煤礦沖擊危險(xiǎn)性的定性與定量評(píng)價(jià)研究

齊慶新,李海濤,李曉鵬

(1.煤炭科學(xué)研究總院 深部開(kāi)采與沖擊地壓防治研究院,北京 100013; 2.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

0 引 言

沖擊地壓已然成為威脅煤礦安全生產(chǎn)最為主要的動(dòng)力災(zāi)害，其本質(zhì)是大量彈性變形能的劇烈釋放，作為工程科學(xué)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)對(duì)其科學(xué)有效的防控是開(kāi)展相關(guān)研究的最終目的，而沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)則是將沖擊地壓能量本質(zhì)具象化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其包含的沖擊危險(xiǎn)區(qū)域識(shí)別和沖擊危險(xiǎn)等級(jí)劃分等內(nèi)容，對(duì)于防控措施科學(xué)設(shè)計(jì)和有效實(shí)施都具有無(wú)可替代的支撐作用。然而，能量本身具有較高的抽象程度，在現(xiàn)有條件下尚不具備原位直接測(cè)量的手段，根據(jù)煤巖類(lèi)介質(zhì)的本構(gòu)可知，變形能由介質(zhì)自身屬性及應(yīng)力、應(yīng)變決定，其中，應(yīng)變雖然可測(cè)，但作為因變量，受制于介質(zhì)屬性和應(yīng)力，而連續(xù)、全面的介質(zhì)屬性原位探測(cè)/監(jiān)測(cè)，目前仍然有較多技術(shù)問(wèn)題有待攻關(guān)[1-3]，在應(yīng)用中，通常將既定現(xiàn)場(chǎng)的介質(zhì)屬性作為常量對(duì)待[4-5]。相比而言，應(yīng)力作為與開(kāi)采活動(dòng)直接相關(guān)的物理量，是在既定的介質(zhì)屬性條件下，引起變形能積聚的直接原因，與變形能具有更為顯著的相關(guān)性。然而，與瓦斯、水等可以直接測(cè)量的具體物質(zhì)相比，應(yīng)力在現(xiàn)場(chǎng)條件下通常需要借助鉆屑量、波速等物理量進(jìn)行間接反算或表征，同時(shí)，應(yīng)力作為連續(xù)分布于整個(gè)采掘空間內(nèi)的物理量，現(xiàn)有測(cè)試手段尚無(wú)法實(shí)現(xiàn)充分覆蓋，需要借助插值算法等完成連續(xù)應(yīng)力場(chǎng)的反演[6-8]。而通過(guò)間接計(jì)算獲得的應(yīng)力數(shù)據(jù)，由于無(wú)法驗(yàn)證，其可靠性將存在一定的局限，因此，單純基于應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，其可靠性將較為有限。

為此，需要繼續(xù)追溯造成應(yīng)力變化的根源。近年來(lái)已逐漸形成共識(shí)，即靜態(tài)的地質(zhì)賦存條件以及動(dòng)態(tài)的開(kāi)采過(guò)程共同造成了采掘空間應(yīng)力狀態(tài)的變化：前者奠定礦井的基礎(chǔ)應(yīng)力環(huán)境，后者在此基礎(chǔ)上為災(zāi)害的發(fā)生提供直接力源[9-10]。以量化的地質(zhì)構(gòu)造和開(kāi)采參數(shù)為依據(jù)進(jìn)行沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的思想也體現(xiàn)在了目前使用最多的綜合指數(shù)法中[11-14]，類(lèi)似研究還包括數(shù)量化理論[15]、綜合描述指標(biāo)設(shè)計(jì)[16-17]等。

綜上，對(duì)于沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，目前基本形成了以應(yīng)力為核心參量，兼顧地質(zhì)賦存、開(kāi)采參數(shù)影響的基本架構(gòu)。但值得注意的是，現(xiàn)有沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法，對(duì)于應(yīng)力連續(xù)分布于整個(gè)采掘空間、受多種因素耦合影響等關(guān)鍵特征的描述仍不充分，導(dǎo)致評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)聯(lián)性不足、多因素融合缺乏依據(jù)等問(wèn)題的出現(xiàn)，進(jìn)而制約著沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)向著客觀(guān)充分、科學(xué)量化的方向發(fā)展。

筆者在上述背景之下，重新明確了沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的相關(guān)概念，以回歸沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)根本目的為原則，提出現(xiàn)有沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法亟待改進(jìn)的方向，重新給出了沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)應(yīng)作為一項(xiàng)系統(tǒng)工作貫穿于礦井全生命周期的定位，對(duì)沖擊危險(xiǎn)定性和定量評(píng)價(jià)的潛在方法進(jìn)行了探討和應(yīng)用，為后續(xù)具體攻關(guān)方向的明確提供了有效支撐。

1 沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的基本特點(diǎn)

1.1 沖擊危險(xiǎn)性與相近概念的區(qū)別

巖爆危險(xiǎn)性與沖擊危險(xiǎn)性的區(qū)別。巖爆概念多在隧道等巖土工程中提及，以開(kāi)挖卸荷為主要誘發(fā)機(jī)制，包含應(yīng)變型巖爆和滑移型巖爆[18]，其造成破壞的主體介質(zhì)為巖石；沖擊地壓則隸屬于煤礦領(lǐng)域，除卸荷外，煤礦回采作業(yè)所產(chǎn)生的系列化擾動(dòng)，是區(qū)別于巖爆且更為主要的誘發(fā)源頭，其類(lèi)型包括煤層材料失穩(wěn)、煤層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、頂板斷裂、斷層滑移等，造成破壞的主體介質(zhì)為煤。二者本質(zhì)均為鄰空工作面大量彈性能的劇烈釋放，各自的危險(xiǎn)性也都集中在彈性能的衡量上，這也使得部分成果仍將二者作為同一概念使用，但考慮到二者主要發(fā)生場(chǎng)景和形成機(jī)制的確存在區(qū)別，并且國(guó)家監(jiān)管層針對(duì)沖擊地壓已給出明確概念，將二者混為一談或繼續(xù)爭(zhēng)論二者的包含關(guān)系已無(wú)必要，故倡議將巖爆及其相關(guān)概念劃定于巖石隧道工程中，而將沖擊地壓及其相關(guān)概念劃定于煤礦工程中。

沖擊傾向性和沖擊危險(xiǎn)性。沖擊傾向性的定義：煤巖體具有積聚變形能并產(chǎn)生沖擊破壞的性質(zhì)；沖擊危險(xiǎn)性的定義：煤巖體發(fā)生沖擊地壓的危害程度或危險(xiǎn)程度[19-20]。沖擊傾向性側(cè)重于描述介質(zhì)自身的固有屬性，而沖擊危險(xiǎn)性則是系統(tǒng)考慮介質(zhì)屬性、地質(zhì)構(gòu)造、開(kāi)采條件等因素后得出的綜合性結(jié)論[21]，即沖擊傾向性屬于沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)中的一環(huán)。與此對(duì)應(yīng)，沖擊傾向性可通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定，而對(duì)于沖擊危險(xiǎn)性，嚴(yán)格意義上則應(yīng)當(dāng)綜合礦井動(dòng)、靜態(tài)信息，并考慮各類(lèi)信息間耦合聯(lián)動(dòng)作用后方可獲得，但由于目前沖擊地壓機(jī)理層面仍有較多未解難題，在實(shí)際操作中，多通過(guò)綜合指數(shù)法、可能性指數(shù)法獲得。

沖擊危險(xiǎn)性評(píng)估和沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。二者均指向沖擊危險(xiǎn)性的獲得，但面向的沖擊地壓防控階段不同：評(píng)估工作主要在礦區(qū)總體規(guī)劃、可行性研究及初步設(shè)計(jì)階段開(kāi)展，以煤層未開(kāi)采、無(wú)法獲得直接支撐數(shù)據(jù)為特點(diǎn)，其結(jié)論通常是趨勢(shì)性的；評(píng)價(jià)工作主要是在礦井建設(shè)或正常開(kāi)采期間開(kāi)展，以能夠獲得直接的支撐數(shù)據(jù)為特點(diǎn)，需要基于實(shí)測(cè)給出明確結(jié)論。

1.2 沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的多尺度屬性

由于應(yīng)力連續(xù)分布于采掘空間的特征，沖擊危險(xiǎn)性的描述對(duì)象天然具有多尺度的屬性?，F(xiàn)行《防治煤礦沖擊地壓細(xì)則》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“細(xì)則”)中，涉及沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的尺度包括礦井、水平、煤層、采(盤(pán))區(qū)、工作面、巷道及硐室，其中，礦井、煤層、采區(qū)及工作面的沖擊危險(xiǎn)性必須進(jìn)行評(píng)價(jià)。對(duì)于評(píng)價(jià)結(jié)論，則主要包括沖擊危險(xiǎn)區(qū)域劃分及對(duì)應(yīng)區(qū)域的危險(xiǎn)等級(jí)確定。對(duì)于后者，細(xì)則中明確給出了無(wú)、弱、中、強(qiáng)的劃分，而對(duì)于沖擊危險(xiǎn)區(qū)域，則由于較多基本問(wèn)題尚未解決，并未在細(xì)則中給出具體方法或要求。

沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的結(jié)論，對(duì)于監(jiān)管監(jiān)察和礦井生產(chǎn)都應(yīng)當(dāng)具有指導(dǎo)作用，且不同尺度的沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果，在實(shí)現(xiàn)各自功能定位的前提下應(yīng)當(dāng)相互兼容、逐級(jí)支撐：

1)礦井整體尺度。該尺度同時(shí)包括沖擊危險(xiǎn)性的評(píng)估和評(píng)價(jià)，評(píng)估工作開(kāi)展于礦井總體設(shè)計(jì)階段，主要以周邊礦井、地質(zhì)普查或詳查信息等為依據(jù)，需要定性給出礦井整體的危險(xiǎn)等級(jí)及主控因素，給出沖擊地壓礦井類(lèi)型[22]；評(píng)價(jià)工作則以煤層、工作面等評(píng)價(jià)結(jié)果為基礎(chǔ)進(jìn)行反向融合，給出礦井或更大尺度下沖擊地壓的綜合風(fēng)險(xiǎn)，以指導(dǎo)不同層級(jí)的監(jiān)管、監(jiān)察工作。

2)區(qū)域尺度。該尺度主要包括煤層及采區(qū)的沖擊危險(xiǎn)性的評(píng)價(jià)，開(kāi)展于礦井建設(shè)初步設(shè)計(jì)階段，以煤層揭露、地應(yīng)力測(cè)試和礦井地質(zhì)精查信息為依據(jù)，需要給出依附于對(duì)應(yīng)煤層的沖擊危險(xiǎn)區(qū)域劃分及其等級(jí)，用于在初步設(shè)計(jì)中以低應(yīng)力開(kāi)采為原則，為采區(qū)劃分、工作面布置等細(xì)節(jié)提供支撐，為后續(xù)生產(chǎn)奠定良好的基礎(chǔ)應(yīng)力環(huán)境。

3)局部尺度。該尺度主要包括工作面、巷道及硐室的沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，是沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)工作的基礎(chǔ)單元，為實(shí)際生產(chǎn)前相關(guān)措施的設(shè)計(jì)和執(zhí)行提供最為具體和直接的支撐，需要給出具體的沖擊危險(xiǎn)區(qū)域及其等級(jí)，且在該尺度需要考慮沖擊危險(xiǎn)性的動(dòng)態(tài)演化特征，即監(jiān)測(cè)、預(yù)警。

2 沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)存在的問(wèn)題

沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)作為沖擊地壓防控的直接支撐，其重要性是不言而喻的，但與沖擊地壓影響要素的多樣性和發(fā)生機(jī)制的復(fù)雜性相比，現(xiàn)有沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)仍存在以下問(wèn)題。

1)評(píng)價(jià)指標(biāo)間的相關(guān)性體現(xiàn)不充分。理論上能夠?qū)?yīng)力產(chǎn)生影響的要素均應(yīng)列入沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的范疇，而相關(guān)成果也多關(guān)注于評(píng)價(jià)指標(biāo)的擴(kuò)充上，但沖擊地壓作為一個(gè)統(tǒng)一的物理過(guò)程，簡(jiǎn)單的羅列及權(quán)重加和顯然無(wú)法充分描述各要素之間的相互作用，如評(píng)價(jià)煤柱寬度是否具有危險(xiǎn)性，應(yīng)同時(shí)考慮其與埋深、煤層厚度等因素的關(guān)系，采掘環(huán)境不同，煤柱的臨界危險(xiǎn)尺寸也應(yīng)不同，退一步而言，即使為方便執(zhí)行采用絕對(duì)值進(jìn)行等級(jí)劃分，但對(duì)應(yīng)劃分標(biāo)準(zhǔn)在基礎(chǔ)研究或統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)方面仍缺乏可靠支撐。將指標(biāo)間的物理邏輯反映至評(píng)價(jià)工作中是目前沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)工作面臨的主要挑戰(zhàn)。

2)沖擊危險(xiǎn)區(qū)域劃分偏主觀(guān)。危險(xiǎn)區(qū)域劃分作為沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)中的核心內(nèi)容，現(xiàn)有評(píng)價(jià)方法中卻少有提及，在評(píng)價(jià)具體要素時(shí)，雖涉及距離、厚度等空間概念，但映射至結(jié)論中通常僅為與危險(xiǎn)級(jí)別相關(guān)的數(shù)值，無(wú)法對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域劃分形成支撐，執(zhí)行過(guò)程中，危險(xiǎn)區(qū)域范圍通常由分析人員主觀(guān)劃定。該問(wèn)題的解決勢(shì)必需要以沖擊危險(xiǎn)性的量化表征為前提，目前有成果通過(guò)微震、地應(yīng)力、地表沉陷等監(jiān)測(cè)手段，在該方向做出了有益的探索，但由于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與具體物理過(guò)程的對(duì)應(yīng)性尚不清楚，致使在多要素融合時(shí)缺乏足夠的支撐，進(jìn)而制約著量化評(píng)價(jià)準(zhǔn)確性的提高。

3)對(duì)于多要素和大數(shù)據(jù)的兼容性有限。目前主流的綜合指數(shù)法包含了7項(xiàng)地質(zhì)因素和11項(xiàng)開(kāi)采因素，在定性指導(dǎo)生產(chǎn)中，該方法能夠起到必要的支撐作用，但由于涉及要素的確有限，不僅在描述沖擊地壓復(fù)雜性方面捉襟見(jiàn)肘，在進(jìn)行多尺度危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)時(shí)，通常也會(huì)由于可用指標(biāo)有限而不得已重復(fù)使用，進(jìn)而失去了多尺度評(píng)價(jià)的意義，同時(shí)，隨著礦井“數(shù)字化”趨勢(shì)的明確，能夠?yàn)槲ｋU(xiǎn)性評(píng)價(jià)提供的數(shù)據(jù)類(lèi)型和數(shù)量也愈發(fā)充分，若仍局限于有限要素的簡(jiǎn)單評(píng)價(jià)，對(duì)于上述優(yōu)勢(shì)無(wú)疑是種浪費(fèi)，大數(shù)據(jù)技術(shù)、智能化算法的引入將不可避免。

4)對(duì)于評(píng)價(jià)的認(rèn)知脫離本源趨于刻板化。行業(yè)對(duì)于沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的重視程度極高，但由于上述基本問(wèn)題的存在，實(shí)現(xiàn)沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)的功能仍有難度，而客觀(guān)需求的存在，使得沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)工作不斷訴諸于簡(jiǎn)單易操作的綜合指數(shù)法、可能性指數(shù)法等，以至于該類(lèi)方法已表現(xiàn)出了等價(jià)于沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的趨勢(shì)，相關(guān)評(píng)價(jià)工作也趨于程序化，指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)的原本定位則被弱化。沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)報(bào)告不等于沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，應(yīng)將其作為日常工作貫穿于礦井全生命周期，除基于構(gòu)造、開(kāi)采等靜態(tài)信息進(jìn)行采前評(píng)價(jià)外，開(kāi)采過(guò)程中的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也應(yīng)當(dāng)納入沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)工作中，以保證對(duì)于礦井全維度信息和邏輯的覆蓋，回歸其獲取采掘空間具體區(qū)域危險(xiǎn)程度的根本任務(wù)。

3 沖擊危險(xiǎn)性的定性評(píng)價(jià)

沖擊危險(xiǎn)性的充分獲取以可靠的基礎(chǔ)研究和充分的科學(xué)數(shù)據(jù)為前提，需要借助專(zhuān)門(mén)的工具或平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，然而，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中通常存在臨時(shí)判斷和決策的情況，為此，提出了對(duì)于沖擊危險(xiǎn)性定性評(píng)價(jià)的需求。

定性評(píng)價(jià)以不進(jìn)行大量復(fù)雜計(jì)算為特征，但對(duì)于要素和信息則要求盡可能全面?，F(xiàn)有沖擊危險(xiǎn)性定性評(píng)價(jià)方法主要包括工程類(lèi)比、多因素疊加等，該類(lèi)方法主要考察敏感要素的齊備性，如多因素疊加法，依據(jù)綜合指數(shù)法中各要素在具體區(qū)域的賦存情況，多個(gè)要素疊加時(shí)，采用累積升級(jí)的原則，定性給出要素的危險(xiǎn)等級(jí)和影響范圍。

但正如前文所述，沖擊地壓作為受多種因素共同影響的物理過(guò)程，定性評(píng)價(jià)時(shí)除要求“要素齊備”外，各要素還應(yīng)滿(mǎn)足必要的邏輯才會(huì)導(dǎo)致沖擊地壓的發(fā)生，現(xiàn)有方法多關(guān)注“要素齊備”，對(duì)于“邏輯齊備”則關(guān)注不足。筆者將影響沖擊地壓的因素劃分為3類(lèi)，即物性因素、力源因素以及結(jié)構(gòu)因素，并以此為基礎(chǔ)，闡述了三類(lèi)因素相互作用并形成沖擊地壓的基本邏輯，提出廣義“三因素”理論[1]，并以此作為沖擊危險(xiǎn)定性分析的依據(jù)。

其中，物性因素指細(xì)觀(guān)尺度范圍內(nèi)，能夠在介質(zhì)基本物理力學(xué)屬性方面帶來(lái)差異且難以改變的相關(guān)要素，如基本物質(zhì)種類(lèi)、位錯(cuò)結(jié)構(gòu)、組分分布等；力源因素指依據(jù)具體作用機(jī)制，造成介質(zhì)出現(xiàn)變形、破壞等系列力學(xué)行為，且具有實(shí)際物質(zhì)基礎(chǔ)的相關(guān)要素，如巖層懸頂后通過(guò)重力作用于煤體，開(kāi)采卸荷導(dǎo)致重分布后的應(yīng)力集中，堅(jiān)硬頂板破斷對(duì)采掘空間形成的擾動(dòng)等；結(jié)構(gòu)因素指天然或人為形成，能夠破壞介質(zhì)均勻性、連續(xù)性的相關(guān)要素及其組成的空間體系，如煤巖介質(zhì)內(nèi)的裂隙-結(jié)構(gòu)面體系、地質(zhì)構(gòu)造、采掘活動(dòng)形成的煤柱及井巷空間等。

對(duì)于沖擊地壓，其作為動(dòng)力災(zāi)害應(yīng)滿(mǎn)足以下基本邏輯：①必然存在持續(xù)的能量補(bǔ)給源頭；②必然需要依賴(lài)于介質(zhì)的某些屬性以保證能量形式為彈性變形能；③必然存在某種制約機(jī)制以保證彈性能積聚至失穩(wěn)致災(zāi)的量級(jí)；④制約機(jī)制必然會(huì)在特定條件下失效以形成大量彈性能的突然釋放。在廣義“三因素”機(jī)理中，物性因素是最根本的基礎(chǔ)，為后續(xù)一切力學(xué)行為提供底層支撐；力源因素是動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生的根本動(dòng)力，其狀態(tài)則是評(píng)價(jià)危險(xiǎn)性的主要依據(jù)，兼具源頭和結(jié)果的屬性；結(jié)構(gòu)因素是孕育和控制動(dòng)力災(zāi)害的關(guān)鍵所在，能夠?yàn)閺椥阅艽罅坑行Хe聚提供制約機(jī)制[23]，而制約機(jī)制失效是動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生的直接原因。各因素的邏輯關(guān)系如圖1所示。

圖1 “三因素”邏輯關(guān)系Fig.1 “Three factors”logical relationship

在具體工況下，首先以地質(zhì)資料、開(kāi)采狀況作為依據(jù)，判斷三種要素的齊備性和量級(jí)水平，而后根據(jù)“三因素”的邏輯關(guān)系，重點(diǎn)判斷物性要素的蓄能潛力、力源要素的持續(xù)性和結(jié)構(gòu)要素的制約能力，若三種要素和對(duì)應(yīng)邏輯均齊備，則應(yīng)當(dāng)作為重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域采取相應(yīng)措施。

4 沖擊危險(xiǎn)性的定量評(píng)價(jià)

4.1 沖擊危險(xiǎn)性定量評(píng)價(jià)基本類(lèi)型

沖擊危險(xiǎn)性的定量評(píng)價(jià)是實(shí)現(xiàn)沖擊地壓最終有效防控的直接支撐。目前技術(shù)條件下的定量評(píng)價(jià)可歸納為2類(lèi)。

1)以地質(zhì)構(gòu)造、開(kāi)采因素等非數(shù)值信息為基礎(chǔ)，借助數(shù)量化理論、多元統(tǒng)計(jì)分析等手段，完成各類(lèi)要素的數(shù)值化和綜合分析，主要面向采前靜態(tài)沖擊危險(xiǎn)性的獲取，如綜合指數(shù)法等，但受限于探測(cè)手段，目前準(zhǔn)確的礦井地質(zhì)賦存情況仍無(wú)法充分獲取并量化，進(jìn)而使得在其影響下的開(kāi)采因素力學(xué)效應(yīng)亦未能被合理描述，由此造成該類(lèi)方法在描述具體要素危險(xiǎn)性時(shí)主觀(guān)判定的影響仍然較大，使得該類(lèi)方法更像是沖擊危險(xiǎn)性向數(shù)值的簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)換。

2)以微震、地應(yīng)力等數(shù)據(jù)化信息為基礎(chǔ)，基于1種或幾種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的演化特征進(jìn)行預(yù)警，主要面向采中動(dòng)態(tài)沖擊危險(xiǎn)性的跟蹤[24,25]，如沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)等，不同類(lèi)型監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)都是對(duì)具體應(yīng)力環(huán)境的間接描述，換言之，該類(lèi)數(shù)據(jù)具有相同的本質(zhì)，具備融合的基本前提，這也是目前沖擊危險(xiǎn)性量化評(píng)價(jià)的主要攻關(guān)方向，但該方法的核心問(wèn)題在于數(shù)據(jù)質(zhì)量難以保證，同時(shí)，現(xiàn)有數(shù)據(jù)融合多試圖將不同尺度的各類(lèi)型數(shù)據(jù)全部吸收，對(duì)于不同類(lèi)型數(shù)據(jù)在覆蓋尺度、物理內(nèi)涵等方面的差異則選擇了忽略，然而，這些差異本身也是信息，如此不加區(qū)別的融合對(duì)于數(shù)據(jù)反而是種浪費(fèi)。

真正意義上的沖擊危險(xiǎn)性定量評(píng)價(jià)，很大程度上依賴(lài)于礦井的數(shù)字化，而數(shù)字化則需要沖擊地壓基礎(chǔ)理論和探測(cè)手段的全方位提升，二者將分別從物理邏輯和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)方面實(shí)現(xiàn)對(duì)于礦井?dāng)?shù)字化的支撐，進(jìn)而強(qiáng)化沖擊危險(xiǎn)性量化評(píng)價(jià)的可靠性。但這也并非意味著目前對(duì)于沖擊地壓的定量評(píng)價(jià)只能等待基礎(chǔ)理論或探測(cè)手段的突破，其對(duì)于防控之所以重要，主要因?yàn)闆_擊危險(xiǎn)性定量評(píng)價(jià)能夠基于數(shù)據(jù)反映出礦井的差異性，是實(shí)現(xiàn)“一礦一策”防控要求的基本條件，與之對(duì)應(yīng)的核心特征可描述為：以礦井自身數(shù)據(jù)，指導(dǎo)礦井自身生產(chǎn)。對(duì)于第1類(lèi)定量評(píng)價(jià)，基礎(chǔ)理論和探測(cè)手段對(duì)其數(shù)字化有著無(wú)法回避的根本性制約，而對(duì)于第2類(lèi)定量評(píng)價(jià)，雖然在數(shù)據(jù)質(zhì)量提升方面存在類(lèi)似的問(wèn)題，但由于天然具有數(shù)字化的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)描述應(yīng)力環(huán)境的本質(zhì)，完全有條件基于純數(shù)據(jù)在定量評(píng)價(jià)方面做出提升，以此弱化主觀(guān)判定影響，發(fā)揮數(shù)據(jù)本身價(jià)值。

4.2 沖擊危險(xiǎn)性定量評(píng)價(jià)的改進(jìn)

為此，針對(duì)第2類(lèi)定量評(píng)價(jià)存在的問(wèn)題，以監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在覆蓋尺度上的差異為切入點(diǎn)，將微震作為區(qū)域性覆蓋手段單獨(dú)劃分一類(lèi)，挖掘每日微震頻次這一可靠度最高的指標(biāo)，而將應(yīng)力、電磁輻射等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)層次分析法與微震評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行融合，并將融合結(jié)果僅表征在其覆蓋的局部區(qū)域，以此在沖擊危險(xiǎn)性定量評(píng)價(jià)方面做出一定探索。

針對(duì)微震每日頻次的純數(shù)據(jù)挖掘，采用統(tǒng)計(jì)的方法進(jìn)行危險(xiǎn)等級(jí)劃分，其主要依據(jù)在于：對(duì)于某一系統(tǒng)，其處于正常狀態(tài)的時(shí)間將占其總運(yùn)行時(shí)間的絕大部分，統(tǒng)計(jì)與系統(tǒng)運(yùn)行具有因果關(guān)系的某指標(biāo)數(shù)值頻次，其占比最多的數(shù)值范圍即為描述該系統(tǒng)正常狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)范圍。在該理念下，采用統(tǒng)計(jì)學(xué)中所統(tǒng)計(jì)的數(shù)值頻次分布特征通過(guò)偏態(tài)描述，主要分布形式如圖2所示。

圖2 危險(xiǎn)等級(jí)劃分示意Fig.2 Schematic of hazard classification

在進(jìn)行具體數(shù)值危險(xiǎn)等級(jí)劃分時(shí)，以眾數(shù)(頻次出現(xiàn)最多的值)為等級(jí)劃分起始點(diǎn)，認(rèn)為當(dāng)該指標(biāo)的新數(shù)值偏離正常區(qū)間較多時(shí)，系統(tǒng)出現(xiàn)異常，依據(jù)偏離程度的大小實(shí)現(xiàn)對(duì)于危險(xiǎn)等級(jí)的劃分，定義異常系數(shù)ξ描述具體數(shù)值m偏離眾數(shù)M的程度，同時(shí)為使得異常系數(shù)能夠反映出造成異常的原因，不采用絕對(duì)值表示而保留其正負(fù)號(hào)，其計(jì)算方法如下

ξ=[(m-M)/M]×100%

(1)

其具體危險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 危險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Classification standard of hazard level

目前事件定位、能量級(jí)別等指標(biāo)的計(jì)算精度，依賴(lài)于算法的可靠性，仍然有較大的優(yōu)化空間，但微震頻次卻只依賴(lài)于事件的“有”和“無(wú)”，其可靠性反而優(yōu)于其他指標(biāo)，為此，以每日微震頻次作為輸入量，考察其顯現(xiàn)特征，除具有劃定預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)的功能外，偏態(tài)的突然轉(zhuǎn)變，一定程度上也能夠反映危險(xiǎn)性的增加。該方法對(duì)于其他可靠性較高的離散型數(shù)據(jù)同樣適用。

對(duì)于應(yīng)力、電磁輻射等局部監(jiān)測(cè)手段，主要發(fā)揮其局部覆蓋的特征，支撐對(duì)于沖擊危險(xiǎn)區(qū)域的具體劃分，不強(qiáng)行融合至工作面的整體危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)中。該方法的確定主要基于長(zhǎng)期的現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)察：多數(shù)沖擊地壓礦井均配有多種監(jiān)測(cè)手段，且在局部區(qū)域內(nèi)通常安裝有多種傳感器，因此，對(duì)于局部區(qū)域而言，雖然單一傳感器的數(shù)據(jù)量有限，但可通過(guò)數(shù)據(jù)類(lèi)別的增加彌補(bǔ)單一數(shù)據(jù)量的不足，實(shí)現(xiàn)對(duì)局部區(qū)域的可靠評(píng)價(jià)。

基于傳感器的具體布置方式，以覆蓋工作面為前提，在保證每個(gè)局部區(qū)域內(nèi)包含3個(gè)以上數(shù)據(jù)源(建議優(yōu)先采用不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)源)的前提下，依據(jù)測(cè)點(diǎn)位置對(duì)工作面進(jìn)行劃分，如圖3所示。

對(duì)于監(jiān)測(cè)手段的集成，則應(yīng)當(dāng)以“一孔多用”等為原則，在保證各監(jiān)測(cè)手段有效性的前提下，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)手段對(duì)于空間占用的最小化，對(duì)于數(shù)據(jù)融合算法，則可利用層次分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、貝葉斯估計(jì)等成熟算法實(shí)現(xiàn)，此處不再贅述。

需要強(qiáng)調(diào)的是，沖擊危險(xiǎn)性定量評(píng)價(jià)并不意味著方法或指標(biāo)的復(fù)雜化，因沖擊地壓以現(xiàn)場(chǎng)有效防控為目的，合適的操作門(mén)檻也應(yīng)列入量化評(píng)價(jià)的考量之中，只要滿(mǎn)足以礦井自身數(shù)據(jù)，指導(dǎo)礦井自身生產(chǎn)的特征，即可納入定量評(píng)價(jià)的范疇。上述方法依賴(lài)于原始數(shù)據(jù)，在基礎(chǔ)理論或者探測(cè)手段取得突破的情況下仍然適用，且易于現(xiàn)場(chǎng)操作，如能夠設(shè)計(jì)綜合描述能力更好的指標(biāo)，其效果將進(jìn)一步提升。

圖3 局部區(qū)域劃分示意Fig.3 Schematic of local area division

此外，基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)完成的沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)固然能夠保證結(jié)果的真實(shí)性，但由于探測(cè)手段短期內(nèi)確實(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)全空間覆蓋，因此，隨著我國(guó)對(duì)自主計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)的再次重視，將具有可靠物理邏輯的數(shù)值運(yùn)算也列入沖擊危險(xiǎn)性的定量評(píng)價(jià)手段之中是十分必要的。

5 沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)工程實(shí)例分析

5.1 定性分析實(shí)例

對(duì)于定性分析，通過(guò)事故案例敘述其使用方法及定位。山東某沖擊地壓煤礦，在其綜放工作面終采線(xiàn)外180～310 m的三岔口發(fā)生了一起底板沖擊地壓事故，造成2人死亡，事故地點(diǎn)埋深超1 000 m，且發(fā)生前1天附近工作面已停采，無(wú)明顯擾動(dòng)。該次事故特征包括：①無(wú)明顯擾動(dòng)，說(shuō)明造成事故的主體能量來(lái)源于煤體自身的積聚，而不是外部動(dòng)載；②沒(méi)有微震前兆，說(shuō)明事故前煤體內(nèi)沒(méi)有明顯的破裂行為發(fā)生，即煤體正在以較為完整的狀態(tài)持續(xù)積聚彈性能；③事故能量釋放量極大，結(jié)合前兩點(diǎn)，說(shuō)明單純?cè)谕獠快o載作用下，煤體即以較為完整的狀態(tài)產(chǎn)生了較大的變形，以致內(nèi)部彈性能積聚到危險(xiǎn)的致災(zāi)量級(jí)，同時(shí)，可以注意到事故發(fā)生區(qū)域的煤體，已經(jīng)被多條巷道切割為四面獨(dú)立的菱形孤島結(jié)構(gòu)，由此進(jìn)一步增加了煤體內(nèi)能量積聚的量級(jí)。

基于定性分析的方法：礦井煤層具有強(qiáng)沖擊傾向性，為彈性能大量積聚提供了可靠的物性因素；事故地點(diǎn)埋深超過(guò)1 000 m，且礦井?dāng)鄬舆_(dá)500條以上，分布極為密集，由此為彈性能的積聚提供了持續(xù)且水平較高的力源因素；事故地點(diǎn)煤體被多條巷道切割為四面獨(dú)立的菱形孤島結(jié)構(gòu)，形成了對(duì)于彈性能積聚有效制約的結(jié)構(gòu)因素，同時(shí)，大埋深下煤體蠕變破壞為制約機(jī)制的失效提供了路徑。

綜上，事故地點(diǎn)符合定性評(píng)價(jià)中“要素齊備”和“邏輯齊備”的標(biāo)準(zhǔn)，理應(yīng)進(jìn)行深度的卸壓解危，但慣性思維認(rèn)為，沖擊地壓通常發(fā)生于具備明顯擾動(dòng)的區(qū)域，故并未開(kāi)展對(duì)應(yīng)的防控工作，進(jìn)而導(dǎo)致了事故的發(fā)生。

5.2 定量分析實(shí)例

大安山煤礦位于京西山區(qū)之中，其地質(zhì)構(gòu)造極為復(fù)雜，與之對(duì)應(yīng)的是同樣復(fù)雜的應(yīng)力環(huán)境，礦井對(duì)沖擊地壓防控高度重視，配備了較為全面的監(jiān)測(cè)設(shè)備，包括微震、鉆孔應(yīng)力計(jì)、電磁輻射等。

對(duì)于具備區(qū)域覆蓋能力的微震監(jiān)測(cè)，統(tǒng)計(jì)分析2018年9月1日至10月31日的每日微震事件頻次，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4所示，區(qū)間為左閉右開(kāi)。

圖4 每日微震頻次統(tǒng)計(jì)Fig.4 Daily micro-seismic frequency statistics

由圖4可得，該周期內(nèi)每日出現(xiàn)5～10次微震事件的情況最為頻繁，因此，將其定為預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)，遠(yuǎn)離該區(qū)間過(guò)多，無(wú)論低于或是高于，均按照預(yù)警處理。

對(duì)于具備局部覆蓋能力的應(yīng)力、電磁輻射監(jiān)測(cè)，則基于傳感器分布完成了局部區(qū)域劃分，同時(shí)，由于數(shù)據(jù)融合涉及大量運(yùn)算，采用層次分析法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，并通過(guò)將不同局部區(qū)域的融合結(jié)果歸一化，完成了工作面各局部區(qū)域相對(duì)危險(xiǎn)等級(jí)的劃分。

在上述沖擊危險(xiǎn)性定量評(píng)價(jià)方法的支撐下，配合防控解危措施的執(zhí)行到位，大安山煤礦已于2018年平安退出。

6 結(jié) 論

1)沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)是將沖擊地壓抽象的能量本質(zhì)具象化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其包含沖擊危險(xiǎn)區(qū)域識(shí)別和沖擊危險(xiǎn)等級(jí)劃分等內(nèi)容，其與巖爆危險(xiǎn)性、沖擊傾向性鑒定、沖擊危險(xiǎn)性評(píng)估的概念是不同的，應(yīng)力是描述沖擊危險(xiǎn)性的關(guān)鍵物理量。

2)沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)天然具有多尺度屬性，主要包括礦井整體尺度、區(qū)域尺度和局部尺度，各尺度對(duì)應(yīng)的功能定位和實(shí)現(xiàn)方法存在差異，且各級(jí)結(jié)果應(yīng)相互兼容、逐級(jí)支撐。

3)沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)目前存在評(píng)價(jià)指標(biāo)間的相關(guān)性體現(xiàn)不充分，沖擊危險(xiǎn)區(qū)域劃分偏主觀(guān)，對(duì)多要素和大數(shù)據(jù)的兼容性有限，對(duì)評(píng)價(jià)的認(rèn)知脫離本源趨于刻板化的問(wèn)題，其根源在于基礎(chǔ)理論的不完善。

4)對(duì)于沖擊危險(xiǎn)性的定性評(píng)價(jià)給出了沖擊地壓廣義“三因素”機(jī)理予以支撐，并提出同時(shí)滿(mǎn)足“要素齊備”和“邏輯齊備”是完成沖擊危險(xiǎn)定性評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)。

5)針對(duì)沖擊危險(xiǎn)性定量評(píng)價(jià)進(jìn)行了類(lèi)型劃分，指出真正意義上的定量評(píng)價(jià)需要依賴(lài)于礦井?dāng)?shù)字化，而數(shù)字化需要借助沖擊地壓基礎(chǔ)理論和探測(cè)手段的全方位提升，提出以礦井自身數(shù)據(jù)，指導(dǎo)礦井自身生產(chǎn)作為沖擊危險(xiǎn)性定量評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)，并給出了探索性的定量評(píng)價(jià)改進(jìn)方法。