齊慶新,李海濤,李曉鵬

(1.煤炭科學(xué)研究總院 深部開采與沖擊地壓防治研究院,北京 100013; 2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實驗室，北京 100013)

0 引 言

沖擊地壓已然成為威脅煤礦安全生產(chǎn)最為主要的動力災(zāi)害，其本質(zhì)是大量彈性變形能的劇烈釋放，作為工程科學(xué)問題，實現(xiàn)對其科學(xué)有效的防控是開展相關(guān)研究的最終目的，而沖擊危險性評價則是將沖擊地壓能量本質(zhì)具象化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其包含的沖擊危險區(qū)域識別和沖擊危險等級劃分等內(nèi)容，對于防控措施科學(xué)設(shè)計和有效實施都具有無可替代的支撐作用。然而，能量本身具有較高的抽象程度，在現(xiàn)有條件下尚不具備原位直接測量的手段，根據(jù)煤巖類介質(zhì)的本構(gòu)可知，變形能由介質(zhì)自身屬性及應(yīng)力、應(yīng)變決定，其中，應(yīng)變雖然可測，但作為因變量，受制于介質(zhì)屬性和應(yīng)力，而連續(xù)、全面的介質(zhì)屬性原位探測/監(jiān)測，目前仍然有較多技術(shù)問題有待攻關(guān)[1-3]，在應(yīng)用中，通常將既定現(xiàn)場的介質(zhì)屬性作為常量對待[4-5]。相比而言，應(yīng)力作為與開采活動直接相關(guān)的物理量，是在既定的介質(zhì)屬性條件下，引起變形能積聚的直接原因，與變形能具有更為顯著的相關(guān)性。然而，與瓦斯、水等可以直接測量的具體物質(zhì)相比，應(yīng)力在現(xiàn)場條件下通常需要借助鉆屑量、波速等物理量進(jìn)行間接反算或表征，同時，應(yīng)力作為連續(xù)分布于整個采掘空間內(nèi)的物理量，現(xiàn)有測試手段尚無法實現(xiàn)充分覆蓋，需要借助插值算法等完成連續(xù)應(yīng)力場的反演[6-8]。而通過間接計算獲得的應(yīng)力數(shù)據(jù)，由于無法驗證，其可靠性將存在一定的局限，因此，單純基于應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行沖擊危險性評價，其可靠性將較為有限。

為此，需要繼續(xù)追溯造成應(yīng)力變化的根源。近年來已逐漸形成共識，即靜態(tài)的地質(zhì)賦存條件以及動態(tài)的開采過程共同造成了采掘空間應(yīng)力狀態(tài)的變化：前者奠定礦井的基礎(chǔ)應(yīng)力環(huán)境，后者在此基礎(chǔ)上為災(zāi)害的發(fā)生提供直接力源[9-10]。以量化的地質(zhì)構(gòu)造和開采參數(shù)為依據(jù)進(jìn)行沖擊危險性評價的思想也體現(xiàn)在了目前使用最多的綜合指數(shù)法中[11-14]，類似研究還包括數(shù)量化理論[15]、綜合描述指標(biāo)設(shè)計[16-17]等。

綜上，對于沖擊危險性評價，目前基本形成了以應(yīng)力為核心參量，兼顧地質(zhì)賦存、開采參數(shù)影響的基本架構(gòu)。但值得注意的是，現(xiàn)有沖擊危險性評價方法，對于應(yīng)力連續(xù)分布于整個采掘空間、受多種因素耦合影響等關(guān)鍵特征的描述仍不充分，導(dǎo)致評價指標(biāo)關(guān)聯(lián)性不足、多因素融合缺乏依據(jù)等問題的出現(xiàn)，進(jìn)而制約著沖擊危險性評價向著客觀充分、科學(xué)量化的方向發(fā)展。

筆者在上述背景之下，重新明確了沖擊危險性評價的相關(guān)概念，以回歸沖擊危險性評價根本目的為原則，提出現(xiàn)有沖擊危險性評價方法亟待改進(jìn)的方向，重新給出了沖擊危險性評價應(yīng)作為一項系統(tǒng)工作貫穿于礦井全生命周期的定位，對沖擊危險定性和定量評價的潛在方法進(jìn)行了探討和應(yīng)用，為后續(xù)具體攻關(guān)方向的明確提供了有效支撐。

1 沖擊危險性評價的基本特點(diǎn)

1.1 沖擊危險性與相近概念的區(qū)別

巖爆危險性與沖擊危險性的區(qū)別。巖爆概念多在隧道等巖土工程中提及，以開挖卸荷為主要誘發(fā)機(jī)制，包含應(yīng)變型巖爆和滑移型巖爆[18]，其造成破壞的主體介質(zhì)為巖石；沖擊地壓則隸屬于煤礦領(lǐng)域，除卸荷外，煤礦回采作業(yè)所產(chǎn)生的系列化擾動，是區(qū)別于巖爆且更為主要的誘發(fā)源頭，其類型包括煤層材料失穩(wěn)、煤層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、頂板斷裂、斷層滑移等，造成破壞的主體介質(zhì)為煤。二者本質(zhì)均為鄰空工作面大量彈性能的劇烈釋放，各自的危險性也都集中在彈性能的衡量上，這也使得部分成果仍將二者作為同一概念使用，但考慮到二者主要發(fā)生場景和形成機(jī)制的確存在區(qū)別，并且國家監(jiān)管層針對沖擊地壓已給出明確概念，將二者混為一談或繼續(xù)爭論二者的包含關(guān)系已無必要，故倡議將巖爆及其相關(guān)概念劃定于巖石隧道工程中，而將沖擊地壓及其相關(guān)概念劃定于煤礦工程中。

沖擊傾向性和沖擊危險性。沖擊傾向性的定義：煤巖體具有積聚變形能并產(chǎn)生沖擊破壞的性質(zhì)；沖擊危險性的定義：煤巖體發(fā)生沖擊地壓的危害程度或危險程度[19-20]。沖擊傾向性側(cè)重于描述介質(zhì)自身的固有屬性，而沖擊危險性則是系統(tǒng)考慮介質(zhì)屬性、地質(zhì)構(gòu)造、開采條件等因素后得出的綜合性結(jié)論[21]，即沖擊傾向性屬于沖擊危險性評價中的一環(huán)。與此對應(yīng)，沖擊傾向性可通過室內(nèi)試驗測定，而對于沖擊危險性，嚴(yán)格意義上則應(yīng)當(dāng)綜合礦井動、靜態(tài)信息，并考慮各類信息間耦合聯(lián)動作用后方可獲得，但由于目前沖擊地壓機(jī)理層面仍有較多未解難題，在實際操作中，多通過綜合指數(shù)法、可能性指數(shù)法獲得。

沖擊危險性評估和沖擊危險性評價。二者均指向沖擊危險性的獲得，但面向的沖擊地壓防控階段不同：評估工作主要在礦區(qū)總體規(guī)劃、可行性研究及初步設(shè)計階段開展，以煤層未開采、無法獲得直接支撐數(shù)據(jù)為特點(diǎn)，其結(jié)論通常是趨勢性的；評價工作主要是在礦井建設(shè)或正常開采期間開展，以能夠獲得直接的支撐數(shù)據(jù)為特點(diǎn)，需要基于實測給出明確結(jié)論。

1.2 沖擊危險性評價的多尺度屬性

由于應(yīng)力連續(xù)分布于采掘空間的特征，沖擊危險性的描述對象天然具有多尺度的屬性?，F(xiàn)行《防治煤礦沖擊地壓細(xì)則》(以下簡稱“細(xì)則”)中，涉及沖擊危險性評價的尺度包括礦井、水平、煤層、采(盤)區(qū)、工作面、巷道及硐室，其中，礦井、煤層、采區(qū)及工作面的沖擊危險性必須進(jìn)行評價。對于評價結(jié)論，則主要包括沖擊危險區(qū)域劃分及對應(yīng)區(qū)域的危險等級確定。對于后者，細(xì)則中明確給出了無、弱、中、強(qiáng)的劃分，而對于沖擊危險區(qū)域，則由于較多基本問題尚未解決，并未在細(xì)則中給出具體方法或要求。

沖擊危險性評價的結(jié)論，對于監(jiān)管監(jiān)察和礦井生產(chǎn)都應(yīng)當(dāng)具有指導(dǎo)作用，且不同尺度的沖擊危險性評價結(jié)果，在實現(xiàn)各自功能定位的前提下應(yīng)當(dāng)相互兼容、逐級支撐：

1)礦井整體尺度。該尺度同時包括沖擊危險性的評估和評價，評估工作開展于礦井總體設(shè)計階段，主要以周邊礦井、地質(zhì)普查或詳查信息等為依據(jù)，需要定性給出礦井整體的危險等級及主控因素，給出沖擊地壓礦井類型[22]；評價工作則以煤層、工作面等評價結(jié)果為基礎(chǔ)進(jìn)行反向融合，給出礦井或更大尺度下沖擊地壓的綜合風(fēng)險，以指導(dǎo)不同層級的監(jiān)管、監(jiān)察工作。

2)區(qū)域尺度。該尺度主要包括煤層及采區(qū)的沖擊危險性的評價，開展于礦井建設(shè)初步設(shè)計階段，以煤層揭露、地應(yīng)力測試和礦井地質(zhì)精查信息為依據(jù)，需要給出依附于對應(yīng)煤層的沖擊危險區(qū)域劃分及其等級，用于在初步設(shè)計中以低應(yīng)力開采為原則，為采區(qū)劃分、工作面布置等細(xì)節(jié)提供支撐，為后續(xù)生產(chǎn)奠定良好的基礎(chǔ)應(yīng)力環(huán)境。

3)局部尺度。該尺度主要包括工作面、巷道及硐室的沖擊危險性評價，是沖擊危險性評價工作的基礎(chǔ)單元，為實際生產(chǎn)前相關(guān)措施的設(shè)計和執(zhí)行提供最為具體和直接的支撐，需要給出具體的沖擊危險區(qū)域及其等級，且在該尺度需要考慮沖擊危險性的動態(tài)演化特征，即監(jiān)測、預(yù)警。

2 沖擊危險性評價存在的問題

沖擊危險性評價作為沖擊地壓防控的直接支撐，其重要性是不言而喻的，但與沖擊地壓影響要素的多樣性和發(fā)生機(jī)制的復(fù)雜性相比，現(xiàn)有沖擊危險性評價仍存在以下問題。

1)評價指標(biāo)間的相關(guān)性體現(xiàn)不充分。理論上能夠?qū)?yīng)力產(chǎn)生影響的要素均應(yīng)列入沖擊危險性評價的范疇，而相關(guān)成果也多關(guān)注于評價指標(biāo)的擴(kuò)充上，但沖擊地壓作為一個統(tǒng)一的物理過程，簡單的羅列及權(quán)重加和顯然無法充分描述各要素之間的相互作用，如評價煤柱寬度是否具有危險性，應(yīng)同時考慮其與埋深、煤層厚度等因素的關(guān)系，采掘環(huán)境不同，煤柱的臨界危險尺寸也應(yīng)不同，退一步而言，即使為方便執(zhí)行采用絕對值進(jìn)行等級劃分，但對應(yīng)劃分標(biāo)準(zhǔn)在基礎(chǔ)研究或統(tǒng)計數(shù)據(jù)方面仍缺乏可靠支撐。將指標(biāo)間的物理邏輯反映至評價工作中是目前沖擊危險性評價工作面臨的主要挑戰(zhàn)。

2)沖擊危險區(qū)域劃分偏主觀。危險區(qū)域劃分作為沖擊危險性評價中的核心內(nèi)容，現(xiàn)有評價方法中卻少有提及，在評價具體要素時，雖涉及距離、厚度等空間概念，但映射至結(jié)論中通常僅為與危險級別相關(guān)的數(shù)值，無法對危險區(qū)域劃分形成支撐，執(zhí)行過程中，危險區(qū)域范圍通常由分析人員主觀劃定。該問題的解決勢必需要以沖擊危險性的量化表征為前提，目前有成果通過微震、地應(yīng)力、地表沉陷等監(jiān)測手段，在該方向做出了有益的探索，但由于監(jiān)測數(shù)據(jù)與具體物理過程的對應(yīng)性尚不清楚，致使在多要素融合時缺乏足夠的支撐，進(jìn)而制約著量化評價準(zhǔn)確性的提高。

3)對于多要素和大數(shù)據(jù)的兼容性有限。目前主流的綜合指數(shù)法包含了7項地質(zhì)因素和11項開采因素，在定性指導(dǎo)生產(chǎn)中，該方法能夠起到必要的支撐作用，但由于涉及要素的確有限，不僅在描述沖擊地壓復(fù)雜性方面捉襟見肘，在進(jìn)行多尺度危險性評價時，通常也會由于可用指標(biāo)有限而不得已重復(fù)使用，進(jìn)而失去了多尺度評價的意義，同時，隨著礦井“數(shù)字化”趨勢的明確，能夠為危險性評價提供的數(shù)據(jù)類型和數(shù)量也愈發(fā)充分，若仍局限于有限要素的簡單評價，對于上述優(yōu)勢無疑是種浪費(fèi)，大數(shù)據(jù)技術(shù)、智能化算法的引入將不可避免。

4)對于評價的認(rèn)知脫離本源趨于刻板化。行業(yè)對于沖擊危險性評價的重視程度極高，但由于上述基本問題的存在，實現(xiàn)沖擊危險性評價指導(dǎo)實際生產(chǎn)的功能仍有難度，而客觀需求的存在，使得沖擊危險性評價工作不斷訴諸于簡單易操作的綜合指數(shù)法、可能性指數(shù)法等，以至于該類方法已表現(xiàn)出了等價于沖擊危險性評價的趨勢，相關(guān)評價工作也趨于程序化，指導(dǎo)實際生產(chǎn)的原本定位則被弱化。沖擊危險性評價報告不等于沖擊危險性評價，應(yīng)將其作為日常工作貫穿于礦井全生命周期，除基于構(gòu)造、開采等靜態(tài)信息進(jìn)行采前評價外，開采過程中的動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)也應(yīng)當(dāng)納入沖擊危險性評價工作中，以保證對于礦井全維度信息和邏輯的覆蓋，回歸其獲取采掘空間具體區(qū)域危險程度的根本任務(wù)。

3 沖擊危險性的定性評價

沖擊危險性的充分獲取以可靠的基礎(chǔ)研究和充分的科學(xué)數(shù)據(jù)為前提，需要借助專門的工具或平臺實現(xiàn)，然而，在實際生產(chǎn)過程中通常存在臨時判斷和決策的情況，為此，提出了對于沖擊危險性定性評價的需求。

定性評價以不進(jìn)行大量復(fù)雜計算為特征，但對于要素和信息則要求盡可能全面?，F(xiàn)有沖擊危險性定性評價方法主要包括工程類比、多因素疊加等，該類方法主要考察敏感要素的齊備性，如多因素疊加法，依據(jù)綜合指數(shù)法中各要素在具體區(qū)域的賦存情況，多個要素疊加時，采用累積升級的原則，定性給出要素的危險等級和影響范圍。

但正如前文所述，沖擊地壓作為受多種因素共同影響的物理過程，定性評價時除要求“要素齊備”外，各要素還應(yīng)滿足必要的邏輯才會導(dǎo)致沖擊地壓的發(fā)生，現(xiàn)有方法多關(guān)注“要素齊備”，對于“邏輯齊備”則關(guān)注不足。筆者將影響沖擊地壓的因素劃分為3類，即物性因素、力源因素以及結(jié)構(gòu)因素，并以此為基礎(chǔ)，闡述了三類因素相互作用并形成沖擊地壓的基本邏輯，提出廣義“三因素”理論[1]，并以此作為沖擊危險定性分析的依據(jù)。

其中，物性因素指細(xì)觀尺度范圍內(nèi)，能夠在介質(zhì)基本物理力學(xué)屬性方面帶來差異且難以改變的相關(guān)要素，如基本物質(zhì)種類、位錯結(jié)構(gòu)、組分分布等；力源因素指依據(jù)具體作用機(jī)制，造成介質(zhì)出現(xiàn)變形、破壞等系列力學(xué)行為，且具有實際物質(zhì)基礎(chǔ)的相關(guān)要素，如巖層懸頂后通過重力作用于煤體，開采卸荷導(dǎo)致重分布后的應(yīng)力集中，堅硬頂板破斷對采掘空間形成的擾動等；結(jié)構(gòu)因素指天然或人為形成，能夠破壞介質(zhì)均勻性、連續(xù)性的相關(guān)要素及其組成的空間體系，如煤巖介質(zhì)內(nèi)的裂隙-結(jié)構(gòu)面體系、地質(zhì)構(gòu)造、采掘活動形成的煤柱及井巷空間等。

對于沖擊地壓，其作為動力災(zāi)害應(yīng)滿足以下基本邏輯：①必然存在持續(xù)的能量補(bǔ)給源頭；②必然需要依賴于介質(zhì)的某些屬性以保證能量形式為彈性變形能；③必然存在某種制約機(jī)制以保證彈性能積聚至失穩(wěn)致災(zāi)的量級；④制約機(jī)制必然會在特定條件下失效以形成大量彈性能的突然釋放。在廣義“三因素”機(jī)理中，物性因素是最根本的基礎(chǔ)，為后續(xù)一切力學(xué)行為提供底層支撐；力源因素是動力災(zāi)害發(fā)生的根本動力，其狀態(tài)則是評價危險性的主要依據(jù)，兼具源頭和結(jié)果的屬性；結(jié)構(gòu)因素是孕育和控制動力災(zāi)害的關(guān)鍵所在，能夠為彈性能大量有效積聚提供制約機(jī)制[23]，而制約機(jī)制失效是動力災(zāi)害發(fā)生的直接原因。各因素的邏輯關(guān)系如圖1所示。

圖1 “三因素”邏輯關(guān)系Fig.1 “Three factors”logical relationship

在具體工況下，首先以地質(zhì)資料、開采狀況作為依據(jù)，判斷三種要素的齊備性和量級水平，而后根據(jù)“三因素”的邏輯關(guān)系，重點(diǎn)判斷物性要素的蓄能潛力、力源要素的持續(xù)性和結(jié)構(gòu)要素的制約能力，若三種要素和對應(yīng)邏輯均齊備，則應(yīng)當(dāng)作為重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域采取相應(yīng)措施。

4 沖擊危險性的定量評價

4.1 沖擊危險性定量評價基本類型

沖擊危險性的定量評價是實現(xiàn)沖擊地壓最終有效防控的直接支撐。目前技術(shù)條件下的定量評價可歸納為2類。

1)以地質(zhì)構(gòu)造、開采因素等非數(shù)值信息為基礎(chǔ)，借助數(shù)量化理論、多元統(tǒng)計分析等手段，完成各類要素的數(shù)值化和綜合分析，主要面向采前靜態(tài)沖擊危險性的獲取，如綜合指數(shù)法等，但受限于探測手段，目前準(zhǔn)確的礦井地質(zhì)賦存情況仍無法充分獲取并量化，進(jìn)而使得在其影響下的開采因素力學(xué)效應(yīng)亦未能被合理描述，由此造成該類方法在描述具體要素危險性時主觀判定的影響仍然較大，使得該類方法更像是沖擊危險性向數(shù)值的簡單轉(zhuǎn)換。

2)以微震、地應(yīng)力等數(shù)據(jù)化信息為基礎(chǔ)，基于1種或幾種監(jiān)測數(shù)據(jù)的演化特征進(jìn)行預(yù)警，主要面向采中動態(tài)沖擊危險性的跟蹤[24,25]，如沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警平臺等，不同類型監(jiān)測數(shù)據(jù)都是對具體應(yīng)力環(huán)境的間接描述，換言之，該類數(shù)據(jù)具有相同的本質(zhì)，具備融合的基本前提，這也是目前沖擊危險性量化評價的主要攻關(guān)方向，但該方法的核心問題在于數(shù)據(jù)質(zhì)量難以保證，同時，現(xiàn)有數(shù)據(jù)融合多試圖將不同尺度的各類型數(shù)據(jù)全部吸收，對于不同類型數(shù)據(jù)在覆蓋尺度、物理內(nèi)涵等方面的差異則選擇了忽略，然而，這些差異本身也是信息，如此不加區(qū)別的融合對于數(shù)據(jù)反而是種浪費(fèi)。

真正意義上的沖擊危險性定量評價，很大程度上依賴于礦井的數(shù)字化，而數(shù)字化則需要沖擊地壓基礎(chǔ)理論和探測手段的全方位提升，二者將分別從物理邏輯和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)方面實現(xiàn)對于礦井?dāng)?shù)字化的支撐，進(jìn)而強(qiáng)化沖擊危險性量化評價的可靠性。但這也并非意味著目前對于沖擊地壓的定量評價只能等待基礎(chǔ)理論或探測手段的突破，其對于防控之所以重要，主要因為沖擊危險性定量評價能夠基于數(shù)據(jù)反映出礦井的差異性，是實現(xiàn)“一礦一策”防控要求的基本條件，與之對應(yīng)的核心特征可描述為：以礦井自身數(shù)據(jù)，指導(dǎo)礦井自身生產(chǎn)。對于第1類定量評價，基礎(chǔ)理論和探測手段對其數(shù)字化有著無法回避的根本性制約，而對于第2類定量評價，雖然在數(shù)據(jù)質(zhì)量提升方面存在類似的問題，但由于天然具有數(shù)字化的優(yōu)勢，結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)描述應(yīng)力環(huán)境的本質(zhì)，完全有條件基于純數(shù)據(jù)在定量評價方面做出提升，以此弱化主觀判定影響，發(fā)揮數(shù)據(jù)本身價值。

4.2 沖擊危險性定量評價的改進(jìn)

為此，針對第2類定量評價存在的問題，以監(jiān)測數(shù)據(jù)在覆蓋尺度上的差異為切入點(diǎn)，將微震作為區(qū)域性覆蓋手段單獨(dú)劃分一類，挖掘每日微震頻次這一可靠度最高的指標(biāo)，而將應(yīng)力、電磁輻射等監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過層次分析法與微震評價結(jié)果進(jìn)行融合，并將融合結(jié)果僅表征在其覆蓋的局部區(qū)域，以此在沖擊危險性定量評價方面做出一定探索。

針對微震每日頻次的純數(shù)據(jù)挖掘，采用統(tǒng)計的方法進(jìn)行危險等級劃分，其主要依據(jù)在于：對于某一系統(tǒng)，其處于正常狀態(tài)的時間將占其總運(yùn)行時間的絕大部分，統(tǒng)計與系統(tǒng)運(yùn)行具有因果關(guān)系的某指標(biāo)數(shù)值頻次，其占比最多的數(shù)值范圍即為描述該系統(tǒng)正常狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)范圍。在該理念下，采用統(tǒng)計學(xué)中所統(tǒng)計的數(shù)值頻次分布特征通過偏態(tài)描述，主要分布形式如圖2所示。

圖2 危險等級劃分示意Fig.2 Schematic of hazard classification

在進(jìn)行具體數(shù)值危險等級劃分時，以眾數(shù)(頻次出現(xiàn)最多的值)為等級劃分起始點(diǎn)，認(rèn)為當(dāng)該指標(biāo)的新數(shù)值偏離正常區(qū)間較多時，系統(tǒng)出現(xiàn)異常，依據(jù)偏離程度的大小實現(xiàn)對于危險等級的劃分，定義異常系數(shù)ξ描述具體數(shù)值m偏離眾數(shù)M的程度，同時為使得異常系數(shù)能夠反映出造成異常的原因，不采用絕對值表示而保留其正負(fù)號，其計算方法如下

ξ=[(m-M)/M]×100%

(1)

其具體危險等級劃分標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 危險等級劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Classification standard of hazard level

目前事件定位、能量級別等指標(biāo)的計算精度，依賴于算法的可靠性，仍然有較大的優(yōu)化空間，但微震頻次卻只依賴于事件的“有”和“無”，其可靠性反而優(yōu)于其他指標(biāo)，為此，以每日微震頻次作為輸入量，考察其顯現(xiàn)特征，除具有劃定預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)的功能外，偏態(tài)的突然轉(zhuǎn)變，一定程度上也能夠反映危險性的增加。該方法對于其他可靠性較高的離散型數(shù)據(jù)同樣適用。

對于應(yīng)力、電磁輻射等局部監(jiān)測手段，主要發(fā)揮其局部覆蓋的特征，支撐對于沖擊危險區(qū)域的具體劃分，不強(qiáng)行融合至工作面的整體危險性評價中。該方法的確定主要基于長期的現(xiàn)場觀察：多數(shù)沖擊地壓礦井均配有多種監(jiān)測手段，且在局部區(qū)域內(nèi)通常安裝有多種傳感器，因此，對于局部區(qū)域而言，雖然單一傳感器的數(shù)據(jù)量有限，但可通過數(shù)據(jù)類別的增加彌補(bǔ)單一數(shù)據(jù)量的不足，實現(xiàn)對局部區(qū)域的可靠評價。

基于傳感器的具體布置方式，以覆蓋工作面為前提，在保證每個局部區(qū)域內(nèi)包含3個以上數(shù)據(jù)源(建議優(yōu)先采用不同類型的數(shù)據(jù)源)的前提下，依據(jù)測點(diǎn)位置對工作面進(jìn)行劃分，如圖3所示。

對于監(jiān)測手段的集成，則應(yīng)當(dāng)以“一孔多用”等為原則，在保證各監(jiān)測手段有效性的前提下，實現(xiàn)監(jiān)測手段對于空間占用的最小化，對于數(shù)據(jù)融合算法，則可利用層次分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、貝葉斯估計等成熟算法實現(xiàn)，此處不再贅述。

需要強(qiáng)調(diào)的是，沖擊危險性定量評價并不意味著方法或指標(biāo)的復(fù)雜化，因沖擊地壓以現(xiàn)場有效防控為目的，合適的操作門檻也應(yīng)列入量化評價的考量之中，只要滿足以礦井自身數(shù)據(jù)，指導(dǎo)礦井自身生產(chǎn)的特征，即可納入定量評價的范疇。上述方法依賴于原始數(shù)據(jù)，在基礎(chǔ)理論或者探測手段取得突破的情況下仍然適用，且易于現(xiàn)場操作，如能夠設(shè)計綜合描述能力更好的指標(biāo)，其效果將進(jìn)一步提升。

圖3 局部區(qū)域劃分示意Fig.3 Schematic of local area division

此外，基于現(xiàn)場監(jiān)測完成的沖擊危險性評價固然能夠保證結(jié)果的真實性，但由于探測手段短期內(nèi)確實無法實現(xiàn)全空間覆蓋，因此，隨著我國對自主計算機(jī)輔助工程技術(shù)的再次重視，將具有可靠物理邏輯的數(shù)值運(yùn)算也列入沖擊危險性的定量評價手段之中是十分必要的。

5 沖擊危險性評價工程實例分析

5.1 定性分析實例

對于定性分析，通過事故案例敘述其使用方法及定位。山東某沖擊地壓煤礦，在其綜放工作面終采線外180～310 m的三岔口發(fā)生了一起底板沖擊地壓事故，造成2人死亡，事故地點(diǎn)埋深超1 000 m，且發(fā)生前1天附近工作面已停采，無明顯擾動。該次事故特征包括：①無明顯擾動，說明造成事故的主體能量來源于煤體自身的積聚，而不是外部動載；②沒有微震前兆，說明事故前煤體內(nèi)沒有明顯的破裂行為發(fā)生，即煤體正在以較為完整的狀態(tài)持續(xù)積聚彈性能；③事故能量釋放量極大，結(jié)合前兩點(diǎn)，說明單純在外部靜載作用下，煤體即以較為完整的狀態(tài)產(chǎn)生了較大的變形，以致內(nèi)部彈性能積聚到危險的致災(zāi)量級，同時，可以注意到事故發(fā)生區(qū)域的煤體，已經(jīng)被多條巷道切割為四面獨(dú)立的菱形孤島結(jié)構(gòu)，由此進(jìn)一步增加了煤體內(nèi)能量積聚的量級。

基于定性分析的方法：礦井煤層具有強(qiáng)沖擊傾向性，為彈性能大量積聚提供了可靠的物性因素；事故地點(diǎn)埋深超過1 000 m，且礦井?dāng)鄬舆_(dá)500條以上，分布極為密集，由此為彈性能的積聚提供了持續(xù)且水平較高的力源因素；事故地點(diǎn)煤體被多條巷道切割為四面獨(dú)立的菱形孤島結(jié)構(gòu)，形成了對于彈性能積聚有效制約的結(jié)構(gòu)因素，同時，大埋深下煤體蠕變破壞為制約機(jī)制的失效提供了路徑。

綜上，事故地點(diǎn)符合定性評價中“要素齊備”和“邏輯齊備”的標(biāo)準(zhǔn)，理應(yīng)進(jìn)行深度的卸壓解危，但慣性思維認(rèn)為，沖擊地壓通常發(fā)生于具備明顯擾動的區(qū)域，故并未開展對應(yīng)的防控工作，進(jìn)而導(dǎo)致了事故的發(fā)生。

5.2 定量分析實例

大安山煤礦位于京西山區(qū)之中，其地質(zhì)構(gòu)造極為復(fù)雜，與之對應(yīng)的是同樣復(fù)雜的應(yīng)力環(huán)境，礦井對沖擊地壓防控高度重視，配備了較為全面的監(jiān)測設(shè)備，包括微震、鉆孔應(yīng)力計、電磁輻射等。

對于具備區(qū)域覆蓋能力的微震監(jiān)測，統(tǒng)計分析2018年9月1日至10月31日的每日微震事件頻次，統(tǒng)計結(jié)果如圖4所示，區(qū)間為左閉右開。

圖4 每日微震頻次統(tǒng)計Fig.4 Daily micro-seismic frequency statistics

由圖4可得，該周期內(nèi)每日出現(xiàn)5～10次微震事件的情況最為頻繁，因此，將其定為預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)，遠(yuǎn)離該區(qū)間過多，無論低于或是高于，均按照預(yù)警處理。

對于具備局部覆蓋能力的應(yīng)力、電磁輻射監(jiān)測，則基于傳感器分布完成了局部區(qū)域劃分，同時，由于數(shù)據(jù)融合涉及大量運(yùn)算，采用層次分析法對數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，并通過將不同局部區(qū)域的融合結(jié)果歸一化，完成了工作面各局部區(qū)域相對危險等級的劃分。

在上述沖擊危險性定量評價方法的支撐下，配合防控解危措施的執(zhí)行到位，大安山煤礦已于2018年平安退出。

6 結(jié) 論

1)沖擊危險性評價是將沖擊地壓抽象的能量本質(zhì)具象化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其包含沖擊危險區(qū)域識別和沖擊危險等級劃分等內(nèi)容，其與巖爆危險性、沖擊傾向性鑒定、沖擊危險性評估的概念是不同的，應(yīng)力是描述沖擊危險性的關(guān)鍵物理量。

2)沖擊危險性評價天然具有多尺度屬性，主要包括礦井整體尺度、區(qū)域尺度和局部尺度，各尺度對應(yīng)的功能定位和實現(xiàn)方法存在差異，且各級結(jié)果應(yīng)相互兼容、逐級支撐。

3)沖擊危險性評價目前存在評價指標(biāo)間的相關(guān)性體現(xiàn)不充分，沖擊危險區(qū)域劃分偏主觀，對多要素和大數(shù)據(jù)的兼容性有限，對評價的認(rèn)知脫離本源趨于刻板化的問題，其根源在于基礎(chǔ)理論的不完善。

4)對于沖擊危險性的定性評價給出了沖擊地壓廣義“三因素”機(jī)理予以支撐，并提出同時滿足“要素齊備”和“邏輯齊備”是完成沖擊危險定性評價的標(biāo)準(zhǔn)。

5)針對沖擊危險性定量評價進(jìn)行了類型劃分，指出真正意義上的定量評價需要依賴于礦井?dāng)?shù)字化，而數(shù)字化需要借助沖擊地壓基礎(chǔ)理論和探測手段的全方位提升，提出以礦井自身數(shù)據(jù)，指導(dǎo)礦井自身生產(chǎn)作為沖擊危險性定量評價的標(biāo)準(zhǔn)，并給出了探索性的定量評價改進(jìn)方法。