李 兵 ，沈 威 ，羅武賢 ，朱金標(biāo) ，朱彥飛 ，劉漢磊

（1.江蘇徐礦能源股份有限公司 張雙樓煤礦，江蘇 徐州 221600；2.南陽理工學(xué)院，河南 南陽 473004）

隨著煤礦向深部開采，沖擊礦壓發(fā)生的概率越來越高，對沖擊礦壓進(jìn)行有效的監(jiān)測預(yù)警和治理是深部開采必須要解決的一個(gè)問題[1]。沖擊礦壓的治理的前提條件是預(yù)測沖擊危險(xiǎn)區(qū)域，然后針對不同的危險(xiǎn)區(qū)域采取不同的卸壓措施，做到有的放矢。在未進(jìn)行煤層開采前，確定沖擊礦壓的危險(xiǎn)區(qū)域的方法有綜合指數(shù)法、應(yīng)力分析法、數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析法、震動波CT反演等[2-14]。以上分析方法為沖擊礦壓的評價(jià)與預(yù)測提供了早期宏觀與及時(shí)監(jiān)測預(yù)警的基礎(chǔ)。然后多煤層、煤層群開始時(shí)受復(fù)雜的巷道布置、開采時(shí)空關(guān)系、應(yīng)力改變時(shí)間效應(yīng)等的影響，具有自身的特征。余斌[15]研究了大同礦區(qū)侏羅系煤層群開采沖擊地壓防治技術(shù)，提出了大同礦區(qū)煤層群開采沖擊礦壓特點(diǎn)與防治技術(shù)。李劍鋒等[16]針對徐礦張小樓煤礦多煤層開煤柱區(qū)沖擊危險(xiǎn)，采用微震監(jiān)測，分析微震震動頻次與能量對沖擊礦壓進(jìn)行監(jiān)測與防治。吳寶楊等[17]采用數(shù)值模擬的方法對近距離煤層群開采條件下的沖擊危險(xiǎn)性進(jìn)行了研究，得到了近距離煤層群開采過程中，邊界煤柱、停采線煤柱對下層煤的影響程度與范圍。針對多層煤開采的情況，提出運(yùn)用上層煤開采礦震能量，建立沖擊礦壓危險(xiǎn)性指數(shù)圖，運(yùn)用沖擊危險(xiǎn)性指數(shù)圖對下層煤開采過程中，沖擊危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行劃分的新方法。

1 工程背景

張雙樓煤礦西一采區(qū)開采深度為750～1 100 m，主采煤層為7煤和9煤。開采順序?yàn)橄炔?煤再采9煤層，水平方向上為兩翼開采，中間留有上下山保護(hù)煤柱。7煤和9煤煤層傾角為25°，2層煤間距平均23 m，2層煤之間的巖性為平均3 m的砂質(zhì)泥巖和20 m的細(xì)砂巖。西一采區(qū)采深大，并且受堅(jiān)硬頂板、斷層、煤層合并區(qū)和火成巖侵入?yún)^(qū)等地質(zhì)構(gòu)造影響，沖擊危險(xiǎn)性高。為有效監(jiān)測西一采區(qū)礦震，進(jìn)而確定沖擊礦壓危險(xiǎn)性。自2011年4月6日安裝欣林公司的KJ20微震監(jiān)測系統(tǒng)，西一采區(qū)的微震系統(tǒng)由 3組三分量探頭（1#、2#、3#） 和1組單分量探頭（4#、5#、6#）組成，安裝時(shí) 7419 工作面、7421 工作面、7422工作面和7423工作面已經(jīng)回采完畢，工作面布局情況如圖1。

圖1 工作面采空區(qū)監(jiān)測點(diǎn)布置示意圖

2 多煤層開采沖擊礦壓評價(jià)方法

2.1 方法的建立

國內(nèi)外研究表明，礦震能量與應(yīng)力和沖擊礦壓發(fā)生的比率成正相關(guān)[18]。然而目前運(yùn)用礦震能量和頻次的分布判斷沖擊危險(xiǎn)性還處于定性判斷階段。為了將礦震頻次和能量的分布定量化，反應(yīng)礦震和沖擊危險(xiǎn)性之間的關(guān)系，先將微震監(jiān)測出的礦震能量E通過式（1）進(jìn)行處理，得到礦震能量指數(shù)，然后將礦震能量指數(shù)按照式（2）進(jìn)行處理，得到評價(jià)沖擊危險(xiǎn)性的能量密度危險(xiǎn)性指數(shù)，簡稱危險(xiǎn)性指數(shù)，取值范圍為[0，1]。

式中：∑Ej為第i個(gè)區(qū)域的所有能量j的和，J；A為第i個(gè)區(qū)域的面積，m2；ei為第i個(gè)區(qū)域的礦震密度的能量指數(shù)；emax為所有區(qū)域的最大礦震密度的能量指數(shù)；emin為所有區(qū)域的最小礦震密度的能量指數(shù)；Wi為第i個(gè)區(qū)域的沖擊危險(xiǎn)性指數(shù)，取值[0，1]。

進(jìn)行危險(xiǎn)性指數(shù)的最大值和最小值的選取時(shí)，為了避免個(gè)別數(shù)據(jù)的誤差，將礦震能量指數(shù)的最大5個(gè)數(shù)的平均值作為emax，將礦震能量指數(shù)的最小5個(gè)數(shù)的平均值作為emin。

將危險(xiǎn)性指數(shù)劃分為4個(gè)等級，分別對應(yīng)于無沖擊危險(xiǎn)，弱沖擊危險(xiǎn)，中等沖擊危險(xiǎn)和強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)，能量分布危險(xiǎn)指數(shù)和沖擊危險(xiǎn)性等級對應(yīng)表見表1。

2.2 方法的可行性評價(jià)

結(jié)構(gòu)相似性理論（SSIM）[19]認(rèn)為自然圖像信號是高度結(jié)構(gòu)化的，像素間有很強(qiáng)的相關(guān)性，這種相關(guān)性蘊(yùn)含著視覺場景中物體結(jié)構(gòu)的重要信息。結(jié)構(gòu)相似性理論是基于人類的視覺系統(tǒng)能夠從圖像中抽象出結(jié)構(gòu)性信息的理論，結(jié)構(gòu)相似性指數(shù)（SSIM）通過式（3）建立。

表1 能量分布危險(xiǎn)性指數(shù)和沖擊危險(xiǎn)性等級對應(yīng)表

式中：μx、μy分別為圖像信號X和Y的平均值，用于評估圖形質(zhì)量；σx、σy為標(biāo)準(zhǔn)差，進(jìn)行圖像信號的對比；σxy為協(xié)方差，估計(jì)信號的結(jié)構(gòu)；C1=（K1L）2；C2=（K2L）2；L 為像素值的動態(tài)范圍；K1、K2為默認(rèn)值，K1=0.01，K2=0.03。

相似性指數(shù)能夠定量化的評價(jià)2張圖片的相似性，SSIM值的取值范圍為[0，1]，在2幅圖像完全相同時(shí)，SSIM的值達(dá)到最大值1，SSIM值越高說明2張圖像的結(jié)構(gòu)性相似度越高。將SSIM指數(shù)引入判別所預(yù)測的沖擊危險(xiǎn)區(qū)和實(shí)際危險(xiǎn)區(qū)的相似性，進(jìn)而定量判斷所建立的多煤層開采沖擊礦壓預(yù)測的可行性。

2.3 危險(xiǎn)性云圖計(jì)算

進(jìn)行微震震源定位時(shí)，微震震源通常是被看作1個(gè)點(diǎn)[20]。進(jìn)行能量密度危險(xiǎn)性指數(shù)計(jì)算時(shí)，未防止遺漏震源數(shù)據(jù)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生偏差，需要網(wǎng)格間距S和震源統(tǒng)計(jì)計(jì)算半徑R滿足關(guān)系式。每個(gè)節(jié)點(diǎn)對應(yīng)1個(gè)震源統(tǒng)計(jì)計(jì)算半徑，半徑之內(nèi)的微震事件通過式（1）和式（2）得到能量密度危險(xiǎn)性指數(shù)，這個(gè)值作為網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的值；最終能量密度危險(xiǎn)性云圖通過網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)之間的插值獲得。本文中網(wǎng)格間距S被設(shè)置為28 m，震源統(tǒng)計(jì)計(jì)算半徑R被設(shè)置為20 m。

3 工程實(shí)踐

3.1 能量密度云圖與沖擊礦壓危險(xiǎn)性關(guān)系

根據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)，張雙樓煤礦發(fā)生沖擊礦壓的能量需要大于105J，因此要預(yù)測出沖擊礦壓的發(fā)生位置就是要對能量大于105J的礦震發(fā)生位置進(jìn)行預(yù)測。以西一采區(qū)礦震事件為基礎(chǔ)，計(jì)算得出采區(qū)沖擊危險(xiǎn)性指數(shù)（圖2），圖中紅、綠、藍(lán)、淺藍(lán)分別對應(yīng)強(qiáng)、中等、弱、無4個(gè)沖擊危險(xiǎn)等級。黑色圓圈為西一采區(qū)回采過程中能量＞105J以上的礦震，能量＞105J的礦震共20個(gè)，其中有19個(gè)發(fā)生在強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)性指數(shù)區(qū)域，僅有1次大礦震不是位于強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)性指數(shù)區(qū)域，說明通過所建立的危險(xiǎn)性指數(shù)圖能夠預(yù)測出大礦震的發(fā)生區(qū)域。圖2中的1#～4#為西一采區(qū)發(fā)生的4次沖擊礦壓事故序號，附近的黑色橢圓形區(qū)域?yàn)閷?yīng)的沖擊礦壓的破壞區(qū)域?？梢钥闯觯饕徊蓞^(qū)所發(fā)生的4次沖擊礦壓對應(yīng)的破壞區(qū)域全部位于強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)性指數(shù)區(qū)。通過能量＞105J的礦震和沖擊破壞區(qū)域位置與沖擊危險(xiǎn)性指數(shù)圖的對應(yīng)關(guān)系可以得出，沖擊危險(xiǎn)性指數(shù)圖能夠預(yù)測出沖擊礦壓的發(fā)生區(qū)域。

圖2 沖擊危險(xiǎn)性指數(shù)與105J以上礦震及沖擊礦壓破壞位置的對應(yīng)關(guān)系

從西一采區(qū)開采過程中沖擊礦壓破壞區(qū)位置可 以看出，西一采區(qū)所發(fā)生的4次沖擊礦壓破壞區(qū)域全部位于強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)區(qū)，能量密度危險(xiǎn)性云圖能夠精確的預(yù)測出沖擊礦壓破壞區(qū)。從礦震能量大于105J的事件的分布、沖擊破壞區(qū)域位置與能量密度危險(xiǎn)性云圖的對應(yīng)關(guān)系可以得出，運(yùn)用建立的能量密度危險(xiǎn)性云圖描述沖擊危險(xiǎn)特征，是合理的、有效的。

3.2 方法有效性分析

3.2.1 預(yù)測準(zhǔn)確率評價(jià)

根據(jù)上煤層的礦震數(shù)據(jù)得到的預(yù)測沖擊危險(xiǎn)性云圖和下層煤礦震數(shù)據(jù)得到的實(shí)際沖擊危險(xiǎn)性云圖如圖3。

圖3 預(yù)測沖擊危險(xiǎn)云圖和實(shí)際沖擊危險(xiǎn)云圖

如圖3（a），預(yù)測上下山孤島煤柱區(qū)的A區(qū)域和9421孤島煤柱區(qū)的B區(qū)為強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)區(qū)，其他的上下山孤島煤柱區(qū)和9421孤島煤柱區(qū)則大部分處于中等沖擊危險(xiǎn)區(qū)，這和9煤實(shí)際的沖擊危險(xiǎn)區(qū)結(jié)果基本相同（如圖3（b））；針對9418半孤島工作面，預(yù)測為弱或者無沖擊危險(xiǎn)，而9煤實(shí)際的沖擊危險(xiǎn)性等級為弱到中等沖擊危險(xiǎn)，這是由于在9418工作面煤柱下方進(jìn)行回采時(shí)，相應(yīng)的增加了煤柱區(qū)的沖擊危險(xiǎn)等級。

為了能夠定量的描述預(yù)測的沖擊危險(xiǎn)區(qū)和實(shí)際的沖擊危險(xiǎn)區(qū)之間的差異性，引入結(jié)構(gòu)相似性系數(shù)（SSIM）。結(jié)構(gòu)相似性（SSIM）評價(jià)要求進(jìn)行評價(jià)的2張圖像需要有相同的尺寸，且應(yīng)當(dāng)剔除非評價(jià)區(qū)域的干擾。根據(jù)前面所研究，在解放層區(qū)域運(yùn)用層之間的對比是不合理的，因此應(yīng)當(dāng)剔除解放層區(qū)域，只保留煤柱區(qū)域。如圖3（c）和圖3（d）圖像尺寸相同，研究煤柱區(qū)域的沖擊危險(xiǎn)性云圖的相似性；圖3（e）和圖3（f）圖像尺寸相同，研究煤柱區(qū)域的強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)性云圖的相似性；同時(shí)為了確保SSIM指數(shù)評估的準(zhǔn)確性，將2張礦震云圖相同危險(xiǎn)性段選用相同的顏色進(jìn)行比較，所得到的SSIM指數(shù)所有等級的SSIM值為0.870 1，強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)等級的SSIM值為0.943 2。9煤煤柱區(qū)預(yù)測的沖擊危險(xiǎn)性云圖（圖3（c））和實(shí)際沖擊危險(xiǎn)性云圖（圖3（d））相似性系數(shù)達(dá)到0.870 1，即有87.01%的相似性；9煤煤柱區(qū)預(yù)測的強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)區(qū)（圖3（e））和實(shí)際強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)區(qū)（圖3（f））相似性系數(shù)達(dá)到 0.943 2，既有 94.32%的相似性。可以得出，在下煤層開采時(shí)，利用所建立的危險(xiǎn)性評價(jià)指標(biāo)可以對煤柱區(qū)的沖擊危險(xiǎn)區(qū)進(jìn)行預(yù)測，對強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)區(qū)的預(yù)測精度更高。當(dāng)煤柱下方有開采活動時(shí)，應(yīng)當(dāng)增加其沖擊危險(xiǎn)等級。

3.2.2 預(yù)測沖擊危險(xiǎn)云圖和臨界礦震位置關(guān)系

預(yù)測的下層煤開采時(shí)煤柱區(qū)沖擊危險(xiǎn)性云圖如圖4。紅、綠、藍(lán)、淺藍(lán)分別對應(yīng)強(qiáng)、中等、弱、無的沖擊危險(xiǎn)等級。黑色的圓點(diǎn)為下煤層開采過程中能量＞105J的礦震震源位置。預(yù)測上下山孤島煤柱區(qū)的A區(qū)域和9421孤島煤柱區(qū)的B區(qū)為強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)區(qū)，而9煤回采過程中產(chǎn)生的能量＞105J以上的礦震全部位于煤柱區(qū)的A區(qū)和B區(qū)，說明運(yùn)用上層煤開采過程中的強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)指數(shù)云圖能夠有效地預(yù)測下層煤開采過程中煤柱區(qū)的大能量礦震分布位置。

圖4 預(yù)測的沖擊危險(xiǎn)性指數(shù)圖和9煤的誘沖臨界礦震對應(yīng)關(guān)系

4 結(jié)論

1）提出并建立了礦震能量指數(shù)，并通過歸一化處理，得到能量密度危險(xiǎn)性指數(shù)，基于能量目睹危險(xiǎn)性指數(shù)將沖擊礦壓危險(xiǎn)劃分為無危險(xiǎn)、弱危險(xiǎn)、中等危險(xiǎn)、強(qiáng)危險(xiǎn)4個(gè)等級。

2）基于結(jié)構(gòu)相似性理論與方法，提出了基于能量密度危險(xiǎn)性指數(shù)的多煤層開采條件下，利用上分層礦震數(shù)據(jù)預(yù)測下分層沖擊危險(xiǎn)性與區(qū)域的方法。

3）下層煤開采產(chǎn)生的強(qiáng)礦震（能量大于105J）和沖擊破壞區(qū)基本位于能量密度危險(xiǎn)性指數(shù)所確定的強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)區(qū)；預(yù)測的9煤煤柱區(qū)強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)區(qū)域和開采過程中監(jiān)測的強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)區(qū)相似度達(dá)到0.943 2。實(shí)踐證明所建立的能量密度危險(xiǎn)性評價(jià)指標(biāo)可有效的預(yù)測下煤層開采時(shí)的煤柱區(qū)強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)區(qū)域，提高了煤柱區(qū)沖擊礦壓預(yù)測的準(zhǔn)確率。