監(jiān)測設備和技術，在防治沖擊地壓方面取得了不同程度的成功。目前針對沖擊地壓預測預警和防控技術進行系統(tǒng)研究的還較少，基于此，筆者對沖擊地壓的影響因素、判別準則、現(xiàn)場監(jiān)測預報和防控進行了系統(tǒng)總結。

本文在系統(tǒng)整理大量文獻的基礎上，分析了煤層發(fā)生沖擊地壓的主要影響因素。分析發(fā)現(xiàn)煤層自身具有沖擊傾向性是發(fā)生沖擊地壓的必要條件，應力是煤層發(fā)生沖擊的外在動力，煤層含水率和煤體完整性是主要外部影響因素。整理并分析了主要煤層沖擊傾向性判據(jù)、現(xiàn)場主要沖擊地壓監(jiān)測設備和技術的優(yōu)缺點及相關性。最后，按開拓規(guī)劃設計、掘進開采階段分別總結了現(xiàn)有的沖擊地壓防控措施。指出現(xiàn)有措施主要從以下3個方面進行沖擊地壓解危：降低應力集中程度、降低煤體質量、提高煤層含水量。

1 煤層發(fā)生沖擊地壓的主要影響因素

煤層發(fā)生沖擊地壓是內因和外因共同作用的結果。內因為煤層自身具有沖擊傾向性，外因主要為二次擾動應力或者疊加動載足夠高，達到煤體破壞的極限強度。外因還包括煤體含水率、煤體裂隙發(fā)育程度、瓦斯壓力等其他因素。

1.1 煤層沖擊傾向性因素(內因)

沖擊傾向性是指煤巖產(chǎn)生沖擊破壞的一種能力，是某一煤層自身所具有的屬性，沖擊地壓發(fā)生強度和等級還依賴于眾多外部因素。以下列出了主要的煤層沖擊地壓傾向性判據(jù)。

(1)沖擊傾向性有效能比η

1973年波蘭學者MOTYCAKA提出了沖擊傾向性有效能比指標η[2]。η為煤(巖)樣單軸壓縮直至破壞，破碎巖塊拋射動能Φk與試樣存儲的最大彈性應變能ΦO之比的百分數(shù)。η值越大，沖擊傾向性越大，其表達式與等級判別區(qū)間為

η=(ΦK/ΦO)×100%

(1)

(2)

(3)

式中，n為拋出巖塊的數(shù)量，mi和vi分別為第i塊巖塊的質量和彈射速度(簡化為平拋運動，并忽略空氣阻力)。

(4)

式中，σmax為巖石單軸抗壓強度，εmax為峰值強度對應的應變。

(2)彈性能量指數(shù)Wet

Wet=φsp/φst

(5)

(6)

(3)單軸壓縮破壞動態(tài)破壞時間判據(jù)Dt

1986年張萬斌等[4]通過對大量煤樣試件的單軸壓縮實驗，提出動態(tài)破壞時間判據(jù)。動態(tài)破壞時間是指巖石達到峰值強度直至完全破壞所用時間，破壞過程的長短體現(xiàn)了能量累積與耗散動態(tài)特征。沖擊地壓風險判據(jù)如下

(7)

(4)撫順龍鳳礦能量沖擊性指標ACF及剛度沖擊性指標KCF

1986年朱之芳[5]應用煤樣單軸加載的全應力-應變曲線并結合剛度理論提出了能量沖擊性指標ACF和剛度沖擊性指標KCF兩個沖擊傾向性指標，并應用于撫順龍鳳煤礦的沖擊危險性預測。ACF為煤樣單軸加載時存儲的彈性能與巖石破壞消耗的能量之比，其判據(jù)范圍為

(8)

KCF為全應力-應變曲線峰值強度前彈性段的斜率(彈性模型)與峰后段斜率絕對值(降模量)的比值，其判據(jù)范圍為

(9)

(5)沖擊能量指數(shù)KE

煤樣的單軸全應力-應變曲線峰值前積蓄的變形能與峰值后耗損的變形能之比，用KE表示[6]，其判據(jù)范圍為

(10)

(6)煤的單軸抗壓強度Rc

煤的標準試件的單軸抗壓強度用Rc表示[6]，其判別區(qū)間為

(11)

(7)彈性變形指標Ki

彈性變形能指標由前蘇聯(lián)礦山測量研究總院提出[7]，煤樣在載荷大于單軸強度80%的條件下反復進行加卸載，在此情況下得到的彈性變形量與總變形量之比即為彈性變形指標Ki，其判別區(qū)間為

(12)

(8)剩余能量釋放速度指數(shù)WT

2009年張緒言等結合沖擊傾向性指標和動態(tài)破壞時間的，提出了剩余能量釋放速度指數(shù)WT[8]，表達式為

WT=Φy/Dt

(13)

Φy=ΦSE-A

(14)

式中，Φy為剩余能量，Dt為動態(tài)破壞時間，ΦSE為積蓄的彈性能，A為峰后耗損的變形能。WT越大，表明煤樣破壞過程中單位時間內釋放的剩余能量越多，煤樣破壞時動能也越多，沖擊傾向性越高，判別區(qū)間為

(15)

(9)沖擊能量速度指數(shù)WST

2010年潘一山等[8]基于沖擊傾向性指標，考慮煤巖破壞時彈性儲能、損耗能量及動態(tài)破壞時間因素，提出了沖擊能量速度指數(shù)WST，表達式為

(16)

式中，KE為沖擊能量指數(shù)，Dt為動態(tài)破壞時間。經(jīng)大量工程驗證，沖擊傾向性判別區(qū)間為

(17)

從以上沖擊傾向性判據(jù)可以看出，除了動態(tài)破壞時間判據(jù)、強度判據(jù)，其余判據(jù)都是從能量的角度分析判斷煤層的沖擊傾向性。各指標參數(shù)獲取多是通過煤試件的單軸抗壓實驗，或依賴應力-應變曲線峰值前段或全應力-應變曲線或應力-應變曲線峰后段。有的判據(jù)只考慮了峰前能量存儲與損耗如Wet，有的同時考慮了峰后能量的消耗如KE，WT，WST等，有的同時考慮峰后能量和時間因素如WT，WST，不難看出，這些指標判據(jù)具有一定的關聯(lián)性。蘇承東等[9]、高蕓等[10]分析了不同指標的相關性。目前，彈性能量指數(shù)、動態(tài)破壞時間、沖擊能量指數(shù)、煤的單軸抗壓強度應用較為廣泛，同時也是《沖擊地壓測定、監(jiān)測與防治方法：第2部分 煤的沖擊傾向性分類及指數(shù)的測定方法》(GB/T 25217.2—2010)[6]所建議的鑒定煤層沖擊傾向性的方法。需要指出的是，這些判據(jù)均是對煤樣的沖擊傾向性判斷，現(xiàn)場巖體比煤樣復雜的多，煤樣并不能代表煤體(層)，沖擊傾向性高的煤樣是否發(fā)生沖擊、發(fā)生何種等級沖擊地壓還取決于圍巖地質條件、地應力、采煤方法及工藝等現(xiàn)場施工條件。

1.2 應力因素(主要外因)

應力因素是發(fā)生沖擊地壓的外部主導因素。室內和現(xiàn)場聲發(fā)射及微震監(jiān)測表明，煤、巖體發(fā)生破壞是一系列微破裂萌生、擴展和貫通的過程。沖擊地壓作為煤體的一種猛烈的瞬間的破壞形式，其仍然存在一個孕育過程，即存在裂紋從萌生至貫通直到發(fā)生破壞的過程，這也是沖擊地壓能夠被現(xiàn)場監(jiān)測預測預警的基本原理。而微破裂的發(fā)展過程的動力來自于應力。在交通、水電等工程的隧洞，應力條件判據(jù)是判斷是否會發(fā)生巖爆的重要判據(jù)[11]。而由于采煤工作面、回采巷道相對于線性隧洞工程來說，開挖空間大，煤體受到反復加卸載，應力路徑更為復雜，現(xiàn)階段還未有真正的應力條件判據(jù)。潘一山等[8]基于穩(wěn)定性動力準則提出了在靜水壓力受力條件下圓形煤層巷道發(fā)生沖擊地壓的臨界巖體應力，在此指標的基礎上又相繼提出臨界軟化區(qū)域系數(shù)、臨界應力系數(shù)等判別指標。需要指出的是這些指標均未考慮采動影響對圓形煤層巷道的影響，同時把回采巷道類比成了交通、水電工程中的線性隧洞工程。

1.3 其他外因

(1)水對煤層沖擊傾向性的影響

許多學者研究了水對煤層沖擊傾向性的影響，研究發(fā)現(xiàn)煤樣的含水率升高會導致其強度的降低、塑性的增強，進而降低了沖擊傾向性[12]?，F(xiàn)場實施煤層注水提高煤層的含水率就是降低了煤體的破壞強度、增加了煤層的塑性，從而達到降低煤層沖擊危險性的目的。

(2)煤體質量對煤層沖擊傾向性的影響

現(xiàn)場實踐表明，煤層沖擊地壓多發(fā)生在完整性較好的質地硬脆的煤體中(堅硬脆性的煤樣一般均具有沖擊傾向性)。完整性好、裂隙發(fā)育少是對煤體質量的評價。當煤體質量較好時，煤體強度一般較高，同時裂隙發(fā)育少，易于存儲彈性能，可為沖擊地壓的發(fā)生積蓄能量；反之煤體可存儲的彈性能較小且易發(fā)生塑性破壞，此時不利于沖擊地壓的發(fā)生。在非煤礦山、深部地下工程中的巖爆，有針對巖體質量對巖爆影響的判據(jù)?，F(xiàn)階段煤層沖擊地壓的煤體質量判據(jù)并不多見[11]。

(3)瓦斯對煤層沖擊傾向性的影響

大量實驗表明[13]，瓦斯的存在可降低煤樣的強度及儲能能力、增加破壞過程中的能量消耗，使煤樣由脆性破壞向延性破壞轉變，一定程度上弱化了煤的沖擊傾向性。需要注意的是隨著瓦斯含量的增加，發(fā)生煤與瓦斯突出的機率也隨之增大，由煤與瓦斯突出引起的沖擊地壓災害不容忽視。

1.4 易發(fā)生沖擊地壓條件及區(qū)域

通過對眾多文獻中沖擊地壓案例的整理發(fā)現(xiàn)，沖擊地壓多在以下幾個區(qū)域(條件)發(fā)生：①應力集中區(qū)，如孤島工作面，殘采區(qū)，回次巷道超前支承壓力影響區(qū)域等；②應力異常區(qū)，斷層附近，褶曲等地質構造附近，煤層傾角變化帶，煤厚變化異常區(qū)；③頂板堅硬條件(堅硬頂板不能及時垮落，大面積懸頂而導致應力和能量集聚)；④老頂初次來壓和周期來壓期間。

2 沖擊地壓現(xiàn)場預測預報技術

2.1 微震監(jiān)測法

眾所周知巖體損傷破壞是一序列巖體裂紋產(chǎn)生、擴展、貫通的演化過程。巖體裂紋產(chǎn)生、擴展使得存儲在巖體內部的彈性能得到部分釋放，并以彈性波的形式從破裂源向外傳播，從而形成微震事件。微震數(shù)據(jù)蘊含著巖體內部的應力和破裂變化發(fā)展趨勢的寶貴信息，通過監(jiān)測、分析巖體破裂損傷直至破壞過程中的微震信息，可以推斷巖體的損傷程度和發(fā)展趨勢，進而可分析巖體穩(wěn)定性狀態(tài)[14]。在我國煤礦領域，竇林名、姜福興分別研制出了Seicom分布式廣域網(wǎng)微地震監(jiān)測系統(tǒng)和“震動場-應力場”一體化監(jiān)測預警系統(tǒng)[1]。由于微震監(jiān)測系統(tǒng)可監(jiān)測范圍較大，且24 h三維動態(tài)監(jiān)測煤巖體破裂產(chǎn)生的微震事件，進而評估監(jiān)測區(qū)域的沖擊傾向性風險，評估準確率較高，因此廣泛應用于沖擊地壓礦井中。在非煤礦山和地下深埋工程如地下廠房、隧洞巖爆預測預警中，微震監(jiān)測也有著較為廣泛的應用[15]。近年來微震技術在礦山巖爆、沖擊地壓方面應用越來越廣泛，是一種比較有應用前景的巖爆、沖擊地壓預測預警技術。

2.2 地音法

地音法較早應用于波蘭等國的煤礦，于2008年引入我國煤礦領域。根據(jù)AE傳感器所監(jiān)測到的微破裂，確定異常高應力區(qū)的位置，再將各臺地音探測器收到噪音信號的時間進行比較，從而確定該應力的傳播方向。當巖石臨近破壞時AE事件數(shù)迅速增加，如果傳感器接收的事件數(shù)大于某一閥值，意味著沖擊地壓風險較高。此方法的基本參數(shù)是能率E和大事件數(shù)頻度N，它們在一定程度上反映巖體內部的破裂程度和應力增長速度[16]。沖擊地壓的孕育是能量累積和積蓄過程，能量的累積意味著聲發(fā)射有一個暫時的平靜期，因此AE活動的平靜期可視為發(fā)生沖擊地壓的前兆。由于AE監(jiān)測的是高頻低能事件(能量衰減較快，傳播距離有限)，因此現(xiàn)在只能對局部小范圍巖體進行監(jiān)測。

2.3 電磁輻射法

這一方法首先由前蘇聯(lián)學者提出，20世紀90年代初期后，中國礦業(yè)大學也開始了這項研究。先后研制出KBD5電磁輻射監(jiān)測儀和相關應用軟件。研究表明，煤巖體破裂損傷過程中伴有不同程度的電磁輻射產(chǎn)生，通過研究沖擊地壓發(fā)生前表現(xiàn)出的電磁輻射規(guī)律可對沖擊地壓進行預測預警[17]。電磁輻射強度與煤巖體所處的應力狀態(tài)密切相關，應力集中程度越高，沖擊地壓發(fā)生的概率和等級越高，電磁輻射強度也就越強。電磁輻射主要參數(shù)有電磁輻射強度和脈沖數(shù)。電磁輻射法預測沖擊地壓具有可實現(xiàn)非接觸、連續(xù)動態(tài)監(jiān)測的特點，對生產(chǎn)影響較小，但監(jiān)測范圍較小，一般只有數(shù)十米，易受到井下變頻設備干擾。

2.4 鉆屑法

鉆屑法是煤礦中一種常規(guī)的沖擊地壓預測預警方法，該方法于20世紀60年代在德國開始使用，目前已在國際上廣泛應用，我國《防治煤礦沖擊地壓細則》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檢驗效果的方法。在工作面煤壁或者巷道兩幫，用煤電鉆鉆進，取L為煤電鉆可鉆進長度，M為煤層厚度，沖擊地壓風險預測指標[18]為

(18)

鉆屑法打鉆需要占用作業(yè)時間，施工時間不靈活，對生產(chǎn)有一定影響且費用較高。由于該方法易受到人工及煤巖體的結構、應力集中狀況等其他因素的影響，預測準確性在很大程度上取決于鉆孔布置及預測在空間和時間的選定。預測僅能反映鉆孔附近局部區(qū)域的沖擊地壓危險程度，不能完全反映較大范圍的預測預警結果。

2.5 地震CT技術

聲波在煤巖體傳播過程中遇到異構體，如斷層、褶皺、陷落柱、煤層異常變化時，其傳播路徑和參數(shù)會變法變化，通過聲波探測可以獲得異構體的位置和規(guī)模[19]。地震CT主要有兩個技術參數(shù)用于評估沖擊地壓風險，即波速大小、波速變化。波速大小與巖性和巖體密實程度密切相關，對于同一種介質，應力集中系數(shù)越高，密實程度越高，波速越快，沖擊地壓發(fā)生的概率和等級越高。如前所述，巖體異構結構為沖擊地壓高風險區(qū)，速度變換異常區(qū)更容易發(fā)生沖擊地壓。王書文等[20]提出了應力波速異常系數(shù)(AC)和波速梯度異常系數(shù)(GC)，并在此基礎上建立了沖擊地壓危險性指數(shù)C，并給出了劃分標準為

(19)

2.6 其他方法

除了以上現(xiàn)場預測預警沖擊地壓風險的方法外，還有鉆孔應力計法、支架載荷法、巷道變形測量法、電阻率法、水分法、震動法等。

現(xiàn)場監(jiān)測法主要對煤巖體的應力、變形等參數(shù)進行監(jiān)測，這些參數(shù)與煤巖體的破裂損傷密切相關。盡管沖擊地壓發(fā)生時表現(xiàn)出瞬時性、猛烈性等特點，但從巖體損傷的角度沖擊地壓仍具有一定的孕育過程，通過“破譯”現(xiàn)場監(jiān)測的原位數(shù)據(jù)，可以推斷沖擊地壓發(fā)生的可能性和等級。

3 沖擊地壓防控技術

3.1 開拓設計、規(guī)劃階段

首先應用煤層沖擊傾向性判據(jù)對所開采煤層或礦井進行沖擊傾向性判斷，當存在沖擊地壓危險時，在開拓、規(guī)劃設計階段可采用下列防控措施或技術：

(1)采取合理的開拓、采準、回采巷道合理布置、優(yōu)選采煤工作面的開采順序，避免孤島工作面的產(chǎn)生。

(2)選取合理的采煤方法和工藝，如分層開采、充填開采等。

(3)解放層開采、預掘卸壓巷等，降低沖擊傾向性的高煤層的完整性，進而降低煤體儲能能力，并減少應力的集中。

(4)無煤柱開采、寬巷掘進、寬巷留柱法。

3.2 掘進、開采階段

在掘進、開采階段主要采用上述的現(xiàn)場監(jiān)測方法對沖擊地壓風險進行預測預警，對沖擊地壓風險區(qū)域進行重點圈定，然后采取一系列沖擊地壓解危措施。由前面章節(jié)分析，應力、煤層含水量、煤體完整程度對煤層的沖擊傾向性具有較大影響?，F(xiàn)場采取的解危措施大多是從這幾個方面進行考慮。

對預測預警沖擊地壓風險較高的區(qū)域，可采用煤層高壓注水(改善煤體力學性質)、煤層卸壓爆破和大孔卸壓(既降低了應力集中程度，又降低了煤體的完整性)、定向水力壓裂法等。對于堅硬頂板懸頂引起的沖擊地壓，可采用頂板深孔爆破、強制放頂?shù)却胧┖褪侄?，改變煤巖層自身的沖擊傾向性，或將高應力轉移或釋放，從而降低該區(qū)域的沖擊地壓危險。

同時采取更有效的支護方法，提高支護體的抗沖擊能力，這是一種被動支護方法，也是防護沖擊地壓的最后一道防線。在采煤工作面，采用門式液壓支架或垛式液壓支架、吸能液壓支架等。在回采巷道或煤巷掘進工作面，采用高預應力強力錨桿、U型鋼支護、恒阻大變形錨桿、吸能錨桿支護[1]。

4 結語

(1) 分析了煤層發(fā)生沖擊地壓的主要影響因素。煤層自身具有沖擊傾向性是發(fā)生沖擊地壓的必要條件，應力是煤層發(fā)生沖擊的外在動力，煤層含水率和煤體完整性是主要外部影響因素。在考慮以上影響因素和綜合眾多文獻的基礎上，指出了易發(fā)生沖擊地壓的區(qū)域。煤層沖擊地壓解危措施基本均是考慮以上幾點影響因素。

(2) 系統(tǒng)整理了煤層沖擊傾向性判據(jù)，分析發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有沖擊地壓判據(jù)大多基于能量理論，是對煤層自身是否具有沖擊傾向性的判斷。而其他因素作為判據(jù)的還較少，如類似于隧道線性工程中的應力判據(jù)、煤體完整性判據(jù)。隨著工作面的綜采機械化，近年來發(fā)生在工作面的沖擊地壓呈下降趨勢，回采巷道和掘進工作面的沖擊地壓災害日益突出，可參考硬巖巖爆的應力判據(jù)，修正煤層沖擊傾向應力條件判據(jù)。

(3) 分析總結了現(xiàn)場沖擊地壓預測預警的主要技術設備和方法，比較了優(yōu)缺點和應用范圍，指出微震監(jiān)測是沖擊地壓預測預警比較有前途的方法。隨著監(jiān)測設備和技術的發(fā)展，沖擊地壓預測預警將會向即時化、精確化、自動化發(fā)展。

(4) 按開采的設計、施工階段分別總結了現(xiàn)有的沖擊地壓防控措施?，F(xiàn)有措施主要從以下3個方面進行沖擊地壓解危：降低應力集中程度、降低煤體質量、提高煤層含水量，即“兩個降低、一個提高”。