煤礦沖擊礦壓機理及其監測預警技術分析*

李二海，王桂峰，毛 永

(1.神華寧煤集團 設備管理中心， 寧夏 銀川 750001；2. 中國礦業大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室， 江蘇 徐州市 221008)

煤礦沖擊礦壓機理及其監測預警技術分析*

李二海1，王桂峰2，毛 永2

(1.神華寧煤集團 設備管理中心， 寧夏 銀川 750001；2. 中國礦業大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室， 江蘇 徐州市 221008)

在探討動靜載疊加誘發沖擊礦壓機理的基礎上，論述了沖擊礦壓監測預警的幾種方法，及其預測預報沖擊礦壓的優缺點，因此，在分析各礦井沖擊機制的基礎上，提出了沖擊礦壓多參量耦合監測預警，并建立了沖擊危險的多參量綜合預警體系，采取多參量耦合監測，研究針對沖擊主控因素的合理防治方法，可提高礦井對沖擊礦壓的預測預報的科學性。

沖擊礦壓；監測預警；多參量耦合

0 引 言

沖擊礦壓是礦山井巷和采場周圍煤巖體由于變形能釋放而產生突然、急劇、猛烈的破壞現象，往往造成采掘空間中支護設備的破壞以及采掘空間的變形，嚴重威脅著煤礦的安全生產，并給我國煤礦造成了巨大的經濟損失和人員傷亡[1￣2]。目前，我國淺部煤炭資源已逐漸枯竭，許多礦區進入深部開采階段，沖擊礦壓災害問題越發嚴重，如甘肅華亭煤業集團、兗州煤業股份有限公司、徐州礦務局、臨沂礦務局等下屬礦井的沖擊致災的強度和頻次越來越高。而保證煤炭的高產穩產和安全開采，是關系到國家能源安全的重大問題，因此目前已經發生和未發生過沖擊礦壓但已準備進入深部開采的礦井，都必須防治沖擊礦壓災害放在重中之重的地位。

目前的沖擊災害監測預警及防治方法、技術、措施眾多，而各種監測設備的運用缺乏規則和理論指導，甚至將各種監測方法和防治措施全部采用，缺乏對各自礦井針對性沖擊機制的研究，常導致各種監測數據的預警結果不一致甚至相悖[3￣4]。因此必須根據沖擊礦壓發生機理，選取具有針對性的監測與治理方法，做到有的放矢，才能有效提高防治效率。

本文首先探討了動靜載疊加誘發沖擊礦壓機理，隨后分別論述了微震、電磁輻射、聲發射、應力監測和鉆屑與沖擊礦壓之間的關系，以及采用上述方法預測預報沖擊礦壓的優缺點，最后在分析各礦井沖擊機制的基礎上，討論了多參量耦合監測預警的必要性，并在此基礎上建立了沖擊危險的多參量綜合預警體系。研究結果可為提高礦井對沖擊礦壓的預測預報能力提供重要參考。

1 沖擊礦壓機理分析

沖擊礦壓機理的深入研究表明[5￣7]，沖擊礦壓的發生是由動靜載組合作用下的煤巖體動力破壞與顯現。這是由于煤巖體復雜的非均質性，導致應力波在傳播過程中衰減嚴重，因此礦震動載傳播至煤體后，直接觸發沖擊的可能性較小，更多的是動載與靜載耦合作用誘發沖擊礦壓。若煤巖系統的原有靜載荷較大，則較低的動載荷可導致疊加后的應力峰值超過煤體極限強度而發生破壞，反之，若煤巖系統的原有靜載荷較小，則需較高動載荷才能誘發煤體破壞。

目前煤礦動力現象的預測預報是圍繞煤礦動力現象發生的強度理論和能量條件進行的，預測方法大致可以分為兩類：一類方法是局部探測法，主要用于探測采掘局部區段的沖擊危險程度，包括煤巖體變形觀察法(頂板動態、圍巖變形)、煤巖體應力測量法、流動地音監測法等；第二類方法是系統監測法，根據連續記錄煤巖體內出現的動力現象，預測煤礦動力現象危險狀態，包括微震系統監測法、電磁輻射法、聲發射等方法。

煤礦沖擊礦壓的預測預報是基于對煤巖動力災害的機理認識。因此必須結合各礦井的生產實際，針對于煤巖系統所承受的靜載組成，包括自重應力場的開采深度因素、開采布局、構造應力場的褶曲因素以及采動支承應力集中的開采強度因素，以及煤巖系統所承受的動載，包括開采活動的頂板來壓、煤柱失穩、覆巖運動等所導致的礦震動載，分析各礦井沖擊礦壓的致災過程、致災條件，分析其誘發機制和控制性因素，為合理選擇監測與治理方法提供基本理論與依據。對于深部開采的礦井，其所受原巖應力逐年增加，加之部分工作面設計不合理，人為導致應力集中水平高。另外，由于構造應力場的斷層、褶曲等因素，使煤巖系統所承受靜載處于一個較高的水平，但由于靜載直接誘發沖擊礦壓的致災過程較少，此時礦震動載主要起到一個誘發作用。而對于設計合理、采深相對較小、受斷層和褶曲影響較小的工作面，此時礦震動載起到主導作用。

2 沖擊礦壓監測預警技術

2.1 微震活動與沖擊礦壓的關系

沖擊礦壓是開采空間附近造成的破壞發生的大能量震動。沖擊礦壓是微震事件的子集，其特殊性在于：

(1) 沖擊礦壓發生的位置在開采空間附近；

(2) 沖擊礦壓釋放的能量較高；

(3) 沖擊礦壓造成了巷道破壞、設備損壞或人員傷亡。

正因為微震與沖擊礦壓具有的內在聯系和區別，可采用微震監測技術監測微震事件的發生變化規律。

目前微震監測技術已被國內外公認為是煤巖動力災害監測最有效和最有發展潛力的監測方法之一[8]。微震監測技術是通過實現三維空間中煤巖體內部微破裂及微破裂演化過程的實時監測，從微破裂顯現、微破裂發展到積聚的前兆特征出發，監測礦震事件的時空演化趨勢，判斷高能量沖擊礦壓發生的可能性，進行沖擊礦壓微震前兆信息分析和收集。

2.2 微震監測的特點

微震事件與沖擊礦壓同屬煤巖體應力和能量釋放的震動現象，其發生原因和機理一致，因此微震監測具有較高可靠性。微震監測系統能夠對全礦范圍進行實時、連續、動態、非接觸的微震監測，并對震源進行精確定位，具有遠距離、動態、三維、實時監測的特點，抗干擾能力強，不損傷煤體，勞動強度小，能夠為評價全礦范圍內的沖擊礦壓危險提供依據。但微震監測結果的準確性受到諸如模型合理性、系統靈敏度、人為判斷誤差等因素影響，因此采用微震監測預警的前提是確保有效的微震監測精度[9]。

目前，國內微震監測技術對沖擊礦壓的研究應用還不夠深入，還不能完全滿足臨場監測預測的需要。

2.3 沖擊礦壓電磁輻射監測

煤巖破裂是煤礦井下一種極其復雜的動力現象，煤巖體受載變形破裂過程中會向外輻射電磁能量，與煤巖體的變形破裂過程密切相關。承載煤巖在微觀上非均勻應力作用下的變形及破裂過程必然伴隨著電磁輻射效應。煤體中應力越高，變形破裂過程越強烈，電磁輻射信號越強，其主頻帶也越高[10]。

從微觀角度分析，沖擊礦壓發生前后存在應力應變狀態的改變以及煤巖體的裂紋啟裂、擴展，在此過程存在電磁輻射現象[11￣12]。通過對沖擊礦壓發生過程電磁輻射特征的研究，可耦合得到沖擊礦壓的電磁輻射前兆規律，從而進行沖擊礦壓的電磁輻射預警預測。

采用電磁輻射法可實現實時、無接觸和不受地域限制的預測預報，監測處理方便，可反應煤體中靜態受載及變化特征。但由于礦井機電設備的影響，電磁輻射信號往往受到污染和干擾，同時煤巖體電磁輻射特征形式多樣，對于沖擊礦壓監測預警效果有時不準確。

2.4 沖擊礦壓的聲發射監測

聲發射是以脈沖的形式記錄弱的、低能量的聲發射(微震)現象。其監測原理與微震監測類似，并可以與微震進行聯合監測，以掌握礦井圍巖破裂的發展趨勢與前兆信息[13]。但其主要特征是能量低于100 J沖擊礦壓發生前的微小破裂，通過理論或經驗的前兆規律進行沖擊礦壓預測預報。

聲發射也是一種常用的局部動載監測手段，它監測的是煤巖體破裂產生的高頻低能量震動現象，監測范圍較微震監測小，較電磁輻射范圍廣，且容易受到電器設備及開采活動導致的微震動的影響，監測信息的可靠性難以得到保證。

2.5 沖擊礦壓的鉆屑法監測

鉆屑法是根據排出的煤粉量及其變化規律和有關動力效應，鑒別沖擊危險與確認高應力區的一種方法[14]。鉆屑排粉量與圍巖應力狀態有關，兩者呈正相關系。鉆屑法在國內外沖擊礦井中廣泛使用，并且形成了沖擊危險等級判斷方法。

鉆屑量反應的是煤巖體在應力作用下的變形大小以及煤巖體鉆孔內的微動力現象，直接反應了煤巖體靜態受載大小與沖擊礦壓危險的強弱，具有較高的可靠性[15]。但鉆屑法只能針對潛在沖擊危險點進行校核監測，監測范圍小，工作量大，實時性差，且易受操縱干擾。

2.6 沖擊礦壓的在線應力監測

對于工作面前方支承壓力影響區域內，可以采用布置應力計對采動應力場進行定時或連續監測。合理的布置能夠監測支承壓力曲線分布規律[16]。如果采用在線連續監測，則可以實現實時變化的顯示與處理，從而形成具有統一標準的應力梯度等值線，即可評價沖擊危險性和沖擊危險區域。

靜載在沖擊礦壓的發生中占有極其重要的作用。在線應力監測能夠在工作面開采之前或開采過程中，測量工作面范圍內應力分布狀態，找到應力集中區，從而有針對性的進行卸壓處理與解危，能夠極大的提高治理效率，達到事半功倍的效果。但是上述方法測量區域有限，不能給出大范圍開采區域內工作面回采過程中的應力信息。

2.7 沖擊礦壓的震動波CT監測

震動縱波與橫波與煤巖體所受載荷具有正相關性，震動波CT反演應力狀態即是建立在這種密切關系上。主動CT技術是在工作面兩巷分別布置爆破點與接收點，通過對彈性波走時和能量衰減的觀測，可獲得工作面內的波速分布特征，通過研究應力與波速之間關系就能夠得到工作面內的應力大小分布規律，從而實現沖擊危險區域的劃分。為采取針對性卸壓防護措施提供依據[17]。礦山CT技術能夠獲得較為廣泛和準確的應力信息，在沖擊礦壓危險研究上已成為一種強有利的監測手段。

利用震動波CT反演技術可以定性的監測與評估采區或工作面范圍應力狀態，劃分開采區域的高應力場(能量場)及高沖擊危險區域，為沖擊動力災害監測防治提供重要依據[18]。相比傳統監測手段，該技術可以從較大范圍的巖體內直接獲得信息，與其他方法相比，獲取信息成本低、技術含量高、觀測的參數信息量準確。

3 沖擊礦壓多參量耦合監測

綜上所述，目前沖擊礦壓監測的手段，如微震法、電磁輻射法、聲發射法、鉆屑法、震動波CT，雖然存在各自的優越性，但也存在不足。同時，由于沖擊礦壓發生的隨機性、突發性、破壞形式的多樣性，不同條件下可能存在不同的前兆信息。單一監測方法只能從某一個角度反映沖擊礦壓的危險，而電磁輻射、微震、聲發射、鉆屑量、震動波CT又都包含沖擊礦壓發生的某些信息，因此，有必要在分析各礦井沖擊機制的基礎上，選擇合理的監測設備，從多參量耦合信息的角度深入研究與探討沖擊礦壓的識別與監測預警。沖擊礦壓的多參量分級預測體系可見圖1。

圖1 沖擊危險的多參量綜合預警體系

4 結 論

煤礦沖擊礦壓的預測預報是基于對煤巖動力災害的機理認識。因此在監測預警及防治方法的應用上，應以分析沖擊作用機制為基礎，對各種監測預警方法的使用規則及范圍作精細化研究，找到影響沖擊礦壓的主要靜載和動載因素，確定針對靜載和動載的合理監測方案，采取多參量耦合監測，研究針對沖擊主控因素的合理防治方法，可提高礦井對沖擊礦壓預測預報的科學性。

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高等學校博士學科點專項科研基金項目(20120095120019)，江蘇省自然科學基金(BK20140194).

2014￣09￣11)

李二海(1973-)，男，主要從事煤礦機電設備管理和應用等方面的工作，Email: libcumt@163.com。