煤礦沖擊地壓監測系統

賈紅丹

1 國外沖擊地壓監測發展狀況

煤礦沖擊地壓發生的原因極其復雜，影響因素較多，災害嚴重[2]，無疑是一個困擾絕大多數國家并且沒有有效的解決辦法的共同問題。1738年，英國首次報道了沖擊地壓的影響，并且在此后許多國家相繼遭受了沖擊地壓給煤礦產業及人們帶來的不同程度的危害，全世界包含中國在內的30多個多家的礦區均發生過不同程度的沖擊地壓，其中，遭受災害的企業在德國和波蘭發生的頻率最高，破壞程度最嚴重。

截止2017年，波蘭沖擊地壓的監測系統主要有如下幾種，礦井采用微震監測系統，礦監控系統的使用原則是[35]，只要能正常工作，就要使用該設備。地面聲發射監測系統是近年來由EMAG研究中心開發的一種新的監測系統。它用于監測工作面周圍巖石層的斷裂。目前，該系統正處于試驗階段，通過二十五年來不斷的堅持研究，最終確定了一系列監測系統，同時也模擬起草了多部有關規定及防范監測措施，并在大量的實踐中取得了優越的防治效果，從根本上成功的預防并減少了沖擊地壓給礦產業帶來的危害。

1951年以來，蘇聯地質力學和巖體測量機構與其他礦業相關研究單位聯手解決有沖擊地壓帶來的災害問題，通過二十五年來不斷的堅持研究，最終確定了一系列監測系統，同時也模擬起草了多部有關規定及防范監測措施，并在大量的實踐中取得了優越的防治效果，從根本上成功的預防并減少了沖擊地壓給礦產業帶來的危害。1955到1977年間危險礦山的數量從八增加到36，而年度沖擊的數量從83下降到7，然后下降到1980以后的5和6倍。在前蘇聯，巖爆的頻率比煤礦小得多。主要形式是巖石噴射、振動和微沖擊。

在德國，煤層頂板的沖擊壓力主要是550m的巖層表面，所以，頂部巖石層將是沖擊地壓受影響最為嚴重的一部分，德國研制的煤粉鉆屑法等方法具有較高的國際威望。

2 研究目的和意義

隨著我國礦山開采速度的迅速增加，災害呈現程度越來越嚴重、范圍越來越大的趨勢，近幾年來因巖爆造成的傷亡人數劇增，有些礦井一次沖擊摧毀巷道長度達到500米以上，因此沖擊地壓監測已經成為很多煤礦生產安全的最薄弱環節，沖擊何時來、發生沖突后導致什么后果，是目前礦井面臨的主要問題，促進了人們對沖擊地壓狀態監測的研究。

在沖擊地壓發生時，將破碎煤巖體向采掘空間拋出，造成支架移動破壞的同時還伴隨著周圍巖體的劇烈震動，直接威脅著煤礦的生產及施工人員的安全，甚至會引起瓦斯爆炸與火災事故，導致生產中斷，毀壞礦井建設。由于沖擊地壓震源淺，造成震中烈度遠大于同級天然地震烈度，嚴重時整個采場被摧毀，造成井毀人亡的悲劇，甚至波及地面，造成地震災害，因而沖擊地壓問題已引起各國的重視。但是到目前為止，國際上仍不能有效解決控制沖擊地壓災害。可以說沖擊地壓已成為世界范圍內采礦工程和巖石力學界迫切需要解決的科學難題。

3 沖擊地壓簡介及檢測方法

3.1 沖擊地壓的簡介

煤礦沖擊地壓即巖爆的意思，當巖石中聚集的高彈性應變能大于巖石破壞所損耗的能量時，破壞了巖體結構的平衡，多余的能量導致巖石爆裂，使巖石碎片從巖體中剝離、崩出[8]。其產生的原因主要有以下幾點：開采深度。在理論界有這樣一個認定標準：當采深低于350米時，發生沖擊地壓的可能性較小；采深在350～500米時，可能性逐漸增大；采深超過500米時，這種增大的幅度和力度空前加大。通過這個標準不難發現，開采深度越大，煤體的應力越高，發生沖擊地壓的概率也會越大；開采技術因素。開采技術對沖擊地壓的影響主要有兩種表現形式：一是因開采導致煤巖體的應力迅速增加，在一定區域、一定范圍內形成高應力集中；二是原本具有高應力的煤巖層，在采動條件作用下，誘發沖擊地壓[9]。不管是哪種形式，不合理的開采技術都會間接地加大沖擊地壓發生的概率。

影響沖擊地壓發生的主要地質因素為斷層和褶曲等地質構造。對于斷層的誘沖機理，可從兩方面說明：一方面，由于斷層的隔斷作用，開采引起的超前采動應力不能繼續向前傳遞，因此當開采方向朝向斷層時，將造成采動應力在斷層前不斷積聚，由此而引發沖擊地壓；另一方面，斷層在受到采動影響時可能活化，產生滑動，從而形成動載誘發沖擊。褶曲本身是在水平應力作用下擠壓而成，因此褶曲區域具有較高的水平應力，在采動影響下也容易形成應力集中。其他地質影響因素還有煤層傾角和煤厚變化等，如新汶華豐煤礦、甘肅華亭煤礦和北京木城澗礦均為大傾角煤層開采，兗州濟三礦和新汶協莊礦都存在煤厚變化條件。除了上述因素，在地震活動頻繁區的煤礦也容易受到地震活動的影響而發生沖擊地壓。

3.2 沖擊地壓的監測方法

3.2.1 鉆屑法檢測技術

鉆屑法是通過在煤層中鉆小直徑鉆孔（直徑42mm～50mm），根據鉆孔在不同深度煤粉量及其變化規律以及有關動力現象判斷沖擊危險的一種方法。就是通過測量鉆孔煤粉量的大小以確定相應的煤體應力狀態，當向煤體打鉆孔時，其排粉量由兩部分組成：一是鉆孔過程中與孔徑相同的煤體破碎后形成的煤粉，二是成孔后，煤體中的應力使孔徑發生變化而產生的煤粉。前者僅與孔徑有關，后者則與圍巖應力狀態及力學性質有關，這就是鉆屑法的依據所在。

圖1 鉆孔效應示意圖

在煤體中打鉆至一定深度后，鉆孔周圍煤體將逐漸達到極限應力狀態，如圖1所示。孔壁部分煤體可能突然擠入孔內，并伴有不同程度的響聲和微沖擊；打鉆過程中鉆具的推進情況也會發生變化，或出現卡鉆甚至將鉆卡死，在鉆孔的B段，孔周煤體處于極限應力狀態，打鉆過程中鉆粉量異常增多，鉆屑粒度增大，這就是所謂的鉆孔效應[10]。鉆屑監測法操作方便、直接，便于現場施工人員掌握，但工作量大，占用人員多，進度慢，生產活動影響較大。

3.2.2 電磁輻射技術

電磁輻射法是一種地球物理法，其發現和研究首先是由前蘇聯的科學家在研究巖石的形變時發現的，主要應用于橋梁隧道等工程方面，后來經過發展才應用于煤礦和其它有電磁輻射現象的地方。

煤、巖等其它一些固體中都含有束縛態的帶電離子和自由態的帶電電子，當其受到外部應力壓迫時，因受載不均勻，煤體或巖體的各部分發生不規則的變形及其破裂，導致固體內部電荷發生遷移，而裂縫的發展也會帶動帶電粒子的變速運動，這樣就會產生電磁輻射的現象[11]。在實際中發現，應力越集中，變形破壞過程越強烈，得到的電磁輻射信號越強，集中量化指標體現在電磁輻射強度和脈沖。

3.2.3 微震檢測技術

震動場監測采用微地震監測技術，其基本原理是巖石在應力作用下發生破壞并產生微震和聲波，在采動區頂板或底板內布置多組檢波器并實時采集微震數據，經過數據處理后，運用震動定位原理，可確定破裂發生的位置，并在三維空間上顯示出來。一般情況下，如果微震事件隨著工作面的推進發生次數不斷增加、釋放的能量不斷上升，微震事件朝著工作面的方向不斷發展，這在一定程度上說明煤礦沖擊地壓的發生前兆[13]。

參考文獻

[1] 龐丹丹.新型光纖光柵傳感技術研究[D].山東大學，2014.

[2] 齊慶新，王永秀，毛德兵，等.非堅硬頂板條件下高強度開采采動誘發沖擊地壓機理初探巖石力學與工程學報，2005.

[3] 姜耀東，趙毅鑫，劉文崗，等.煤巖沖擊失穩的機理和實驗研究[M].北京：科學出版社，2009.

[4] 潘俊鋒，寧宇.煤礦開采沖擊地壓啟動理論[J].巖石力學與工程學報，2012.

[5] 王恩元，何學秋，李忠輝，等.煤巖電磁輻射技術及其應用[M].北京：科學出版社，2009.

[6] 宋剛，張舒.電磁輻射法在沖擊地壓預測中的應用[J].山西煤炭，2010（9）：72-73.

（作者單位：黑龍江科技大學）