對于煤礦沖擊地壓災害監測預警技術的幾點思考

王博

摘 要：在煤礦開采的過程中，沖擊地壓是一種典型的動力災害，它具有突然產生性和強烈破壞性，對煤礦開采的安全性有著巨大威脅。監測和防范沖擊地壓的發生是煤礦開采過程中亟須解決的技術難題，建立科學的監測預警系統是十分重要的。本文對煤礦開采中沖擊地壓災害的監測預警技術進行了大體介紹，在分析我國沖擊地壓災害監測預警技術面臨難題的基礎上，提出了相關技術未來的發展走向，希望能為我國采礦工程的可持續發展做出貢獻。

關鍵詞：沖擊地壓;監測預警技術;發展

中圖分類號：TD324 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）01-0195-02

1 煤礦沖擊地壓災害概述

據相關研究表明，沖擊地壓發生的主要原因有三個：（1）煤巖本身就具有沖擊地壓發生的傾向性，也就是說其本身就存在沖擊破壞力，屬于內在因素;（2）煤巖的結構存在斷層或軟弱層，這是煤層在形成過程中的原始地質構造問題，人為無法改變和量化，也屬于沖擊地壓發生的內因;（3）外力作用使煤巖體發生形變和破壞，這種所受應力是產生沖擊地壓的關鍵原因[1]。可以說沖擊地壓的產生都是來自應力的破壞，只是每種沖擊地壓所受應力的大小和來源不同而已。由于煤巖體本身的構造可能就存在一些沖擊傾向，加上煤礦開采中會產生一些采場應力，原始應力和采場應力相互疊加、相互作用，就可能形成高度集中的應力，從而破壞煤巖體的動態平衡狀態，誘發沖擊地壓災害發生。由此可見，煤巖體所受的應力就是沖擊地壓發生的根本原因。

2 監測預警技術和方法

2.1 對煤巖體應力情況的監測技術

（1）應力監測技術。現今我國已開發出比較完備的應力監測系統：系統通過傳感器實現對煤巖體所受應力的自動監測，然后將脈沖信號傳至監測記錄儀;監測記錄儀隨時接收并存儲傳感器輸出的相關數據;然后這些數據經過預測軟件的量化處理，轉變為能夠反映出采礦工作時采場應力的變化情況的信息;工作人員找出高應力區并對其變化趨勢進行分析，進而實現對危險區的及時預報和預警。（2）電磁輻射監測技術。在應力作用下煤巖體中會產生非均勻形變，進而產生電磁輻射。煤巖體的形變速度增加，電磁輻射的強度和脈沖也會逐漸增強。安全情況下，電磁輻射的強度一般在某個值以下;有沖擊破壞產生時，電磁輻射的強度會突然加強。因此根據電磁學的相關理論計算出煤巖體應力狀態和電磁輻射強度的耦合關系，然后監測人員只需通過對電磁輻射強度進行監測，就可以有效預測煤巖體是否會產生沖擊地壓災害。（3）電荷監測技術。煤巖體產生形變時，煤巖裂縫處的電荷會在摩擦作用下產生分離的情況，進而產生電荷感應信號。電荷感應信號的強度和煤巖體的受力情況具有一定的相關性，即煤巖體受力增加，電荷感應信號也會不斷加強。但電荷感應信號不是無限增強的，據相關研究表明，煤巖體被破壞到失去穩定性之前，電荷信號上升到最大值，失穩之后電荷強度會減小[2]。電荷監測技術就是利用了煤巖體的失穩反應，該技術監測到的電荷信號越強，表示煤礦越有可能發生沖擊地壓災害。（4）CT探測技術。CT探測技術分為彈性波CT和震動波CT兩種，彈性波CT用于監測位置由人工激發的已知情況，震動波CT應用于采礦誘發的礦震等震源未知情況，它們的工作原理都是用地震波射線透視煤巖體，對煤巖體的應力場大小進行反演成像。煤巖體的應力值越高，震動波速就越快，因此通過對地震波的能量高低情況進行觀測，可以推算出礦區的震動速度場，進而判別出高應力的沖擊地壓危險區域。（5）地質動力區劃技術。這種技術基于板塊構造學說，須結合礦區的實際情況進行分析和運用。地質構造情況會決定地形地貌，因此也可以通過對地形地貌的分析反推出地質構造。地質動力區劃技術可以劃分研究區域的斷塊圖并且查明斷塊之間的相互作用關系，進而確定應力場的方向和大小。通過一系列分析，能夠為采礦工程確定施工方案提供有價值的參考信息。

2.2 實際開采中的預警防治措施

對沖擊地壓進行防治的主要理念是減少施工中對煤巖巷道產生的應力影響，并且通過主動支護措施增加煤巖體的力學強度，必要時還可以通過加錨索和打錨桿等方式增加圍巖的承受能力。相關人員要通過采用綜合性的措施，有效減少沖擊地壓發生的可能性和破壞性，具體的預防措施可以參考以下幾個方面：

（1）制定合理開采方案。在礦井開采的過程中，首先要對地質環境有具體的了解和詳細的分析，制定出最佳的開拓和回采方案，并選擇最適合的開采進度。必要時要避免開采高危區域，比如能量較大的斷層區或地質松脆的煤巖區，在掘進巷道時要盡量避免觸碰這種特殊區域，并且在回采的過程中也可以快速推過，減少損傷。（2）減少應力集中情況。對于監測到的應力作用高度集中的工作面，采取有效措施減少應力集中的情況，來預防沖擊地壓的發生。主要的方法有：無煤柱開采，對采區內有突出危險的煤柱采用直接采掉措施，以免高危煤柱威脅開采安全;對于受高危煤柱影響的臨近區域，在開采過程中也應盡量避開;另外要合理安排開采順序，避免應開采錯亂導致的追采和對采、以及雙面或三面采空等情況。（3）改變煤巖體物理學特性。常用的改變煤巖體物理學特性的方法有：將高壓水注入到煤層中，從而對煤巖的脆性起到一定軟化作用，以減少高能量集中積聚的情況;在煤巖體應力集中的部位燃放“應力炮”，合理的爆破能起到良好的降壓作用，但要注意，這一舉措一定要有科學的理論和豐富的實戰經驗作為支撐，否則可能無法避免沖擊地壓甚至誘發沖擊地壓;對于圍巖變形而導致的沖擊地壓，可以采用噴漿錨索等方法進行支護，提高巖體的承受能力。

3 沖擊地壓監測預警面臨的問題

3.1 監測物理量單一

沖擊地壓災害產生的原因有很多，從環境上看有地質構造、采掘擾動、頂板破斷等，從力源上看有震動力、應力等，從沖擊類型上看有滯后性沖擊和瞬時性沖擊等。綜上所述，沖擊地壓誘因具有很強的復雜性，但各種監測技術都是對某一特定物理量進行監測的，難以實現全面分析、合理預警，從總體上來看不能與沖擊地壓的復雜機理適配。

3.2 預警指標的閾值難規范

為克服上述監測物理量過于單一的情況，很多采礦現場安裝了組合設備，采用多種監測技術組合的方式進行預警。每種監測技術都設有安全區間，也就是當監測物理量的值超出安全區間時，檢測設備會產生警報。但是每種技術和設備預警的閾值都存在不確定性，在不同的施工環境中或多或少存在一定彈性，因此常出現設備錯誤預警或不預警的情況。即使采礦現場采取多套設備組合監測，但預警閾值不能精準確定也會造成預警失敗[3]。

3.3 監測布點難確定

沖擊地壓災害的破壞方式和沖擊力來源之間有強大的關聯性，比如垂直應力會對采場煤壁和巷道幫部造成沖擊，水平應力會對巷道底板、頂板以及采場底板造成沖擊，強烈的振動會造成構造失穩、頂板斷裂等。可見煤礦中的沖擊方式多樣多變，給現場布點工作帶來了很大難度，布點工作缺乏周全性和科學性會直接導致沖擊地壓監測預警效果不理想。

3.4 監測數據傳輸和反饋不及時

監測技術水平高只是做好煤礦沖擊地壓災害預警的一部分，而危險信息能否及時反饋也是災害預警的關鍵。良好的信息反饋機制能夠保障沖擊地壓預警的安全性，但是由于礦場監測設備數量和種類多，數據產出量極大，因此信息的反饋容易出現滯后現象。監測設備并不是越多越好，合理的搭配和布置才能夠有效預警，幫助相關人員快速分析，及時捕捉危險信息，采取預防措施。

4 沖擊地壓監測預警技術發展要求

4.1 區域性覆蓋、局域性聚焦

在礦井開采的過程中，潛在的沖擊地壓塊段數量多且分布廣，其中，靜態危險區是由各種原先存在的地質因素誘發的，動態危險區是由采礦施工活動引起的，沖擊地壓災害的形成也是由各種近場因素和外場因素各自或共同誘發的。因此，沖擊地壓災害監測技術應該做到區域性覆蓋、局域性聚焦，既能對危險區域進行聚焦式追蹤監測，又要對潛在的沖擊地壓塊段進行全覆蓋型把控，在臨場預警的同時保證外場預警工作同樣到位。

4.2 “多參量”同時監測

各種各樣的因素都可能導致煤礦沖擊地壓災害，因此在進行監測的時候，需要把多種參量結合起來才能更好地做到全面監測。比如有些因素會產生震動從而造成沖擊地壓;有些因素會促使應力演化進而誘發地壓災害，因此有必要將震動監測和應力監測結合起來，同時對應力和震動兩個參數進行監測[4]。在常見的沖擊地壓監測技術中，鉆屑、電磁輻射和電荷輻射等技術監測的物理量是應力，而礦震、微震監測等技術所關注的物理量是震動。監測之后可以將沖擊危險分為強度沖擊危險、中度沖擊危險、弱沖擊危險以及無沖擊危險四個等級，相關人員應根據不同等級采取有效的方式及時預警。通過多種技術組合進行多參量監測，能夠對沖擊地壓的危險性作出更為準確合理的預判，進而實現更好的監測預警效果。

4.3 實現“在線、實時”的數據傳輸

優化沖擊地壓監測技術是做好災害預防的基礎，而監測信息反饋的及時性是保障監測技術有效發揮的關鍵。如果檢測人員不能及時捕獲重要信息，那么監測技術將失去意義。因此，實現在線、實時的監測數據傳輸是必不可少的。近年來光纖通信技術的不斷發展為數據監測連續、及時傳輸提供了可行之路，礦井環網技術的研發為沖擊地壓災害預警工作的發展做出了重要貢獻。

4.4 “時、空、級別”多層次精準預警

新時代的煤礦沖擊地壓災害監測預警技術應該做到多層次可靠預測，即對于某一區域，實現該區域在一段時間內的預測;對于某一時間點，實現該時間點上所有區域的全面預測;對于某段時間或某個區域，實現災害危險級別精確預測。這種時間跨度長、監測區域廣、預警準確度高的預測能夠滿足新時代災害預警的要求，有效保護社會財產安全和人民生命安全。

5 結語

總之，沖擊地壓作為一種動力災害，一旦發生就會對工作人員的生命安全構成嚴重威脅，也會對儀器設備和各種構筑物產生嚴重破壞，從而造成巨大經濟損失。因此，煤礦沖擊地壓災害的監測預警技術十分重要，相關工作人員在進行監測和施工的過程中，要做到密切監測，嚴格防控，及時預警，通過不斷完善監測預警措施，有效提升煤礦開采的安全性和有效性。

參考文獻

[1] 齊慶新，李曉璐，趙善坤.煤礦沖擊地壓應力控制理論與實踐[J].煤炭科學技術，2013（06）：1-5.

[2] 竇林名，李振雷，張敏.煤礦沖擊地壓災害監測預警技術研究[J].煤炭科學技術，2016（07）：41-46.

[3] 劉金海.煤礦沖擊地壓監測預警技術新進展[J].煤炭科學技術，2016（06）：71-77.

[4] 鞠文君，潘俊鋒.我國煤礦沖擊地壓監測預警技術的現狀與展望[J].煤礦開采，2012（06）：1-5.