震動場、應力場聯合監測沖擊地壓的理論與應用

劉金海，翟明華，郭信山，姜福興，孫廣京，張宗文

(1.華北科技學院 安全工程學院，北京 101601；2.山東能源集團有限公司，山東 濟南 250014;3.北京科技大學 土木與環境工程學院，北京 100083)

震動場、應力場聯合監測沖擊地壓的理論與應用

劉金海1，翟明華2，郭信山2，姜福興3，孫廣京2，張宗文2

(1.華北科技學院 安全工程學院，北京 101601；2.山東能源集團有限公司，山東 濟南 250014;3.北京科技大學 土木與環境工程學院，北京 100083)

在總結現有沖擊地壓監測方法和分析其優缺點的基礎上，提出沖擊地壓多參量實時在線聯合監測的觀點。根據事故現場勘查，將沖擊地壓破壞方式分為幫部沖擊、底板沖擊、頂板沖擊、氣浪、強震等5種；基于主客體不同，將沖擊地壓分為“自發型”和“誘發型”兩類，并闡明了新分類的工程意義；根據兩類沖擊地壓的可監測特征，提出了震動場、應力場聯合監測沖擊地壓的觀點，闡明了技術內涵；鑒于獲取手段不同，宏觀上將沖擊地壓危險區分為靜態危險區和動態危險區兩類；結合現場實際，提出了礦井沖擊地壓監測技術體系和分區治理思路，實現沖擊地壓的“宏觀—區域—局部—點”全局“無縫”監測和“預卸壓—解危”的分段分級治理。將研究成果分別應用于深厚表土綜放工作面和深井三硬煤層沖擊地壓治理，取得了良好效果。

沖擊地壓；震動場；應力場；監測技術體系；分區治理

沖擊地壓是我國煤礦面臨的最為嚴重的動力災害之一[1-4]。近年來，隨著煤礦開采深度的增加和開采條件的復雜化，我國發生沖擊地壓的礦井迅猛增加，由1990年的58個增加到2012年142個[5]。距我國首例沖擊地壓(1933年，撫順勝利煤礦)發生至今已有80 a，期間我國學者對沖擊地壓發生機理、監測方法和防治技術進行了大量的研究，如在沖擊地壓發生機理方面，章夢濤[6]提出了沖擊地壓發生的失穩理論；齊慶新等[2]提出了沖擊地壓發生的“三因素”機理；竇林名等[3]提出了沖擊地壓彈塑性體突變機理；潘立友等[7]提出了沖擊地壓前兆信息識別的擴容理論；姜福興等[8]提出了復合型厚煤層發生沖擊地壓的“震-沖”機理；繆協興等[9]對三軟煤層發生沖擊地壓的機理進行了研究；潘一山等[1]研究了煤體壓縮型、頂板斷裂型和斷層錯動型沖擊地壓的發生機理；姜耀東等[10]建立了煤層平動沖擊失穩模型；李鐵等[11]研究了底板發生沖擊地壓的機理；潘俊鋒等[12]提出了煤礦開采沖擊地壓啟動理論。在沖擊地壓治理方面，竇林名等[13]提出了沖擊地壓的強度弱化減沖理論；高明仕等[14]提出了沖擊地壓控制的強弱強結構理念；齊慶新等[15]研究了深孔爆破防治沖擊地壓的機理；宋維源等[16]研究了煤層注水防治沖擊地壓的機理。姜福興等[17]提出了沖擊地壓防治的應力三向化理論；在沖擊地壓監測方面，何學秋等[18]提出了沖擊地壓監測的電磁輻射技術；郭文奇等[19]提出了沖擊地壓監測的紅外輻射探測技術；李秋林等[20]提出了沖擊地壓監測的聲發射技術，中國礦業大學、煤炭科學研究總院將波蘭的微震監測技術引入國內沖擊地壓監測領域；姜福興等[21]研發了具有自主知識產權的微地震監測定位系統；潘一山等[22]研發了礦震監測定位系統；北京科技大學、煤炭科學研究總院、中國礦業大學相繼將煤體應力監測技術推廣應用于沖擊地壓監測預警。隨著這些成果的推廣應用，沖擊地壓災害控制取得了一定成效。

沖擊地壓監測是沖擊地壓有效控制的重要環節。近年來，我國在沖擊地壓監測方面取得了長足的進步，但由于當前采用的沖擊地壓監測技術都是基于單物理量開發的，不能與沖擊地壓發生的復雜機理無縫耦合，沖擊地壓監測還具有一定的局限性。本文在綜述沖擊地壓監測方法和對沖擊地壓進行分類的基礎上，提出震動場、應力場聯合監測沖擊地壓的觀點，期望與同行進行探討，為煤礦沖擊地壓防治提供基礎。

1 沖擊地壓監測方法綜述

目前用于煤礦沖擊地壓監測的技術主要有震動監測、電磁監測、鉆屑監測、應力監測，裝備主要有礦震監測系統、微震監測系統、地音監測系統、電磁輻射儀、煤粉鉆機、應力監測系統等。這些裝備都是基于相應的物理原理和監測方法，對煤礦沖擊地壓監測預警起到了積極的作用。

1.1 震動監測

根據所監測的動力現象烈度不同，震動監測可分為兩類：微震(礦震)監測和地音監測。微震(礦震)監測主要用于監測烈度較大的動力現象，如礦震、沖擊地壓、巖層斷裂等。地音監測主要用于監測烈度較小的動力現象，如聲響、振動、微破裂等。根據監測頻帶寬度不同，震動監測可分為3類：礦震監測、微震監測和地音監測。礦震監測頻帶一般為1～40 Hz，里氏震級大于0.5；微震監測頻帶一般為1～150 Hz，能量在102J以上；地音監測頻帶為幾十至2 000 Hz，能量在102J以下。

礦震監測沖擊地壓的原理是：通過記錄采場周圍的震動，分析震動信息與沖擊地壓的相關性，判斷沖擊地壓發生的可能性。礦震監測主要用于礦區范圍內的震動監測，可確定礦震的大致方位(定位誤差500～1 000 m)，為救災提供依據。目前國內采用的礦震監測系統主要是沿用地震監測的相關儀器和定位方法。

微震監測沖擊地壓的原理是：通過分析微震事件的空間分布特征及時序變化特征，判斷沖擊地壓發生的可能性。目前，國內有數十個礦井安裝了微震監測系統，用于煤礦沖擊地壓監測的微震監測系統主要有波蘭的SOS，ARAMIS，加拿大的ESG和北京科技大學研發的BMS。其中，SOS，ARAMIS，ESG都屬于中尺度的微震監測系統，定位誤差為20～50 m，可對較大能量的沖擊地壓和礦震進行定位和能量計算；BMS屬于“區內集中式(定位誤差8～20 m)、區間分布式(定位誤差20～40 m)”的高精度微震監測系統，可對沖擊地壓和礦震進行定位和能量計算，也可監測小能量的巖層破裂。

地音監測也稱聲發射監測。研究表明[23]，聲發射特征和受載煤巖體內部微裂紋擴展規律具有一定的相關性。地音監測沖擊地壓的原理是：通過記錄煤巖體的聲發射特征，分析煤巖體的應力狀態，判斷沖擊地壓發生的可能性。目前用于國內煤礦沖擊地壓監測的地音監測系統主要有波蘭的SAK，ARES-5/E。地音監測受頻帶寬度限制，難以監測到沖擊地壓的低頻信息和對其進行有效定位。

可以看出，各類震動監測都只能解決相應頻帶范圍內的一部分問題。但是，煤礦沖擊地壓發生機理復雜，不同礦井、不同煤層、不同工作面，甚至不同的推進階段，沖擊地壓發生機理、前兆信息、震動參數都不相同，因此，僅裝備一種頻帶的震動監測設備不可能完全監測到沖擊地壓，同時裝備多個頻帶的震動監測裝備，若不進行數據的“無縫對接”，也難以獲得理想的監測效果。

1.2 電磁監測

電磁輻射是煤巖體受載變形破裂過程中向外輻射電磁能量的一種現象，煤巖體中的應力越高，輻射的電磁信號越強，輻射頻率越大[24]。可見，電磁輻射是煤巖體應力狀態的一種表征。目前用于國內煤礦沖擊地壓監測的電磁輻射儀主要有中國礦業大學研發的KBD、俄羅斯的ИЭМИ，其主要采用電磁輻射強度和脈沖數對沖擊地壓危險性進行監測。電磁輻射監測易受含水因素影響，其準確定性有待進一步提高。

1.3 鉆屑監測

鉆屑監測沖擊地壓的原理是：通過在煤層中打直徑為42～45 mm的鉆孔，根據排出的煤粉量和鉆進過程中動力效應(卡鉆、跳桿、孔內沖擊、震動、聲響、煤粉粒度變化等)，判斷沖擊地壓發生的可能性。鉆屑監測沖擊地壓的理論基礎是：煤體應力狀態和排出的煤粉量之間存在定量關系，而不同礦井、不同煤層，甚至不同工作面，這種定量關系不同。由于鉆屑監測具有誤差大、危險性大、工作量大、盲目性大等缺點，正逐步被“當量鉆屑量”監測技術取代[25]。

1.4 應力監測

沖擊地壓問題實質上就是煤巖體的應力問題[26]。地音監測、電磁監測、鉆屑監測等也都是通過監測相應物理量反映煤體當前的應力狀態，進而根據應力變化趨勢判斷沖擊地壓危險性。因此，對于沖擊地壓監測而言，“應力”是最為可靠的物理量。然而，實時監測煤體的絕對應力是很困難的。現場通常采用實時監測煤體相對應力和其變化趨勢的方法來監測沖擊地壓。目前，用于國內煤礦沖擊地壓監測的應力監測裝備主要有北京科技大學研發的CRMS煤礦沖擊地壓監測系統、煤炭科學研究總院開采設計研究分院研發的KMJ-30采動應力監測系統。

地音監測、電磁監測、鉆屑監測都是間接的沖擊地壓監測手段，易產生誤差。相比而言，應力監測是一種較為直接的沖擊地壓監測手段，具有較大的優越性。

綜上所述，目前的沖擊地壓監測技術都是基于單物理量變化規律開發的，相應的監測儀器也只注重單物理量的監測。然而，誘發沖擊地壓的因素是多方面的，僅監測某一物理量的變化規律，難以獲得理想的監測效果。因此，多參量實時在線聯合監測模式是沖擊地壓監測預警的發展方向。

2 沖擊地壓新分類

2.1 沖擊地壓破壞主體及方式

通過對沖擊地壓事故現場進行勘察，發現沖擊地壓破壞主體及方式主要有以下幾種：

(1)幫部沖擊。沖擊地壓發生后，煤體從巷道兩幫向巷道方向拋出(圖1)，幫部支護結構被破壞，兩幫移近，巷道空間迅速減小，巷道內的設備被推翻。

圖1 幫部沖擊Fig.1 Coal burst from sides of the roadway

(2)底板沖擊。底板發生脆斷，并迅速鼓起(圖2)，底板巖層完整性及底板支護結構被破壞，巷道空間迅速減小。

圖2 底板沖擊Fig.2 Coal burst from the floor of roadway

(3)頂板沖擊。沖擊地壓發生后，頂板巖層迅速下沉(圖3)，頂板支護機構被破壞，巷道空間迅速減小。

圖3 頂板沖擊Fig.3 Coal burst from the roof of roadway

(4)產生沖擊氣浪。沖擊地壓發生后，伴生的氣浪、風暴破壞巷道密閉、風門等(圖4)。

圖4 沖擊氣浪Fig.4 Impact waves

圖5 強震Fig.5 Strong quakes

(5)產生強震。沖擊地壓發生后，伴生的強烈震動掀翻軌道、礦車等設備(圖5)。

可見，沖擊地壓的破壞主體和方式主要有幫部沖擊、底板沖擊、頂板沖擊、沖擊氣浪和強烈震動等。沖擊地壓發生時，可能存在上述一種或幾種破壞主體和方式，這與誘發沖擊地壓的因素有關。有時沖擊地壓本身是沖擊地壓事故的主體，具有主動性，主要破壞方式有幫部沖擊、底板沖擊；有時沖擊地壓是沖擊地壓事故的客體，具有被動性，主要破壞方式可能是上述破壞方式的任意一種或幾種。

2.2 基于主客體不同的沖擊地壓分類

基于沖擊地壓發生的主客體不同，將沖擊地壓分為“自發型”和“誘發型”兩類。

“自發型”沖擊地壓是指采掘空間周圍應力積聚，當滿足沖擊力學條件后發生的沖擊性破壞。其力源是“應力”，如原巖應力、集中應力、原巖應力與采動應力疊加、采動應力與構造應力疊加、側支承壓力與采動應力疊加等。對于這類沖擊地壓，沖擊地壓是主體，它是主動發生的。

“誘發型”沖擊地壓是指由于遠場震動誘使應力瞬間積聚，當滿足沖擊力學條件后發生的沖擊性破壞。其力源是“震動”，如構造活化、厚硬巖層斷裂、礦柱破壞、放炮、地震產生的震動。對于這類沖擊地壓，沖擊地壓是客體，它是被震動誘發的。

“自發型”沖擊地壓也可稱為由應力誘發的沖擊地壓，“誘發型”沖擊地壓可稱為由震動誘發的沖擊地壓。從這個意義上來講，沖擊地壓都是被誘發的，一類是被應力誘發，另一類是被震動誘發。

沖擊地壓新分類的工程意義在于：① 闡明沖擊地壓發生過程，指出“應力”在沖擊地壓發生過程中扮演的角色，為沖擊地壓控制指明了“控制對象”；② 突出了沖擊地壓發生的“力源”，為研究沖擊地壓監測預警方法提供了基礎；③ 指出了兩類沖擊地壓的破壞主體和方式，為構建沖擊地壓監測技術體系提供了基礎。

3 震動場、應力場聯合監測機理

3.1 震動、應力誘發沖擊地壓的機理

從發生過程來看，“自發型”沖擊地壓屬于煤巖體的“漸進性”失穩，“誘發型”沖擊地壓屬于煤巖體的“觸發性”失穩。

3.1.1應力誘發沖擊地壓的機理分析

誘發應力逐漸積聚的因素很多，如工作面超前影響、應力疊加等。下面以受工作面超前影響為例分析應力誘發沖擊地壓的機理。圖6所示為受工作面超前影響應力積聚過程。圖中虛線為臨界應力曲線，實線為實際應力曲線。從圖中可以看出，受工作面超前影響前，巷道兩側的垂直應力遠遠低于沖擊地壓發生的臨界應力(圖6(a))；當工作面推進到位置A時，巷道兩側的垂直應力升高，但應力水平仍低于臨界應力水平(圖6(b))；當工作面推進到位置B時，巷道兩側的垂直應力接近臨界應力水平(圖6(c))；當工作面推進到位置C時，巷道兩側的垂直應力超過臨界應力水平(圖6(d))，從而誘發沖擊地壓。

圖6 受工作面超前影響應力積聚過程Fig.6 Stress accumulating process under advance influence of the working face

3.1.2震動誘發沖擊地壓的機理分析

震動誘發沖擊地壓的實質：震動造成采掘空間周圍煤巖體的應力瞬間升高，達到了沖擊地壓發生的臨界應力水平。設采掘空間周圍煤巖體的初始應力為σi，震動造成的附加應力為σa，沖擊地壓發生的臨界應力為σk，則震動誘發沖擊地壓的機理可描述為

(1)

由彈性波傳播理論可知，震動產生的應力波由震源傳播到采掘空間周圍煤巖體導致的附加應力σa[27-28]為

(2)

式中，σ0為震動產生的應力波的初始強度；λ為震動波能量衰減指數；Dm為震源到采掘空間中心的距離；Rm為采掘空間半徑。

將式(2)代入式(1)，得

(3)

由式(3)可知，震動強度越大、巷道距震源越近，發生沖擊的的可能性越大。

3.2 “自發型”、“誘發型”沖擊地壓監測機理

雖然“自發型”沖擊地壓和“誘發型”沖擊地壓發生的直接原因都是應力，但對于誘發“自發型”沖擊地壓的應力來說，它逐漸積聚的，具有明顯的變化過程，而“誘發型”沖擊地壓發生的間接原因是震動，應力是瞬間升高的，變化過程不明顯。因此，兩類沖擊地壓具有各自突出的物理場，如“自發型”沖擊地壓突出的物理場是應力場，“誘發型”沖擊地壓突出的物理場是震動場。

3.2.1“自發型”沖擊地壓監測機理

根據“自發型”沖擊地壓發生機理，其臨場預警應以應力監測為主。然而，實時監測圍巖絕對應力的大小是很困難的，目前只能通過監測相對應力的大小來反映絕對應力的變化趨勢。因此，采掘空間周圍煤巖體的應力實時監測是趨勢(過程)監測。應力實時監測可用于“自發型”沖擊地壓監測預警，而難以用于“誘發型”沖擊地壓監測預警。

“自發型”沖擊地壓監測機理如圖7所示。從圖中可以看出，在巷幫煤體中布置深、淺兩個應力計，并設置預警值，隨著受采動影響程度的增大，應力計讀數逐漸升高，當應力計讀數達到預警值時，監測系統進行預警。應力計讀數只能反映煤體應力的變化趨勢，而不能反映煤體絕對應力的大小。因此，“自發型”沖擊地壓監測的實質是通過監測煤體應力變化過程對沖擊地壓進行預警。

圖7 “自發型”沖擊地壓監測機理示意Fig.7 Monitoring mechanism of spontaneous-type coal burst

3.2.2“誘發型”沖擊地壓監測機理

根據“誘發型”沖擊地壓發生機理，其臨場預警應以外應力場監測為主、內應力場監測為輔。外應力場分布范圍大、震源遠，依靠傳統的應力動態監測效果不佳，應以震動監測為主。震動監測采用“觸發式”監測模式，通過在采掘空間周圍布置傳感器實時采集信號，一旦各傳感器采集的信號滿足設定的判別條件，將被記錄下來，然后利用定位程序確定震動發生的位置、能量等信息。震動監測可用于“誘發型”沖擊地壓監測預警，而難以用于“自發型”沖擊地壓監測預警。

“誘發型”沖擊地壓監測機理如圖8所示。從圖中可以看出，震動傳播至巷幫，致使煤體應力瞬間升高，并超過沖擊地壓發生的臨界應力；通過震動監測，可確定震源位置，從而進行區域預警；而布置煤體中的應力計讀數升高滯后于震動，且由于其采用“巡測”模式，系統難以捕捉到應力變化。因此，“誘發型”沖擊地壓監測的實質是通過監測震動特征進行沖擊地壓預警。

圖8 “誘發型”沖擊地壓監測機理示意Fig.8 Monitoring mechanism of induced-type coal burst

3.3 震動場、應力場聯合監測沖擊地壓的機理

雖然震動監測和應力監測都能獲得采掘工作面圍巖的應力分布特征，但獲取方式不同，如應力監測屬于直接獲取，能夠實時獲得應力分布特征，而震動監測是通過監測巖層破斷規律及運動特征推演支承壓力變化特征，屬于間接獲取，具有一定的滯后性；另外，兩種監測方法監測的物理量不同，應力監測是監測應力的變化趨勢，震動監測是監測震源的位置。

采掘工作面的地層條件不同，發生沖擊地壓的類型可能不同，如深厚表土地層條件下，多發生“自發型”沖擊地壓，而厚硬地層條件下，多發生“誘發型”沖擊地壓。對于“自發型”沖擊地壓，采用震動監測難以獲得理想的預警效果，如新巨龍礦井1302工作面回采過程中沿空巷道超前工作面50 m處曾發生過“炸幫”，但布置在工作面內的微震監測系統記錄的微震事件并沒有異常。對于“誘發型”沖擊地壓，采用應力動態監測可能監測不到應力的變化，如古城煤礦2103工作面膠帶巷超前工作面70 m范圍內曾發生1次1.9級的沖擊地壓(圖9)，地面震感強烈，但布置在此范圍內的應力動態監測系統沒有捕捉到應力的變化，而經微震定位，本次震源位于煤層上方約420 m處，對照鉆孔資料可知，煤層上方440.2 m處存在一層厚70.3 m的中粒砂巖，可見，該巖層破斷是此次沖擊地壓的主要誘發因素。因此，對于發生機理復雜的沖擊地壓而言，應力監測、震動監測都有各自的監測“盲區”。

圖9 古城煤礦1.9級沖擊地壓的震源位置Fig.9 Location of the hypocenter resulted in coal burst with the magnitude of M1.9

鑒于應力監測、震動監測都存在相應的監測“盲區”，為提高沖擊地壓監測預警的準確性和可靠性，提出震動場、應力場聯合監測技術。技術內涵：① 在采掘區域同時開展應力監測、震動監測；② 應力監測的物理量為應力變化，震動監測的物理量為震源位置；③ 采掘工作面同時安裝應力動態監測系統和微震監測系統，從而實現應力、震動聯合監測；④ 基于應力監測實現沖擊地壓的臨場預警，基于震動監測實現沖擊地壓的區域預警；⑤ 應力監測實現某一區域時間縱向上的預測，震動監測實現區域橫向上的預測；⑥ 實時監測和及時分析監測數據，及時開展沖擊地壓預警。圖10為震動場、應力場聯合監測沖擊地壓示意。該技術具有針對性強、互補性強、可靠性高等特點。

4 沖擊地壓監測技術體系

沖擊地壓發生與否主要與煤體的沖擊屬性和應力狀態有關。沖擊傾向性是煤體的固有屬性，可通過試驗測定；而應力是沖擊地壓發生的動力因素，其演化是一個動態過程，與工作面推進距離、采煤方法、構造類型和分布、覆巖空間結構特征等有關。實踐上很難通過理論計算、數值模擬、物理試驗等準確獲得采掘工作面圍巖應力演化特征。現場實測是掌握應力動態分布的有效手段。但考慮到其所耗費的人力、財力較大，開展現場實測之前應確定重點監測區域。另外，目前可采用的沖擊地壓監測方法較多，如何選擇監測方法以及監測方法如何匹配，一直困擾著沖擊地壓礦井。鑒于上述原因，提出礦井沖擊地壓監測技術體系，如圖11所示。

圖11 礦井沖擊地壓監測技術體系Fig.11 The monitoring technology system of coal burst

從圖11可以看出，監測范圍由大到小，監測時間由早到晚，該體系能夠滿足沖擊地壓監測預警時空要求及可靠性要求。礦井沖擊地壓監測技術體系實施細則如下：

(1)在工作面回采之前，運用礦山壓力理論、覆巖空間結構理論對工作面沖擊地壓危險性進行宏觀評價和預測，確定監測預警的重點區域。通過前期沖擊地壓危險性評價，能夠獲得回采范圍內沖擊地壓危險區域及各區域的危險程度。

(2)根據前期評價結果，采用震動類監測設備(如微震監測系統)監測危險區域圍巖破裂情況，判定卸壓區及應力集中區；然后，根據應力集中區位置，對下一區域進行預測。震動監測能夠實現沖擊地壓的區域預測，即早期區域橫向上的預測。

(3)受工作面超前影響之前，在工作面上、下平巷的內側煤體中布置應力類監測傳感器(如鉆孔應力計、電磁輻射傳感器、地音傳感器等)，采用應力動態實時監測設備(煤礦沖擊地壓監測系統、地音監測系統、電磁輻射監測儀等)監測應力的變化；設置預警閾值，一旦應力值達到該閾值，系統自動報警。應力動態實時監測能夠實現局部區域沖擊地壓的“時間—空間—危險程度”預測，即某一區域時間縱向上的預測。

(4)應力動態實時監測系統報警后，組織人員在預警區域施工鉆屑孔，檢驗煤粉量；若煤粉量超標，應立即進入解危程序。鉆屑法能夠實現沖擊地壓危險區域的逐點檢驗，即某一區域某一時間上的檢驗。

5 沖擊地壓分區治理

“強卸壓”是治理沖擊地壓的有效措施。若“強卸壓”的時間及力度得當，既能夠防止沖擊地壓的發生，又能夠保證巷道穩定；反之，若時間及力度不當，易降低巷道圍巖自身的抗災能力，甚至發生支護結構損壞誘發的巷道失穩，如河南某煤礦一大斷面巷道掘進過程中實施多輪深孔爆破、煤層大直徑鉆孔等卸壓措施，破壞了巷道圍巖自身的承載能力，一次2.9級的地震引起巷道發生嚴重的沖擊地壓事故。防沖卸壓與巷道穩定之間存在一個平衡問題。因此，選擇合理的“強卸壓”時間及力度對防沖與巷道穩定平衡控制至關重要。防沖與巷道穩定平衡控制面臨的首要問題是沖擊地壓治理思路的轉變，不能一貫的實施“強卸壓”，需掌握好時間和力度。為此，本節提出沖擊地壓分區治理思路。

5.1 沖擊地壓危險區分類

沖擊地壓危險區是指采掘工程周圍有可能發生沖擊地壓的區域。獲得沖擊地壓危險區的方式有：① 在采掘工程施工之前開展沖擊地壓危險性評價，采用多因素耦合評價法，劃分采掘工程施工區域的沖擊地壓危險區；② 在采掘工程施工過程中開展沖擊地壓實時監測，實時顯示監測區域的應力狀態及危險等級。

根據獲取方式及時間不同，將沖擊地壓危險區分為靜態危險區和動態危險區。靜態危險區是指通過沖擊地壓危險性評價獲得的危險區，是一種潛在的危險區。動態危險區是指通過監測獲得的危險區，是一種已經顯現的危險區。動態危險區主要包括沖擊地壓實時監測系統報警的區域、抽檢煤粉量超標的區域、錨桿應力異常區域、巷道異常變形區域等。

綜合基于危險程度的沖擊地壓危險區分類、基于獲取方式的沖擊地壓危險區分類、基于報警閾值的沖擊地壓危險程度分類，提出沖擊地壓危險區分類層次結構，如圖12所示。

圖12 沖擊地壓危險區分類層次結構Fig.12 The hierarchical structure of risk area classification of coal burst

5.2 沖擊地壓分區治理思路

5.2.1靜態危險區處理思路

在受工作面超前影響之前，對危險區進行卸壓處理，通過改變煤體的物理性質，降低沖擊傾向指標，從而達到進入工作面超前影響范圍后不發生沖擊地壓的目的。其特點是預卸壓。此時，“卸壓”與巷道圍巖控制同等重要，“卸壓”力度不宜過大，若采用煤層大直徑鉆孔(孔徑120 mm)卸壓，鉆孔間距應適當增大，如對于一般危險區，鉆孔間距一般為4～6 m，對于中度及高度危險區，鉆孔間距一般為2～4 m，具體值還需參考煤層厚度進行確定。

5.2.2動態危險區處理思路

顯現危險信息后，對危險區進行解危處理，通過釋放煤體內的應力和積聚的能量，促使應力向深部轉移，從而達到解除危險的目的。其特點是解危。此時，突出“卸壓”，“卸壓”力度宜大，要求短時間內消除沖擊地壓危險，若采用煤層大直徑鉆孔(孔徑120 mm)卸壓，對于藍色報警區，加強監測，對于黃色報警區，鉆孔間距一般為2～3 m，對于紅色報警區，鉆孔間距一般為1.0～1.5 m。

6 工程應用

6.1 深厚表土綜放工作面沖擊地壓治理

6.1.1工程概況

新巨龍礦井1302工作面是一深厚表土沿空綜放工作面，走向長2 570 m，傾斜寬258 m，平均采深750 m，表土層厚度為600～700 m。回采煤層厚9.0 m，傾角平均3°，具有弱沖擊傾向；頂板為厚19.87 m的粉砂巖，裂隙發育，單軸抗壓強度為32.1 MPa，具有中等沖擊傾向；底板為粉砂巖，裂隙發育充填黃鐵礦，具水平層理，單軸抗壓強度為70.91～117.49 MPa。1302工作面下平巷為沿空巷道，與上區段采空區之間留設寬度為6 m的煤柱，上平巷為實體巷道。

6.1.2靜態危險區劃分與治理

經評價[29]，該工作面回采區域共存在靜態危險區27個，其中高度危險區3個，中度危險區10個，一般危險區14個，如圖13所示。工作面回采過程中貫徹靜態危險區處理思路，即在受工作面采動影響之前對中度、高度危險區實施煤層鉆孔卸壓，鉆孔直徑120 mm，間距2 m，孔深25 m，一般危險區不進行卸壓處理，加強監測。

圖13 1302工作面沖擊地壓危險區分布Fig.13 Distribution of coal burst risk areas in working face 1302

6.1.3監測預警

1302工作面回采過程中，采用“震動場、應力場”聯合監測技術對沖擊地壓進行監測預警。現場安裝1套BMS微震監測系統和1套CRMS煤礦沖擊地壓監測系統。煤礦沖擊地壓監測系統的鉆孔應力計布置在上、下平巷內側煤體中，測站間距為25 m；每個測站布置深、淺兩個測點，間距為2 m，埋深分別為8,14 m。微震監測系統的檢波器布置在上、下平巷頂板，間距為50 m；檢波器固定在錨桿尾部，錨桿垂直巷道頂板，端部進入巖體長度不小于1 m。

6.1.4動態危險區確定與解危

2012-04-10，1302工作面下平巷距切眼740,765 m處的沖擊地壓監測系統測點(處于第③個高度危險區)分別發生黃色、紅色預警(圖14)，此時工作面推進590 m。發現報警信息后，現場果斷實施煤層大直徑鉆孔進行解危，即在預卸壓鉆孔之間增加一個鉆孔，孔深為25 m，累積施工鉆孔45個，工程量1 125 m。沖擊地壓危險于2012-04-12被解除(沖擊地壓監測云圖如圖15所示)，從而避免了一次沖擊地壓事故。

圖14 沖擊地壓監測系統預警云圖Fig.14 Stress graph of coal burst monitoring system warning

圖15 解危后沖擊地壓監測系統的應力云圖Fig.15 Stress graph of coal burst monitoring system after relieving danger

6.2 深井三硬煤層沖擊地壓治理

6.2.1工程概況

華豐煤礦1411工作面為一深厚礫巖沿空工作面，平均采深1 050 m，頂板存在厚數百米的礫巖層(極易誘發沖擊地壓)，回采四煤。四煤平均厚6.2 m，可采指數為1，傾角30°～34°，平均為32°，單軸礦壓強度為25.5 MPa，有強沖擊傾向；四煤直接頂為厚2.5～9.0 m的粉細砂巖，單軸抗壓強度為69.5 MPa，具有中等沖擊傾向；直接底為厚4.4 m的中砂巖，單軸抗壓強度為74.2 MPa，具有中等沖擊傾向。四煤上方42 m處為一煤，下方40 m處為六煤。一煤厚度為0～1.39 m，傾角為33°，可采指數為0.67，無沖擊傾向。六煤平均厚度為1.31 m，傾角為32°，具有弱沖擊傾向，先于四煤開采。1411工作面上平巷為沿空巷道，受1410采空區側向支承壓力影響，易發生沖擊地壓。為降低1411工作面上平巷掘進和工作面回采過程中發生沖擊地壓的可能性，在1411工作面上平巷對應的一煤層布置1101短壁工作面，該工作面設計斜長60 m，其與1411上平巷的相對位置關系如圖16所示。

圖16 華豐煤礦工作面相對位置關系Fig.16 Relative position of working faces in Huafeng Mine

6.2.2靜態危險區劃分與治理

1411工作面第1階段回采主要受頂板初次來壓、工作面見方時礫巖運動、一層煤縮面煤柱、向斜軸、斷層等因素影響。據此，采用多因素耦合評價法劃分靜態危險區，如圖17所示。從圖中可以看出，1411工作面第一階段回采區域存在靜態危險區11個，其中高度危險區1個，中度危險區5個，一般危險區5個。

圖17 1411工作面沖擊地壓危險區分布Fig.17 Distribution of coal burst risk areas in working face 1411

超前工作面150 m對上平巷實施斷頂、斷底和煤層鉆孔卸壓措施。所有鉆孔布置在上平巷下幫(圖18)，孔間距2.5 m，每組3個孔，斷頂孔為仰角38°，孔徑為75 mm，孔深40 m；煤層孔位俯角32°，孔徑為150 mm，孔深30 m；斷底孔為俯角45°，孔徑為75 mm，孔深30 m。鉆孔完成后，對斷頂孔和斷底孔進行裝炸藥、爆破。每孔裝藥量為20 kg。炸藥使用二級煤礦許用水膠炸藥；雷管采用煤礦許用1號毫秒延期電雷管，每孔2發；導爆索采用直徑為7.0 mm的煤礦許用導爆索；水泥藥卷封孔長度不少于10 m；聯線方式為串聯，使用FD-200D型發爆器起爆。

圖18 卸壓鉆孔布置Fig.18 Layout of pressure-released holes

6.2.3監測預警

1411工作面回采過程中，采用“震動場、應力場”聯合監測技術對沖擊地壓進行監測預警。現場安裝1套ARAMIS M/E微震監測系統和1套CRMS煤礦沖擊地壓監測系統。煤礦沖擊地壓監測系統的鉆孔應力計布置在1411工作面上平巷內側煤體中，測站間距為25 m，超前工作面監測范圍為250 m；每個測站布置深、淺兩個測點，間距為2 m，埋深分別為14,18 m，鉆孔應力計初始注油壓力為5 MPa。微震監測系統的檢波器分散布置在全礦井。

6.2.4動態危險區確定與解危

隨著1411工作面的推進，發現有大量1.0級以上的微震事件發生在上平巷兩側，具有明顯的“分區”特征。圖19所示為2011-09-16—11-08的微震事件分布。期間，1411工作面共發生0.5級以上微震事件66個，其中0.5～0.9級41個，1.0級以上25個，主要集中在該工作面上平巷下側50 m、上側15 m范圍內。

圖19 2011-09-16—11-08微震事件分布平面圖Fig.19 Plan of microseismic events in the period of 2011-09-16—11-08

發現上述微震事件異常后，現場果斷實施煤層大直徑鉆孔進行解危，即在原鉆孔之間增加一個孔徑為150 mm、孔深為30 m的煤層鉆孔，使煤層鉆孔間距變為1.25 m。同時密切關注沖擊地壓監測系統應力云圖，確保上平巷煤體處于“低應力(相對應力低于6 MPa)、強支護”狀態。2012-01-06 T 11:24:10，預警區域發生一次能量為7.40×106J、震級為M2.0的礦震(圖19)，造成工作面揚起煤塵，83，84號支架后退100 mm，79～90號支架后移、安全閥開啟，上平巷出口以外60 m范圍內有頂板掉渣現象。由于之前增加了解危力度，這次礦震并未誘發沖擊地壓事故。此后，工作面順利完成第一階段推進。

7 結 論

(1)總結了震動監測、電磁監測、鉆屑監測、應力監測等沖擊地壓監測方法的原理，分析了現有沖擊地壓監測技術的不足，提出克服單物理量監測不足、實現多參量實時在線聯合監測目的的“震動場、應力場”聯合監測技術。

(2)基于事故現場破壞特征，沖擊地壓破壞主體或方式分為幫部沖擊、底板沖擊、頂板沖擊、氣浪、強震等5種；按照主客體不同，沖擊地壓分為“自發型”和“誘發型”兩類。沖擊地壓新分類明確了沖擊地壓發生的力源，為沖擊地壓的有效監測和防治指明了對象。

(3)宏觀上將沖擊地壓危險區分為靜態危險區和動態危險區，提出“先預卸壓后解危”的沖擊地壓分區分級治理思路，實現兼顧防沖和防大變形的目的。

(4)現場實踐表明，貫徹礦井沖擊地壓監測技術體系和采用“震動場、應力場”聯合監測技術，能夠實現沖擊地壓的“宏觀—區域—局部—點”全局“無縫”監測，為沖擊地壓的有效監測預警和治理提供新的手段。

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Theoryofcoalburstmonitoringusingtechnologyofvibrationfieldcombinedwithstressfieldanditsapplication

LIU Jin-hai1，ZHAI Ming-hua2，GUO Xin-shan2,JIANG Fu-xing3，SUN Guang-jing2,ZHANG Zong-wen2

(1.SafetyEngineeringCollege,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Beijing101601,China；2.ShandongEnergyGroupCo.,Ltd.，Jinan250014，China;3.SchoolofCivilandEnvironmentalEngineering，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing100083，China)

The existing methods for coal burst monitoring were summarized,and their advantages and disadvantages were discussed.A view on coal burst monitoring with features such as multi parameter,real time and on line was proposed.Based on the accident investigations,failure modes of coal burst were classified into five types:burst from sides of the roadway,burst from roof of the roadway,burst from floor of the roadway,impact waves and strong quakes.According to the different subjects of coal burst,the coal burst was divided into two kinds:spontaneous-type and induced-type,and the engineering significances of the new classification were described.On the basis of suitable monitoring characteristics of two kinds of coal burst,a coal burst monitoring technology of vibration field combined with stress field was put forward,and its technical connotations were interpreted.In macro sense,coal burst risk areas were divided into two types:static risk area and dynamic risk area,according to differences of retrieval modes.Combined with the practical conditions,the monitoring technology system and the district control ides for coal burst in mine were proposed.The global and seamless monitoring of “macro-area-local-point” and the staging and grading of “depressurizing-relieving danger” for coal burst were achieved.The ideas was applied coal burst prevention of fully mechanized caving face with deep alluvium and “three-hard” coal seam with large depth,which avoid the coal burst accident effectively.

coal burst;vibration field;stress field;monitoring technology system;district control

10.13225/j.cnki.jccs.2013.2005

國家重點基礎研究發展計劃(973)資助項目(2010CB226803)；國家自然科學基金資助項目(51274022)；中央高校基本科研業務資助項目(3142014067)

劉金海(1982—)，男，河南扶溝人，博士。E-mail：jh_liu1982@163.com。通訊作者：姜福興(1962—)，男，教授，博士生導師。E-mail：jiangfuxing1@163.com

TD324

A

0253-9993(2014)02-0353-11

劉金海，翟明華,郭信山,等.震動場、應力場聯合監測沖擊地壓的理論與應用[J].煤炭學報,2014,39(2):353-363.

Liu Jinhai，Zhai Minghua,Guo Xinshan,et al.Theory of coal burst monitoring using technology of vibration field combined with stress field and its application[J].Journal of China Coal Society,2014,39(2):353-363.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.2005