煤矿冲击矿压机理及其监测预警技术分析*

李二海，王桂峰，毛 永

(1.神华宁煤集团 设备管理中心， 宁夏 银川 750001；2. 中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室， 江苏 徐州市 221008)

煤矿冲击矿压机理及其监测预警技术分析*

李二海1，王桂峰2，毛 永2

(1.神华宁煤集团 设备管理中心， 宁夏 银川 750001；2. 中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室， 江苏 徐州市 221008)

在探讨动静载叠加诱发冲击矿压机理的基础上，论述了冲击矿压监测预警的几种方法，及其预测预报冲击矿压的优缺点，因此，在分析各矿井冲击机制的基础上，提出了冲击矿压多参量耦合监测预警，并建立了冲击危险的多参量综合预警体系，采取多参量耦合监测，研究针对冲击主控因素的合理防治方法，可提高矿井对冲击矿压的预测预报的科学性。

冲击矿压；监测预警；多参量耦合

0 引 言

冲击矿压是矿山井巷和采场周围煤岩体由于变形能释放而产生突然、急剧、猛烈的破坏现象，往往造成采掘空间中支护设备的破坏以及采掘空间的变形，严重威胁着煤矿的安全生产，并给我国煤矿造成了巨大的经济损失和人员伤亡[1￣2]。目前，我国浅部煤炭资源已逐渐枯竭，许多矿区进入深部开采阶段，冲击矿压灾害问题越发严重，如甘肃华亭煤业集团、兖州煤业股份有限公司、徐州矿务局、临沂矿务局等下属矿井的冲击致灾的强度和频次越来越高。而保证煤炭的高产稳产和安全开采，是关系到国家能源安全的重大问题，因此目前已经发生和未发生过冲击矿压但已准备进入深部开采的矿井，都必须防治冲击矿压灾害放在重中之重的地位。

目前的冲击灾害监测预警及防治方法、技术、措施众多，而各种监测设备的运用缺乏规则和理论指导，甚至将各种监测方法和防治措施全部采用，缺乏对各自矿井针对性冲击机制的研究，常导致各种监测数据的预警结果不一致甚至相悖[3￣4]。因此必须根据冲击矿压发生机理，选取具有针对性的监测与治理方法，做到有的放矢，才能有效提高防治效率。

本文首先探讨了动静载叠加诱发冲击矿压机理，随后分别论述了微震、电磁辐射、声发射、应力监测和钻屑与冲击矿压之间的关系，以及采用上述方法预测预报冲击矿压的优缺点，最后在分析各矿井冲击机制的基础上，讨论了多参量耦合监测预警的必要性，并在此基础上建立了冲击危险的多参量综合预警体系。研究结果可为提高矿井对冲击矿压的预测预报能力提供重要参考。

1 冲击矿压机理分析

冲击矿压机理的深入研究表明[5￣7]，冲击矿压的发生是由动静载组合作用下的煤岩体动力破坏与显现。这是由于煤岩体复杂的非均质性，导致应力波在传播过程中衰减严重，因此矿震动载传播至煤体后，直接触发冲击的可能性较小，更多的是动载与静载耦合作用诱发冲击矿压。若煤岩系统的原有静载荷较大，则较低的动载荷可导致叠加后的应力峰值超过煤体极限强度而发生破坏，反之，若煤岩系统的原有静载荷较小，则需较高动载荷才能诱发煤体破坏。

目前煤矿动力现象的预测预报是围绕煤矿动力现象发生的强度理论和能量条件进行的，预测方法大致可以分为两类：一类方法是局部探测法，主要用于探测采掘局部区段的冲击危险程度，包括煤岩体变形观察法(顶板动态、围岩变形)、煤岩体应力测量法、流动地音监测法等；第二类方法是系统监测法，根据连续记录煤岩体内出现的动力现象，预测煤矿动力现象危险状态，包括微震系统监测法、电磁辐射法、声发射等方法。

煤矿冲击矿压的预测预报是基于对煤岩动力灾害的机理认识。因此必须结合各矿井的生产实际，针对于煤岩系统所承受的静载组成，包括自重应力场的开采深度因素、开采布局、构造应力场的褶曲因素以及采动支承应力集中的开采强度因素，以及煤岩系统所承受的动载，包括开采活动的顶板来压、煤柱失稳、覆岩运动等所导致的矿震动载，分析各矿井冲击矿压的致灾过程、致灾条件，分析其诱发机制和控制性因素，为合理选择监测与治理方法提供基本理论与依据。对于深部开采的矿井，其所受原岩应力逐年增加，加之部分工作面设计不合理，人为导致应力集中水平高。另外，由于构造应力场的断层、褶曲等因素，使煤岩系统所承受静载处于一个较高的水平，但由于静载直接诱发冲击矿压的致灾过程较少，此时矿震动载主要起到一个诱发作用。而对于设计合理、采深相对较小、受断层和褶曲影响较小的工作面，此时矿震动载起到主导作用。

2 冲击矿压监测预警技术

2.1 微震活动与冲击矿压的关系

冲击矿压是开采空间附近造成的破坏发生的大能量震动。冲击矿压是微震事件的子集，其特殊性在于：

(1) 冲击矿压发生的位置在开采空间附近；

(2) 冲击矿压释放的能量较高；

(3) 冲击矿压造成了巷道破坏、设备损坏或人员伤亡。

正因为微震与冲击矿压具有的内在联系和区别，可采用微震监测技术监测微震事件的发生变化规律。

目前微震监测技术已被国内外公认为是煤岩动力灾害监测最有效和最有发展潜力的监测方法之一[8]。微震监测技术是通过实现三维空间中煤岩体内部微破裂及微破裂演化过程的实时监测，从微破裂显现、微破裂发展到积聚的前兆特征出发，监测矿震事件的时空演化趋势，判断高能量冲击矿压发生的可能性，进行冲击矿压微震前兆信息分析和收集。

2.2 微震监测的特点

微震事件与冲击矿压同属煤岩体应力和能量释放的震动现象，其发生原因和机理一致，因此微震监测具有较高可靠性。微震监测系统能够对全矿范围进行实时、连续、动态、非接触的微震监测，并对震源进行精确定位，具有远距离、动态、三维、实时监测的特点，抗干扰能力强，不损伤煤体，劳动强度小，能够为评价全矿范围内的冲击矿压危险提供依据。但微震监测结果的准确性受到诸如模型合理性、系统灵敏度、人为判断误差等因素影响，因此采用微震监测预警的前提是确保有效的微震监测精度[9]。

目前，国内微震监测技术对冲击矿压的研究应用还不够深入，还不能完全满足临场监测预测的需要。

2.3 冲击矿压电磁辐射监测

煤岩破裂是煤矿井下一种极其复杂的动力现象，煤岩体受载变形破裂过程中会向外辐射电磁能量，与煤岩体的变形破裂过程密切相关。承载煤岩在微观上非均匀应力作用下的变形及破裂过程必然伴随着电磁辐射效应。煤体中应力越高，变形破裂过程越强烈，电磁辐射信号越强，其主频带也越高[10]。

从微观角度分析，冲击矿压发生前后存在应力应变状态的改变以及煤岩体的裂纹启裂、扩展，在此过程存在电磁辐射现象[11￣12]。通过对冲击矿压发生过程电磁辐射特征的研究，可耦合得到冲击矿压的电磁辐射前兆规律，从而进行冲击矿压的电磁辐射预警预测。

采用电磁辐射法可实现实时、无接触和不受地域限制的预测预报，监测处理方便，可反应煤体中静态受载及变化特征。但由于矿井机电设备的影响，电磁辐射信号往往受到污染和干扰，同时煤岩体电磁辐射特征形式多样，对于冲击矿压监测预警效果有时不准确。

2.4 冲击矿压的声发射监测

声发射是以脉冲的形式记录弱的、低能量的声发射(微震)现象。其监测原理与微震监测类似，并可以与微震进行联合监测，以掌握矿井围岩破裂的发展趋势与前兆信息[13]。但其主要特征是能量低于100 J冲击矿压发生前的微小破裂，通过理论或经验的前兆规律进行冲击矿压预测预报。

声发射也是一种常用的局部动载监测手段，它监测的是煤岩体破裂产生的高频低能量震动现象，监测范围较微震监测小，较电磁辐射范围广，且容易受到电器设备及开采活动导致的微震动的影响，监测信息的可靠性难以得到保证。

2.5 冲击矿压的钻屑法监测

钻屑法是根据排出的煤粉量及其变化规律和有关动力效应，鉴别冲击危险与确认高应力区的一种方法[14]。钻屑排粉量与围岩应力状态有关，两者呈正相关系。钻屑法在国内外冲击矿井中广泛使用，并且形成了冲击危险等级判断方法。

钻屑量反应的是煤岩体在应力作用下的变形大小以及煤岩体钻孔内的微动力现象，直接反应了煤岩体静态受载大小与冲击矿压危险的强弱，具有较高的可靠性[15]。但钻屑法只能针对潜在冲击危险点进行校核监测，监测范围小，工作量大，实时性差，且易受操纵干扰。

2.6 冲击矿压的在线应力监测

对于工作面前方支承压力影响区域内，可以采用布置应力计对采动应力场进行定时或连续监测。合理的布置能够监测支承压力曲线分布规律[16]。如果采用在线连续监测，则可以实现实时变化的显示与处理，从而形成具有统一标准的应力梯度等值线，即可评价冲击危险性和冲击危险区域。

静载在冲击矿压的发生中占有极其重要的作用。在线应力监测能够在工作面开采之前或开采过程中，测量工作面范围内应力分布状态，找到应力集中区，从而有针对性的进行卸压处理与解危，能够极大的提高治理效率，达到事半功倍的效果。但是上述方法测量区域有限，不能给出大范围开采区域内工作面回采过程中的应力信息。

2.7 冲击矿压的震动波CT监测

震动纵波与横波与煤岩体所受载荷具有正相关性，震动波CT反演应力状态即是建立在这种密切关系上。主动CT技术是在工作面两巷分别布置爆破点与接收点，通过对弹性波走时和能量衰减的观测，可获得工作面内的波速分布特征，通过研究应力与波速之间关系就能够得到工作面内的应力大小分布规律，从而实现冲击危险区域的划分。为采取针对性卸压防护措施提供依据[17]。矿山CT技术能够获得较为广泛和准确的应力信息，在冲击矿压危险研究上已成为一种强有利的监测手段。

利用震动波CT反演技术可以定性的监测与评估采区或工作面范围应力状态，划分开采区域的高应力场(能量场)及高冲击危险区域，为冲击动力灾害监测防治提供重要依据[18]。相比传统监测手段，该技术可以从较大范围的岩体内直接获得信息，与其他方法相比，获取信息成本低、技术含量高、观测的参数信息量准确。

3 冲击矿压多参量耦合监测

综上所述，目前冲击矿压监测的手段，如微震法、电磁辐射法、声发射法、钻屑法、震动波CT，虽然存在各自的优越性，但也存在不足。同时，由于冲击矿压发生的随机性、突发性、破坏形式的多样性，不同条件下可能存在不同的前兆信息。单一监测方法只能从某一个角度反映冲击矿压的危险，而电磁辐射、微震、声发射、钻屑量、震动波CT又都包含冲击矿压发生的某些信息，因此，有必要在分析各矿井冲击机制的基础上，选择合理的监测设备，从多参量耦合信息的角度深入研究与探讨冲击矿压的识别与监测预警。冲击矿压的多参量分级预测体系可见图1。

图1 冲击危险的多参量综合预警体系

4 结 论

煤矿冲击矿压的预测预报是基于对煤岩动力灾害的机理认识。因此在监测预警及防治方法的应用上，应以分析冲击作用机制为基础，对各种监测预警方法的使用规则及范围作精细化研究，找到影响冲击矿压的主要静载和动载因素，确定针对静载和动载的合理监测方案，采取多参量耦合监测，研究针对冲击主控因素的合理防治方法，可提高矿井对冲击矿压预测预报的科学性。

[1]Brummer R K,Rorke A J.Case studies on large rockbursts in South African gold mines[J].Proceedings of the International Symposium on Rockbursts and Seismicity in Mines,1990:323￣330.

[2]窦林名,何学秋,王恩元.冲击矿压预测的电磁辐射技术及应用[J].煤炭学报,2004,29(4)：396￣399.

[3]Kornowski J,Kurzeja J. Prediction of rockburst probability given seismic energy and factors defined by the expert method of hazard evaluation (MRG). Acta Geophysica,2012,60(2):472￣486.

[4]王书文,毛德兵,杜涛涛,等.基于地震CT技术的冲击地压危险性评价模型[J].煤炭学报,2012(S1):1￣6.

[5]王桂峰,窦林名,李振雷,等.冲击矿压空间孕育机制及其微震特征分析[J].采矿与安全工程学报,2014,31(1):30￣37.

[6]何满潮,谢和平,彭苏萍,等.深部开采岩体力学研究[J].岩石力学与工程学报,2005, 24(16):2803￣2813.

[7]Hua A Z,You M Q.Rock failure due to energy release during unloading and application to underground rockburst control[J].Tunneling and Underground Space Technology, 2001,16(3):241￣246.

[8]鞠文君,潘俊锋.我国煤矿冲击地压监测预警技术的现状与展望[J].煤矿开采,2012,17(6):1￣5.

[9]张明伟, 窦林名,王占成,等.深井SOS微震监测系统建设与应用[J].煤矿开采,2010,15(2):16￣20.

[10]窦林名, 何学秋,王恩元.冲击矿压预测的电磁辐射技术及应用[J].煤炭学报,2004,29(4):396￣399.

[11]窦林名, 何学秋.冲击矿压危险预测的电磁辐射原理[J].地球物理学进展，2005,20(2):427￣431.

[12]WANG E Y,HE X Q,LIU X F,等.Comprehensive monitoring technique based on electromagnetic radiation and its applications to mine pressure[J].Safety Science,2012, 50(4):885-893.

[12]DOU L M,HE X Q.Theory and technology of rock burst prevention[M].Xuzhou:China University of Mining and Technology Press,2001.

[14]曲效成,姜福兴,于正兴,等.基于当量钻屑法的冲击矿压监测预警技术研究及应用[J].岩石力学与工程学报,2011,30(11)：2346￣2351.

[15]GU S T,WANG C Q,JIANG B Y,et al.Field test of rock burst danger based on drilling pulverized coal parameters[J].Disaster Advances,2012,5(4):237￣240.

[16]潘俊锋,毛德兵,蓝 航,等.我国煤矿冲击地压防治技术研究现状及展望[J].煤炭科学技术,2013,41(6):21￣25,41.

[17]王文德,赵 炯,胡继武.弹性波CT技术及应用[J].煤田地质与勘探,1996,24(5):59￣63.

[18]巩思园,窦林名,徐晓菊,等.冲击倾向煤岩纵波波速与应力关系试验研究[J].采矿与安全工程学报,2012,29(1):67￣71.

高等学校博士学科点专项科研基金项目(20120095120019)，江苏省自然科学基金(BK20140194).

2014￣09￣11)

李二海(1973-)，男，主要从事煤矿机电设备管理和应用等方面的工作，Email: libcumt@163.com。