林 飛，王 萍，陳 娜，王娟娟

(華亭煤業(yè)集團(tuán)華亭煤礦，甘肅 華亭 744100)

0 引言

近年來，受地質(zhì)條件和開采條件等眾多因素的影響，華亭煤礦多次發(fā)生沖擊地壓災(zāi)害事故，使礦井生產(chǎn)和人身安全受到很大影響。沖擊地壓是由于人工開采而引發(fā)的區(qū)域性動力活動，除了會摧毀井巷及設(shè)備，造成人員傷亡，還可能誘發(fā)煤與瓦斯突出、瓦斯煤塵爆炸等次生災(zāi)害，是我國煤礦最嚴(yán)重的災(zāi)害之一[1-3]。在礦井開采的后期，由于開采條件的不斷惡化和開采深度的增加，沖擊礦壓在發(fā)生的頻度和強(qiáng)度方面顯著增強(qiáng)。

華亭煤礦煤層厚，且煤層厚度變化大，受構(gòu)造影響，煤層起伏，呈多個向斜、背斜相互交替連接的空間形態(tài)。同時，煤田西部為唐家山逆斷層，受區(qū)域構(gòu)造的影響，使井田位于應(yīng)力集中區(qū)。因此，對沖擊地壓發(fā)生規(guī)律進(jìn)行專題研究，尋求監(jiān)測預(yù)警技術(shù)對策，做到“對癥下藥”、防患于未然，既是關(guān)系到現(xiàn)場生產(chǎn)安全的重要課題，也是重要的環(huán)境問題和社會問題，對于保持礦井生產(chǎn)的連續(xù)性和穩(wěn)定性具有重要意義[4-6]。

1 監(jiān)測預(yù)警體系

1.1 判斷指標(biāo)及預(yù)測系統(tǒng)

判斷指標(biāo)：華亭煤礦專業(yè)技術(shù)人員經(jīng)過多年的沖擊地壓理論學(xué)習(xí)和防治經(jīng)驗(yàn)積累，目前形成了以微震監(jiān)測為主，聲發(fā)射監(jiān)測、鉆屑檢測為輔的監(jiān)測預(yù)警體系[7-10]。而在微震監(jiān)測中又以“MapRAS 3.0分析預(yù)測系統(tǒng)”中篩選優(yōu)化出來的“震動頻次、震動能量、活動率偏差指數(shù)、巖體破裂速率指數(shù)、頂?shù)装鍝p傷深度指數(shù)”5個指標(biāo)作為主要分析判斷指標(biāo)，為華亭煤礦沖擊地壓防治工作提供科學(xué)可靠的參考依據(jù)。

預(yù)測系統(tǒng)：MapRAS 3.0分析預(yù)測系統(tǒng)是在Windows操作系統(tǒng)的MapInfo8.0平臺開發(fā)，是基于GIS(即地理信息系統(tǒng))的采動微震數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)?！癕apRAS”軟件是通過微震觀測數(shù)據(jù)對微震震源分布和震中分布可視化、微震事件時間域和空間域可視化進(jìn)行靜態(tài)和動態(tài)分析，從而對礦井的沖擊地壓進(jìn)行預(yù)測預(yù)報。

1.2 指標(biāo)及其分析方法

震動頻次：震動頻次反映了巖層破斷周期，采動應(yīng)力強(qiáng)弱[11-12]。在MapRAS 3.0分析預(yù)測系統(tǒng)震中分布圖中選取要分析區(qū)域1～2月的微震數(shù)據(jù)，選取時間步長1 d，窗長1 d，生成震動頻次圖。

震動能量：震動能量反映了巖體在破斷時所釋放出的能量。同樣選取要分析區(qū)域1～2月的微震數(shù)據(jù)，設(shè)置時間步長1 d，窗長1 d，生成震動能量圖。

活動率偏差：①活動率偏差又稱為Z-Map，是基于某個區(qū)域較長歷史背景中的微震活動速率，來研究某一時段的微震活動速率變化。0值以下活動率較低，0值以上活動率較高。Z-Map參數(shù)定義為

(1)

式中，R1—所選區(qū)域整個歷史時段的平均微震發(fā)生率，即單位時間內(nèi)的微震個數(shù)；R2—某個時段上的平均微震發(fā)生率(設(shè)W為窗長或預(yù)測時間，則有Ti-W≤R20時，該時段微震發(fā)生率下降，以此來判斷強(qiáng)能量釋放前的微震活動平靜。

②指標(biāo)分析方法。在MapRAS 3.0分析預(yù)測系統(tǒng)震中分布圖中選取要分析區(qū)域1～2月的微震數(shù)據(jù)，選取時間步長1 d，窗長2 d，生成活動率偏差圖。

巖體破裂速率：即單位時間巖體破裂面積的總和，0線上、下分別代表破裂速率高、破裂速率低。若巖體破裂速率由高速破裂后轉(zhuǎn)為低速破裂，沖擊地壓危險性升高。在MapRAS 3.0分析預(yù)測系統(tǒng)震中分布圖中選取要分析區(qū)域1～2月的微震數(shù)據(jù)，選取時間步長8 h，窗長3 d，生成巖體破裂速率圖。

頂?shù)装鍝p傷深度指數(shù)：頂?shù)装鍝p傷深度代表頂?shù)装鍘r石受采動損傷的深度，是一個單位。深度指數(shù)是相對量，是頂?shù)装鍝p傷深度與計算時間窗內(nèi)頂?shù)装鍝p傷深度平均數(shù)的比值，無量綱。0線上、下分別代表破裂帶發(fā)生在頂板、底板。指標(biāo)分析方法：在震中分布圖中選取要分析區(qū)域1～2月的微震數(shù)據(jù)，選取時間步長8 h，窗長3 d，生成頂?shù)装鍝p傷深度指數(shù)圖。

2 沖擊地壓案例分析

2.1 震源定位

2019年9月29日23時28分，250107-1工作面回風(fēng)順槽發(fā)生沖擊地壓顯現(xiàn)，造成990～1 020 m共30 m范圍內(nèi)底鼓0.2～0.3 m，頂部有掉渣現(xiàn)象，軌道略有位移。震源位于250107-1實(shí)體煤內(nèi)，距250107-1工作面回風(fēng)順槽內(nèi)幫40 m，距聯(lián)絡(luò)巷口1 058 m，如圖1所示。

圖1 震源定位

2.2 指標(biāo)分析

震動頻次分析：如圖2所示，18日～28日震動頻次整體呈上升趨勢，且在28日指標(biāo)值上升到近期最高值，表明沖擊地壓危險性較高。此次的沖擊地壓顯現(xiàn)發(fā)生在破斷高峰期附近(破斷高峰期危險性較高)。

圖2 工作面震動頻次

震動能量分析：如圖3所示，25日～29日震動能量連續(xù)5 d呈上升趨勢，且29日指標(biāo)值上升到均值以上。由于能量高時危險性較高，圖3表明沖擊地壓危險性持續(xù)上升，且上升到高值危險范圍，此次的沖擊地壓顯現(xiàn)發(fā)生在能量峰值當(dāng)天。

圖3 工作面震動能量

活動率偏差分析：如圖4所示，29日活動率偏差指數(shù)急劇上升，且上升到0線以上。由于指標(biāo)值處在0線上時危險性較高，此次的沖擊地壓顯現(xiàn)發(fā)生在0線以上，表明當(dāng)天沖擊地壓危險性較高。

圖4 活動率偏差

巖體破裂速率指數(shù)分析：如圖5所示，巖體破裂速率指數(shù)持續(xù)幾天呈上升趨勢，且指標(biāo)值明顯大于0，表明沖擊地壓危險性較高，此次的沖擊地壓顯現(xiàn)發(fā)生在高速破裂過程。

圖5 工作面巖體破裂速率指數(shù)

頂?shù)装鍝p傷深度指數(shù)分析：如圖6所示，從22日起指標(biāo)值一直處在0線下。由于指標(biāo)值處在0線下時危險性較高，即表明頂?shù)装迤屏褞б恢卑l(fā)生在底板損傷過程，近期沖擊地壓危險性較大，此次的沖擊地壓顯現(xiàn)發(fā)生在底板損傷過程。

圖6 工作面頂?shù)装迤屏褞а莼笖?shù)

總體分析：從沖擊地壓顯現(xiàn)前的監(jiān)測指標(biāo)來看，2019年9月28日，震動頻次達(dá)到破斷高峰期，表明沖擊地壓危險性較高；震動能量持續(xù)4 d呈上升趨勢，表明沖擊地壓危險也在持續(xù)上升；活動率偏差指數(shù)指標(biāo)值處在0線下，表明沖擊地壓危險性不高；巖體破裂速率指數(shù)持續(xù)幾天上升，且指標(biāo)值明顯大于0，表明沖擊地壓危險性較高；頂?shù)装迤屏褞а莼笖?shù)連續(xù)8 d指標(biāo)值處在0線下，即破裂帶持續(xù)8 d處在底板損傷過程。5項(xiàng)指標(biāo)中4項(xiàng)指標(biāo)出現(xiàn)異常，已經(jīng)達(dá)到預(yù)警程度，于2019年9月29日發(fā)生沖擊地壓顯現(xiàn)，表明“MapRAS 3.0分析預(yù)測系統(tǒng)”中篩選優(yōu)化出來的“震動頻次、震動能量、活動率偏差指數(shù)、巖體破裂速率指數(shù)、頂?shù)装鍝p傷深度指數(shù)”5個指標(biāo)較為敏感，作為沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警指標(biāo)實(shí)踐效果較好。

2.3 監(jiān)測指標(biāo)應(yīng)用總結(jié)

震動頻次指標(biāo)：通常是作為第一監(jiān)測指標(biāo)，也是一個較為敏感的監(jiān)測指標(biāo)之一，為沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警提供重要的參考數(shù)據(jù)。因?yàn)樗从车氖菐r層破斷周期，采動應(yīng)力強(qiáng)弱。在多數(shù)沖擊地壓顯現(xiàn)前震動頻次都會有一個持續(xù)上升或波動上升的過程，在頻次上升到峰值或峰值過后1～3 d內(nèi)沖擊地壓的危險性高。

震動能量指標(biāo)：與震動頻次指標(biāo)在多數(shù)情況下會表現(xiàn)為同步，即同時上升或同時下降。在沖擊地壓顯現(xiàn)前震動能量都會有一個持續(xù)上升或波動上升的過程，在能量上升到峰值或峰值過后1～3 d內(nèi)沖擊地壓的危險性高。

活動率偏差指數(shù)：在沖擊地壓顯現(xiàn)前活動率偏差指數(shù)表現(xiàn)為持續(xù)高值或由低值轉(zhuǎn)為0值以上且有繼續(xù)上升的趨勢，這表明危險性高。

巖體破裂速率指數(shù)：巖體破裂速率指數(shù)由高速破裂轉(zhuǎn)為低速破裂時危險性高。

頂?shù)装鍝p傷深度指數(shù)：0線上、下代表破裂帶發(fā)生在頂板、底板。沖擊地壓顯現(xiàn)大多發(fā)生在底板損傷過程中，因此在頂?shù)装鍝p傷深度指數(shù)在0線以下的時候危險性高。

3 結(jié)論

(1)“震動頻次”指標(biāo)作為第一監(jiān)測指標(biāo)，如果“震動頻次”指標(biāo)異常，應(yīng)及時采取鉆屑進(jìn)行驗(yàn)證，并做好解危卸壓工作。

(2)“震動能量、活動率偏差指數(shù)、巖體破裂速率指數(shù)、頂?shù)装鍝p傷深度指數(shù)”4項(xiàng)指標(biāo)中3項(xiàng)指標(biāo)出現(xiàn)異常，應(yīng)及時采取鉆屑進(jìn)行驗(yàn)證，并做好解危卸壓工作。

(3)“震動頻次”異常，且“震動能量、活動率偏差指數(shù)、巖體破裂速率指數(shù)、頂?shù)装鍝p傷深度指數(shù)”4項(xiàng)指標(biāo)中2項(xiàng)指標(biāo)出現(xiàn)異常，應(yīng)做好預(yù)警工作，并做好解危卸壓工作。