沖擊地壓發生機理及監測方法現狀分析

（河南理工大學，河南 焦作 454000）

沖擊地壓發生機理及監測方法現狀分析

許 磊 魏世明

（河南理工大學，河南 焦作 454000）

隨著煤礦開采強度和深度的不斷增加，發生沖擊地壓的概率也不斷增加，通過對沖擊地壓發生機理的研究現狀分析，總結了不同機理學說的優缺點；針對災害發生的一般情況，現行的鉆屑法、微震監測、地音監測、電磁輻射法等各種監測方法在監測過程發揮了不同的作用，并指出現有監測方法所存在的不足之處，以便尋求更先進的監測方法。

沖擊地壓；機理；監測

0 引言

近年來,隨著煤礦采掘深度和強度的不斷加大,煤巖動力災害愈發嚴重。據1999年統計,在全國595處國有重點煤礦中,沖擊礦井120余處。據國家安全生產監督管理總局統計，2011—2012年我國煤礦發生了1 201次事故,死亡1 973人,其中煤與瓦斯突出、沖擊地壓事故死亡人數高達28%。由于沖擊地壓災害具有突發性、震動性和巨大破壞性等特征,一般會造成巨大的人員傷亡和資源浪費。因此對于沖擊地壓機理的研究以及準確監測預報十分重要。

本論文研究沖擊地壓的發生機理及監測方法，這對于防治沖擊地壓災害的發生，減少由于此類事故所造成的損失具有實踐指導意義。

1 沖擊地壓發生機理分析

地下巖體處在復雜與強大的自重應力、構造應力和開采附加應力場中，地下賦存的煤體與巖體，在強大的應力作用下產生變形。當巖塊處于彈性狀態時，且應力不能解除時，外力做的功將會以能量的形式儲存在巖體內，獲得變形彈性能。在進行地下采掘活動的過程中,隨著開采場所的不斷變更，原巖應力發生改變,煤巖體原有的應力平衡狀態遭到破壞后，煤巖體尋求一種新的動力平衡狀態,當應力超過煤巖的強度極限時，聚積在煤巖體中的能量就會突然釋放，動力平衡條件就會被破壞，從而引發沖擊地壓災害。

1.1 現有沖擊地壓機理

在對沖擊地壓發生機理進行探討的歷史過程中，不同的學者有不同的認識，形成了不同的觀點和描述，出現了不同的沖擊地壓發生理論。具有代表性的是強度理論、能量理論、沖擊傾向性理論等。

1.1.1 強度理論

強度理論以“礦體—圍巖”系統為研究對象，考慮系統的極限平衡。認為沖擊地壓發生的應力條件是：

其中，σi——包括自重應力、構造應力、由于開采引起的附加應力、煤體與圍巖交界處的應力、其他條處的應力和其他條件(如瓦斯、水和溫度等)引起的應力；R——煤體與圍巖系統強度。

建立沖擊地壓力學模型如圖1所示。

具有代表性的是布霍依諾[1]提出夾持煤體理論，如圖2所示。這一理論認為，堅硬的頂板可將煤體夾緊，煤體夾緊阻礙了深部煤體自身或“煤巖—圍巖”交接處的卸載變形。這種作用意味著，由于側向力阻礙了煤體的卸載移動，使煤體更加密實，承受更高的壓力，積蓄較多的彈性能，夾持起了閉鎖作用。據此在煤體夾持所產生的力學效應是：高壓力孕育相當高的彈性能，高壓和彈性能聚集于煤壁附近，一旦高壓應力突然加大或系統阻力減小，煤巖體將會發生破壞和運動，拋向采掘空間，形成沖擊地壓。

圖1 礦體-圍巖結構模型

但強度理論沒有充分的理論依據,是從經驗統計得到沖擊地壓與地應力及巖體強度之間的一個近似規律。將地應力與巖石強度之比作為依據,忽視了其它因素的影響,實踐證明,并不是所有的巖石都具有沖擊傾向性。沖擊地壓是動態的能量釋放過程。強度理論沒有考慮能量儲存,也沒考慮時間效應,因此需要更進一步的完善。

圖2 夾持煤體產生高側壓示意圖

1.1.2 能量理論

20世紀50年代末期前蘇聯學者c.T.阿維爾申以及20世紀60年代末期中期英國學者庫克[2]等人提出“礦體—圍巖”系統在其力學平衡狀態遭到破壞時所釋放的能量大于所消耗的能量時發生沖擊地壓。礦體與圍巖的力學平衡狀態破壞后，釋放的能量大于消耗的能量，就會發生沖擊地壓。七十年代由布霍依諾、布格爾特和里波曼所提出的能量率理論[3]。較全面和完善地揭示了發生沖擊地壓時的能量過程,用(2)式作為發生沖擊地壓的能量判據，(俄)И.М.佩圖霍夫[4]對產生沖擊地壓時的能量結構做了類似分析，提出一套力學計算方法，對能量理論的研究做了進一步完善。

其中，UE——圍巖系統儲存的彈性能；US——煤體儲存的彈性能；UP——消耗于克服煤體與圍巖邊界處和煤體破壞等阻力的能量；α、β——圍巖系統、煤體內能量釋放的有效系數。

這一觀點從能量守恒出發闡明了礦體與圍巖的能量轉換關系，但也沒有考慮空間的因素，在計算煤巖體所儲存的能量時，如何選取計算范圍，煤巖破壞釋放的能量如何計算，能量釋放系數該怎么選取，巖體急劇破壞形成的原因等這些問題都沒有很好的解決，因此該理論需要更進一步完善。

1.1.3 沖擊傾向性理論

在相同的地質和開采條件下，煤層發生沖擊地壓有很大差異，波蘭和前蘇聯學者提出了沖擊傾向性理論[5]。提出用煤樣的動態破壞時間(Dt)、彈性能指數(WET)以及沖擊能量指數(KE)三項指標綜合判別煤的沖擊傾向的實驗方法。根據測定的煤巖介質沖擊傾向性和表1規定的極限值進行比較。

表1 煤的沖擊傾向鑒定指標

實踐表明：當KE、WET和Dt三個沖擊傾向指標大于規定的指標值時，就會發生沖擊地壓，這一理論即為沖擊傾向性理論。沖擊傾向性理論只是單方面從煤巖自身條件出發，分析煤巖所具有的沖擊傾向性，只能作為判斷沖擊性的一個必要條件。對于空間范圍的圍巖體所產生的應力并沒有詳細分析，以此理論來判斷沖擊地壓發生與否是片面的。

1.2 現有理論的問題及解決方法

雖然人們很早就開始了對沖擊地壓機理的研究，并分別從煤巖強度、能量及沖擊傾向性等角度出發闡述其發生的機理，但鑒于沖擊地壓發生的復雜性，目前的各種機理假說尚不能完全解釋其發生的機理及過程。

1.2.1 強度理論只是從經驗角度出發，提出了一個不全面的判別指標，沒有考慮煤巖本身的沖擊傾向性、時間效應等。煤巖的強度是導致沖擊地壓發生的重要因素，但不是唯一、絕對的因素，因此，強度理論應在充分考慮應力、煤巖強度的基礎上，根據不同條件下煤巖受力，提出更合理、科學的判別指標。

1.2.2 能量理論從能量轉換角度出發，闡明了礦體圍巖的能量關系，煤巖體急劇破壞形式的原因等問題，但沒有考慮時間和空間的影響；能量理論只說明了沖擊地壓是在“礦體—圍巖”系統的力學平衡狀態破壞時，釋放的能量大于消耗的能量時發生，并沒有說明平衡狀態的性質和破壞條件，特別是圍巖釋放能量的條件，所以能量理論應該考慮煤巖體自身的力學特性，結合時間的非穩定性、空間的非均勻性來完善該理論。

1.2.3 沖擊傾向性理論考慮煤巖自身物理力學性質，認為煤巖體的沖擊傾向性是煤巖體的固有屬性，是產生沖擊地壓的內在因素。通過三個沖擊傾向性指標來確定沖擊地壓危險性，但三個指標都是在實驗室測定的，具有很大的離散性，需要大量的實驗來確定。而且沖擊地壓的發生與采掘條件和地質環境有關，實際的煤巖物理力學性質隨著地質開采條件不同而有很大差異，實驗室的測定結果并不代表實際情況，所以不僅要考慮煤巖性質，也要考慮圍巖體的力學性質，而且要提高實驗室測試的可靠性。

1.2.4 此外，在總結強度理論、能量理論、沖擊傾向性理論的基礎上，中國礦業大學的李玉生[3]提出了“三準則”理論，提出了強度準則是煤巖體的破壞準則，而能量準則和沖擊傾向性準則是突然破壞準則，只有三個準則同時滿足時，才能發生沖擊地壓；章夢濤[6]教授基于材料失穩破壞思想提出的失穩理論,認為煤巖體受采動影響而在周圍形成應力集中，煤巖變為軟化材料，受擾動發生破壞；齊慶新[7]等人提出的“三因素”理論，認為內在因素、力源因素、煤體結構因素是發生沖擊地壓的最主要因素；竇林名[8]提出的“強度弱化減沖機理”，通過松散煤巖體降低煤巖體的強度和沖擊傾向性，弱化煤巖體應力集中程度，采取減沖措施，降低沖擊地壓強度。這些都對沖擊地壓理論研究做了進一步發展。

2 沖擊地壓的監測

防治沖擊地壓的前提是監測和預測預報沖擊地壓災害的發生，首先就要進行沖擊地壓的監測，只有確定了可能發生災害的區域和危險程度后才能采取適當的防治措施。

2.1 現有的監測方法

2.1.1 鉆屑法

通過在煤層中打直徑為42～50mm的鉆孔，根據排出的煤粉量以及變化規律和有關動力效應，來鑒別沖擊危險性。由于鉆出的煤粉量與煤巖體應力狀態具有定量的關系，應力狀態改變，鉆孔煤粉量也就不同，常用鉆出的煤粉量與正常排出的煤粉量之比，作為衡量沖擊危險的指標。除煤粉量之外，打鉆時發生的卡鉆、震動等動力效應也可作為判別的直觀指標。

2.1.2 采動應力場監測法

采動應力場是動態變化的，如果能夠分析清楚開采場所應力變化規律，就能預測沖擊地壓。弄清煤巖體的采動應力場的分布狀態，控制高應力的產生，基于采動應力對沖擊地壓的影響，采用采動應力在線連續監測系統，在工作面布置鉆孔應立計，通過井下分站，以電話線為介質傳遞送到井上，最終由計算機實時監測并進行分析處理，監測工作面推進過程中采動應力變化，為預測沖擊地壓提供依據。

2.1.3 頂板動態監測

頂板動態法主要是通過監測頂板的運動狀態、支承壓力顯現范圍及應力峰值位置來預測沖擊危險。頂板的急速下沉或突然斷裂會引起震動，都有可能誘發沖地地壓。因此，堅硬頂板懸露的面積、斷裂運動的時間是沖擊地壓預測的關鍵。

2.1.4 微震監測法

材料在外力的作用下，內部將產生局部彈性，當能量積聚到一定能量值時會引起微裂隙的產生與擴展，伴隨著彈性波與應力波的傳播，其后果就是產生聲發射；沖擊地壓礦井存在著大量的地音和微震活動[9]。每一次沖擊地壓必然伴隨有強烈的地音和微震活動。

通過記錄采礦震動的地頻率能量，記錄巖體破壞時產生的應力波，通過計算機處理分析，根據震動定位，預測破壞發生的區域。在發生微震活動的礦體內布設傳感器，探測微震波所發射的地震波，即發生地震波的位置，活動性的強弱和頻率判斷潛在的礦山動力災害活動規律，進而進行預報災害事故。

圖3 微震監測系統組成

微震監測技術在波蘭煤礦已被廣泛的使用[10]，我國1984年引進了波蘭研制的SAK和SYLOK沖擊地壓監測系統,在門頭溝礦、龍鳳礦等礦井安裝使用，并起到一定的預測效果。

微震監測系統組成一般包括地面監測站、井下數據交換中心和接收感器陣列三大部分，可進行全數字、多通道、自動化全天候實時監測。配置有可視化監控分析件。建立三維旋轉立體模型，分析系統操作方便。如圖3所示。

2.1.5 地音法

煤巖體失穩或應力集中導致其破壞，能量突然釋放，地音就是煤巖體破裂釋放的能量以彈性波的形式向外傳播所產生的聲學效現象[11]。通過提供統計單位時間監測區域內地音事件的頻度、能率、頻率、延時等一系列地音參量，找出地音活動規律，以此來判斷監測區域的煤巖體受力狀態和破壞程度，評價煤巖體的穩定性[12]。根據此原理，采用煤巖體的地音監測方可以對沖擊地壓等動力災害的危險性進行評價并對其進行預測預報。

2.1.6 電磁輻射法

20實際90年代中國礦業大學的何學秋[13]等人對煤體受載荷作用喜愛的電磁輻射特性及規律進入了深入的研究，表明煤巖電磁輻射是煤巖體受載變形破裂過程中向外輻射電磁能的一種現象。電磁輻射的強度和脈沖數與載荷和煤巖變形破裂程度基本呈正相關，對電磁輻射的頻譜分析表明，煤巖體變形破裂過程中的電磁輻射是頻譜很寬的脈沖信號，而且電磁輻射的頻譜隨著載荷及變形破裂強度的增加而增高。瓦斯流動對電磁輻射有影響，瓦斯流動壓力梯度越大，流速越高，電磁輻射越強[14]。上述研究為電磁輻射監測技術及預報方法提供了理論依據。

沖擊地壓是地應力和煤巖體共同作用的結果，工作面前方煤巖體處于高應力狀態，煤巖體電磁輻射信號較強；或者是煤巖體處于逐漸增強的變形破裂過程中，煤巖體電磁輻射信號逐漸增強。電磁輻射和煤巖體的應力狀態有關，應力越高，煤巖體的變形破裂越強烈，電磁輻射信號就越強，電磁輻射脈沖數也越大。應力就越高，沖擊危險就越大。電磁輻射強度和脈沖數兩個參數反映了煤體前方應力的集中程度和煤巖體動力災害的危險程度，因此可用電磁輻射監測技術進行沖擊地壓的危險預測。

2.2 現有監測方法存在的問題分析及發展趨勢

現有的監測方法雖然已經多種多樣，但仍然不能滿足沖擊地壓準確監測的需要。

2.2.1 鉆屑法、采動應力場監測、頂板動態監測都是屬于直接接觸式的探測方式，都是通過測定煤巖體的應力變化來間接預測沖擊地壓的危險性。接觸式探測法可以直接了解煤巖體情況，簡單實用，但由于要進行大量的鉆孔工程，人力物力成本較高，且鉆孔數量有限，只能進行局部區域預測。可作為監測的補充手段進行直觀的判別。

2.2.2 微震監測和低音監測都屬于地球物理法，二者區別在于接收的應力波的頻率不同。通過在煤巖體中布置的監測探頭，可以進行實時、動態的數據收集，并能長期布設在井下使用，主要作為區域監測手段使用。由于理論研究較落后，監測設備測技術還不能完全國產化，監測探頭的埋設沒有一定的規律可尋，容易受到采動影響而損壞；應力波容易受到機械電氣設備的干擾，且信號較弱，難以準確監測，環境噪音也易使儀器對聲發射信號的判別失真；在對巖體聲發射信息的利用方面，還很不完善，沒有利用聲發射的全部信息。因此，在監測上不僅要考慮自設設備的精確度，盡可能減少其他外在因素對應力波的影響。可借鑒南非、加拿大等國所建立的國家型礦山微震監測網。在后期的處理上應該完善處理軟件，對數據做出更可靠的分析。

2.2.3 電磁輻射屬于非接觸探測手段，是一種便攜的監測手段，但由于煤巖體所產生的電磁輻射信號非常微弱，極易受到外界干擾，影響測試效果；至今還無法實現定位監測和定量預報；對電磁輻射產生的機理、傳播的影響因素等還不清楚等。因此，不僅要對電磁波的產生、傳播機理做深入的研究，找出影響因素，而且要提高設備的靈敏性，判斷性、提高接收電磁波的效果。

3 結語

3.1 通過分析沖擊地壓發生的機理,認為沖擊地壓發生的最根本的原因是在采掘活動中破壞了原巖應力平衡狀態，破壞了原巖體中的能量平衡；現有的理論都不足以全面地解釋沖擊礦壓發生根本原因，對機理的研究可以借助于現在大型計算機技術，利用FLAC、ANSYS等數值模擬軟件，進行數值分析計算，結合地下圍巖體以及時間效應的關系，從而尋求新的理論突破。

3.2 現有的鉆屑法、采動應力場監測、頂板動態監測、微震監測、地音監測、電磁輻射監測等方法都在實際中有一定的應用，且成功地進行了預測預報，但整體效果不佳，對于很多情況下的預測都不準確，預測精度很難達到要求，容易受到環境等因素的影響。在未來可以尋求更穩定的監測元件，例如光纖光柵傳感器，在現有技術條件下，采用單一的監測方法技術難以達到全面分析預測的結果，可以將多種監測方法融合在一起并用，采用全方位、多角度的觀測技術，綜合作用起來就能更全面地進行預測。

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TD324

A

1003-5168(2014)01-0051-03

國家自然科學基金（51004042）。

許磊（1989—），男，山西芮城人，河南理工大學在讀碩士研究生。