竇林名 周坤友 宋士康 曹安業(yè) 崔 恒 鞏思園 馬小濤

(①中國(guó)礦業(yè)大學(xué)深部煤炭資源開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 徐州 221116， 中國(guó)) (②中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院， 徐州 221116， 中國(guó)) (③陜西正通煤業(yè)有限責(zé)任公司， 咸陽(yáng) 712000， 中國(guó)) (④淄博礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司， 淄博 255000， 中國(guó))

0 引 言

由于長(zhǎng)期高強(qiáng)度開發(fā)，我國(guó)煤炭資源開采逐漸向西部地區(qū)和深部轉(zhuǎn)移。研究表明，深部開采不單指深度的增加，更是一種圍巖力學(xué)狀態(tài)的改變(謝和平等， 2015a)。圖 1為統(tǒng)計(jì)的我國(guó)煤炭開采深度與沖擊礦壓礦井?dāng)?shù)量的關(guān)系，可知，隨著應(yīng)力環(huán)境的惡化，深部煤炭開采過(guò)程中沖擊礦壓礦井?dāng)?shù)量大幅增加(竇林名等， 2001； 謝和平等， 2015a，2015b； 藍(lán)航等， 2016； 齊慶新等， 2019)。近年來(lái)，深部沖擊災(zāi)害頻發(fā)，造成嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，如2017年11月，遼寧紅陽(yáng)三礦沖擊地壓事故(開采深度約1082m)，造成10人死亡； 2018年10月，山東龍鄆煤礦沖擊地壓事故(開采深度1027～1067m)，造成21人死亡； 2019年6月，吉林龍家堡煤礦沖擊地壓事故(開采深度854～978m)，造成9人死亡； 2019年8月，河北唐山煤礦沖擊地壓事故(開采深度近800m)，造成7人死亡； 2020年2月，山東新巨龍沖擊地壓事故(開采深度近1000m)，造成4人死亡。據(jù)國(guó)家礦山安全監(jiān)察局統(tǒng)計(jì)，目前全國(guó)13個(gè)省(區(qū))正在生產(chǎn)的沖擊地壓礦井共138處(國(guó)家礦山安全監(jiān)察局綜合司， 2021)，我國(guó)主要產(chǎn)煤基地均有沖擊礦壓災(zāi)害發(fā)生，深部煤炭開采沖擊形勢(shì)愈發(fā)嚴(yán)峻。因此，進(jìn)一步加強(qiáng)深部開采沖擊礦壓機(jī)理研究，提出并研發(fā)行之有效的沖擊危險(xiǎn)監(jiān)測(cè)和防控技術(shù)及裝備已刻不容緩。

圖 1 我國(guó)煤炭開采深度與沖擊礦壓礦井?dāng)?shù)量Fig. 1 Coal mining depth and the number of rock burst coal mines in China

在沖擊礦壓方面，國(guó)內(nèi)外眾多專家學(xué)者已做了大量研究。其中：在沖擊機(jī)理方面，相關(guān)學(xué)者分別提出了具有代表性的經(jīng)典沖擊地壓機(jī)理，包括強(qiáng)度理論(Tan，2006)、剛度理論(Cook et al.，1966)、能量理論(鄒德蘊(yùn)等， 2004)、變形失穩(wěn)理論(章夢(mèng)濤， 1987)、沖擊傾向理論(竇林名等， 2006)、“三準(zhǔn)則”理論(李玉生， 1985)、“三因素”理論(齊慶新， 1997)等。近年來(lái)，隨著相關(guān)研究手段及實(shí)驗(yàn)方法的完善，眾多學(xué)者相繼提出利用突變理論(張黎明等， 2009)、損傷斷裂力學(xué)(李學(xué)龍， 2017)、分形理論(賈寶新等， 2015)等方法來(lái)解釋相應(yīng)沖擊機(jī)理。另外，相關(guān)學(xué)者針對(duì)如褶皺區(qū)域(陳國(guó)祥等， 2008)、堅(jiān)硬頂板(姜福興， 2014)、斷層區(qū)域(Cai et al.，2015b)、孤島煤柱區(qū)域(Li et al.，2014)、大傾角煤層(來(lái)興平等， 2017)等具體工程采掘和地質(zhì)賦存條件等也提出了相應(yīng)的沖擊地壓發(fā)生機(jī)理。

在沖擊礦壓危險(xiǎn)早期預(yù)測(cè)方面，主要方法有綜合指數(shù)法(竇林名等， 2013)、多因數(shù)耦合分析法(牟宗龍等， 2015)、應(yīng)力集中評(píng)價(jià)法(蔡武等， 2021)及數(shù)值模擬(郭曉菲等， 2021)等。在沖擊監(jiān)測(cè)預(yù)警方面，主要方法有鉆屑(Gu et al.，2012)、應(yīng)力測(cè)量(劉金海等， 2014)、微震監(jiān)測(cè)(姜福興等， 2006)、電磁輻射(Wang et al.，2011)、地音法(竇林名等， 2000)、聲發(fā)射監(jiān)測(cè)(賀虎等， 2011)等。在此基礎(chǔ)上，相關(guān)學(xué)者也將多種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)綜合分析，進(jìn)行沖擊危險(xiǎn)多參量監(jiān)測(cè)預(yù)警。微震監(jiān)測(cè)方法作為一種連續(xù)、無(wú)損、區(qū)域性監(jiān)測(cè)方法得到廣泛應(yīng)用，在覆巖運(yùn)動(dòng)研究、沖擊危險(xiǎn)時(shí)空預(yù)警方面發(fā)揮了重要作用。近年來(lái)，相關(guān)學(xué)者對(duì)微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘，相繼提出了b值、A(b)等沖擊危險(xiǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)并建立預(yù)警方法(夏永學(xué)等， 2010)； 另外，還將層析成像技術(shù)與微震監(jiān)測(cè)相結(jié)合研發(fā)了震動(dòng)波層析成像技術(shù)及裝備(竇林名等， 2014)，利用礦震波形反演采掘區(qū)域波速場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布特征，實(shí)現(xiàn)了沖擊危險(xiǎn)空間可視化探測(cè)。

在沖擊礦壓防治技術(shù)方面，形成了區(qū)域防范和局部解危相結(jié)合的防治體系。區(qū)域防范措施主要有優(yōu)化開拓布局及具有條件的可優(yōu)先開采保護(hù)層(國(guó)家煤礦安監(jiān)局， 2018)； 局部卸壓解危主要有鉆孔卸壓(張宏偉等， 2017)、煤體注水(張兆民等， 2021)、煤體爆破、頂板預(yù)裂爆破(薛成春等， 2021)、水壓致裂(高亮等， 2020)等。另外，相關(guān)學(xué)者對(duì)這些方法卸壓解危效果也給出了相應(yīng)的理論解釋并進(jìn)行相關(guān)參數(shù)優(yōu)化(Chu et al.，2011； Lu et al.，2015； 李云鵬等， 2018)。目前，這些方法已在大多數(shù)礦井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)踐，在降低沖擊危險(xiǎn)、保證安全生產(chǎn)方面起到重要作用。

沖擊礦壓是世界性難題，沖擊礦壓發(fā)生影響因素較多，目前，沖擊機(jī)理以及監(jiān)測(cè)預(yù)警手段大多考慮單一因素，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施的相關(guān)卸壓解危措施的作用機(jī)理仍有待解釋。近年來(lái)，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)沖擊礦壓研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)長(zhǎng)期理論研究、試驗(yàn)研究及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐在沖擊礦壓機(jī)理、監(jiān)測(cè)預(yù)警和防治方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，攻克了沖擊礦壓防治的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)難題，形成了“一個(gè)理論、三種原理、八項(xiàng)技術(shù)，一個(gè)云平臺(tái)”的沖擊礦壓監(jiān)測(cè)預(yù)警與防治技術(shù)裝備體系，如圖 2所示。

圖 2 沖擊礦壓機(jī)理、監(jiān)測(cè)預(yù)警與防治技術(shù)裝備Fig. 2 Rockburst mechanism and the technology and equipment for rockburst monitoring， early warning and prevention

研究成果先后在我國(guó)26個(gè)煤業(yè)集團(tuán)以及孟加拉國(guó)、波蘭、澳大利亞等國(guó)家煤礦成功應(yīng)用，取得了良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。相關(guān)成果編入了《煤礦安全規(guī)程》、《煤礦防治沖擊地壓細(xì)則》等規(guī)程規(guī)范和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。其中綜合指數(shù)法等沖擊危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)技術(shù)、電磁輻射等沖擊危險(xiǎn)監(jiān)測(cè)技術(shù)及定向水力致裂等卸壓解危技術(shù)已在現(xiàn)場(chǎng)得到成熟應(yīng)用，具體方法在其他文獻(xiàn)中有詳細(xì)論述。在此基礎(chǔ)上，本文詳細(xì)論述了團(tuán)隊(duì)在沖擊機(jī)理、監(jiān)測(cè)預(yù)警、沖擊危險(xiǎn)防控方面的最新研究成果，以期為深部沖擊礦壓研究和防治提供借鑒和指導(dǎo)。

1 沖擊礦壓機(jī)理及類型

1.1 動(dòng)靜載疊加誘沖機(jī)理

根據(jù)長(zhǎng)期的理論研究、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，認(rèn)為沖擊礦壓的發(fā)生必須要滿足強(qiáng)度條件(Tan，2006)、能量條件(鄒德蘊(yùn)等， 2004)等條件。即當(dāng)煤巖體所受的應(yīng)力沒(méi)有超過(guò)極限強(qiáng)度時(shí)，沖擊礦壓就不會(huì)發(fā)生； 煤巖系統(tǒng)中雖然積聚能量，但如果能量的耗散速度大于其積聚速度，也不會(huì)發(fā)生沖擊礦壓。

沖擊礦壓是在煤-巖系統(tǒng)所釋放的能量大于其所消耗的能量條件下誘發(fā)的一種動(dòng)力現(xiàn)象(李玉生， 1985； 蘇振國(guó)， 2015)。其能量機(jī)制可用式(1)進(jìn)行描述：

(1)

式中：U為煤-巖系統(tǒng)總能量；UR、UC為圍巖和煤體中積聚的能量；UD為礦震等外部動(dòng)載輸入的能量；Ub為沖擊發(fā)生時(shí)煤巖體消耗的能量。

煤巖體中儲(chǔ)存的能量和礦震能量可用式(2)表示，其中：σs為煤巖體靜載荷；σd為礦震誘發(fā)的動(dòng)載荷。

(2)

而沖擊礦壓發(fā)生是在煤巖體中耗散的最小能量可用式(3)表示，其中：σbmin為沖擊礦壓發(fā)生時(shí)煤巖體所承受的最小載荷。

(3)

因此，沖擊礦壓發(fā)生需滿足式(4)所表述的應(yīng)力條件：

σs+σd≥σb，min

(4)

式(1)～式(4)表明，采掘工程活動(dòng)導(dǎo)致采掘空間圍巖應(yīng)力與能量的重新調(diào)整，當(dāng)圍巖靜載荷(σs)與外部動(dòng)載引起的動(dòng)載荷(σd)疊加超過(guò)煤巖沖擊破壞的臨界應(yīng)力(σb，min)時(shí)，則該煤-巖系統(tǒng)失穩(wěn)破壞，誘發(fā)沖擊顯現(xiàn)(竇林名等， 2016b)，動(dòng)靜載疊加誘沖機(jī)理如圖 3所示。

圖 3 動(dòng)靜載疊加誘沖機(jī)理(竇林名等， 2015b)Fig. 3 Mechanism of the superposition of static and dynamic loads causing rockburst

1.2 沖擊礦壓類型

基于動(dòng)靜載疊加誘沖機(jī)理，按照煤巖體發(fā)生沖擊礦壓時(shí)的受力特征、動(dòng)靜載的來(lái)源、主控因素與能量釋放的主體，可將其分為4類(蔡武， 2015； 竇林名等， 2016)，如圖 4所示：

圖 4 沖擊礦壓類型(蔡武， 2015)Fig. 4 Rockburst types

(1)煤柱壓縮型：力源以靜載垂直高應(yīng)力為主+動(dòng)載擾動(dòng)，能量釋放主體為煤柱。

(2)褶曲構(gòu)造型：力源以靜載構(gòu)造水平高應(yīng)力為主+動(dòng)載擾動(dòng)，能量釋放主體為構(gòu)造區(qū)煤體。

(3)頂板破斷型：力源是靜載應(yīng)力+頂板強(qiáng)動(dòng)載擾動(dòng)，能量釋放主體為頂板破斷運(yùn)動(dòng)。

(4)斷層滑移型：力源是靜載應(yīng)力+斷層活化強(qiáng)動(dòng)載擾動(dòng)，能量釋放主體為活化滑移的斷層。

2 沖擊危險(xiǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)

2.1 沖擊危險(xiǎn)“應(yīng)力-震動(dòng)-能量”三場(chǎng)耦合監(jiān)測(cè)原理

根據(jù)動(dòng)靜載疊加誘沖理論，沖擊礦壓是煤巖應(yīng)力場(chǎng)、震動(dòng)場(chǎng)、能量場(chǎng)共同作用的結(jié)果。沖擊礦壓發(fā)生的前提是煤巖體所受應(yīng)力超過(guò)其極限強(qiáng)度，而當(dāng)應(yīng)力小于極限強(qiáng)度時(shí)，就不會(huì)發(fā)生沖擊礦壓。通過(guò)監(jiān)測(cè)煤巖體應(yīng)力場(chǎng)的變化情況，可以達(dá)到?jīng)_擊礦壓預(yù)警的目的。沖擊礦壓發(fā)生時(shí)會(huì)有很強(qiáng)的震感，可以通過(guò)監(jiān)測(cè)這一震動(dòng)形式，來(lái)達(dá)到?jīng)_擊礦壓預(yù)警的目的。由于沖擊礦壓是巷道或采場(chǎng)圍巖的彈性能的突然釋放導(dǎo)致的，當(dāng)沖擊礦壓發(fā)生時(shí)，部分已破碎煤巖體獲得了較高的動(dòng)能以較大速度向采掘空間拋出，因此只有當(dāng)拋出的動(dòng)能能量大于一定值時(shí)，才會(huì)發(fā)生沖擊礦壓，通過(guò)監(jiān)測(cè)這一能量變化，來(lái)達(dá)到?jīng)_擊礦壓預(yù)警的目的(竇林名等， 2017， 2020)。圖 5表示受載煤巖體變形破壞過(guò)程中煤巖應(yīng)力-震動(dòng)-沖擊變形能參數(shù)響應(yīng)特征。因此，煤礦生產(chǎn)過(guò)程中，需要建立三場(chǎng)多參量綜合監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)體系，如圖 6所示，采取震動(dòng)波CT反演、微震監(jiān)測(cè)及沖擊變形能監(jiān)測(cè)等方法對(duì)采掘范圍內(nèi)的“應(yīng)力場(chǎng)-震動(dòng)場(chǎng)-能量場(chǎng)”三場(chǎng)信息進(jìn)行精確捕捉，同時(shí)分析其沖擊孕育程度、破壞模式及危險(xiǎn)等級(jí)，做出綜合預(yù)警。

圖 5 煤巖受載-失穩(wěn)過(guò)程中應(yīng)力-震動(dòng)-能量參數(shù)變化特征Fig. 5 The stress-energy-seismicity characteristics during the loading-failure process of coal-rock samples

圖 6 沖擊危險(xiǎn)“應(yīng)力-震動(dòng)-能量”三場(chǎng)耦合監(jiān)測(cè)原理Fig. 6 Coupling monitoring mechanism of stress field， seismic field and energy field

2.2 沖擊危險(xiǎn)應(yīng)力場(chǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)

試驗(yàn)表明，受載煤巖體縱波波速隨應(yīng)力的增加而增加，如圖 7所示。煤巖體內(nèi)彈性波傳播速度(Vp)與煤巖體承載的載荷(σ)呈正相關(guān)關(guān)系，其可用式(5)所示的冪函數(shù)關(guān)系來(lái)表示。

表 1 震動(dòng)波波速異常與沖擊危險(xiǎn)關(guān)系表(Cao et al.，2015)Table 1 Relation between velocity anomaly and rockburst hazard

表 2 VG值與沖擊危險(xiǎn)之間的關(guān)系(Cao et al.，2015)Table 2 Relation between VG and rockburst hazard

圖 7 受載煤巖樣應(yīng)力-波速關(guān)系Fig. 7 Stress-wave velocity relationship of loaded coal and rock samples

Vp=aσλ

(5)

式中：a和λ為擬合和選擇的參數(shù)值。

因此，采掘區(qū)域內(nèi)煤巖體應(yīng)力越高，震動(dòng)波傳播速度就越高(鞏思園等， 2012a， 2012b)。工作面采掘過(guò)程中均伴隨由煤巖體破裂、破斷等誘發(fā)的能量大小不等的礦震，其位置和能量可通過(guò)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行確定。若確定震動(dòng)波傳播路徑及不同位置處傳播速度，便可量化采掘范圍內(nèi)煤巖體中震動(dòng)波速度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律，進(jìn)而確定高應(yīng)力區(qū)和潛在沖擊危險(xiǎn)區(qū)域。這可為沖擊礦壓災(zāi)害的精準(zhǔn)防治提供可靠依據(jù)。

基于上述研究和認(rèn)識(shí)，團(tuán)隊(duì)提出了沖擊危險(xiǎn)震動(dòng)波CT反演方法(Cao et al.，2015； 蔡武等， 2016； Gong et al.，2019； Zhou et al.，2020)，如圖 8所示。該方法首先將研究區(qū)域劃分為若干網(wǎng)格，主要目的是確定采掘區(qū)域內(nèi)震動(dòng)波的速度場(chǎng)V(x，y，z)或慢度場(chǎng)S(x，y，z)=1/V(x，y，z)分布規(guī)律。具體過(guò)程如式(6)～式(8)：

圖 8 近遠(yuǎn)場(chǎng)沖擊危險(xiǎn)震動(dòng)波CT探測(cè)技術(shù)(Cao et al.，2015)Fig. 8 Seismic CT detection for rockburst hazard

圖 9 沖擊危險(xiǎn)震動(dòng)波主被動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)Fig. 9 Active and passive CT detection system

(6)

(7)

(8)

式中：Ti為震動(dòng)波傳播時(shí)間；Li為第i條射線傳播路徑；V(x，y，z)為震動(dòng)波傳播速度；S(x，y，z)為慢度；dij，Sij分別為第i條射線在第j個(gè)網(wǎng)格內(nèi)傳播路程和慢度；n，m分別為反演區(qū)域內(nèi)震動(dòng)波射線條數(shù)和劃分的網(wǎng)格數(shù)量。

利用上述方法即可反演出研究區(qū)域內(nèi)震動(dòng)波波速分布特征，進(jìn)而確定高應(yīng)力和潛在沖擊危險(xiǎn)區(qū)域。在此基礎(chǔ)上，提出了基于波速異常和波速梯度異常的沖擊危險(xiǎn)相關(guān)的判別準(zhǔn)則(Cao et al.，2015； 竇林名等， 2017)，如表 1和表2所示，其中：震動(dòng)波速異常系數(shù)An和波速梯度變化系數(shù)VG計(jì)算方法為：

(9)

VG=vp·Grad

(10)

在應(yīng)力場(chǎng)CT探測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，為提高沖擊危險(xiǎn)反演效率和精度，團(tuán)隊(duì)開發(fā)了沖擊危險(xiǎn)震動(dòng)波主被動(dòng)探測(cè)技術(shù)及裝備，如圖 9所示，采用雙觸發(fā)機(jī)制實(shí)現(xiàn)了可控震源(爆破或錘擊)和自然震源雙源震動(dòng)波信號(hào)的采集和分析，實(shí)現(xiàn)采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)和沖擊危險(xiǎn)大范圍、高分辨率和高效率監(jiān)測(cè)分析(He et al.，2011)。

圖 10 某礦工作面震動(dòng)波CT連續(xù)反演結(jié)果(Cai et al.，2015a)Fig. 10 Successive tomography results for velocity distribution in a longwall face

如圖 10所示為某礦工作面不同階段開采時(shí)區(qū)域內(nèi)震動(dòng)波波速反演結(jié)果，其中為說(shuō)明反演結(jié)果可靠與否，將上月波速反演結(jié)果與未來(lái)一個(gè)月發(fā)生的礦震進(jìn)行對(duì)照疊加?？梢钥闯?，隨工作面回采，區(qū)域內(nèi)高波速區(qū)與礦震均隨之不斷轉(zhuǎn)移，且后期礦震尤其大能量礦震發(fā)生位置與反演確定的高波速區(qū)或梯度變化區(qū)較吻合，現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果進(jìn)一步說(shuō)明了沖擊危險(xiǎn)震動(dòng)波CT反演結(jié)果的可靠性(Cai et al.，2015b)。

圖 11 礦井微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置及某工作面礦震分布Fig. 11 Layout of Microseismic Monitoring System and the seismicity distribution of a longwall face

2.3 沖擊危險(xiǎn)震動(dòng)場(chǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)

礦井微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置及某工作面礦震分布如圖 11 所示，利用微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就是記錄礦震波形，通過(guò)記錄分析計(jì)算礦震發(fā)生的時(shí)間、震源的坐標(biāo)、震動(dòng)釋放能量等參數(shù)，來(lái)確定煤巖體破斷的時(shí)間、位置、能量、礦震類型以及礦震傳播規(guī)律(楊純東等， 2014)。以此為基礎(chǔ)，進(jìn)行沖擊礦壓危險(xiǎn)性的監(jiān)測(cè)預(yù)警(姜福興等， 2006； He et al.，2017)。

2.3.1 礦震活動(dòng)時(shí)序監(jiān)測(cè)

工作面覆巖破斷運(yùn)動(dòng)以及采場(chǎng)圍巖應(yīng)力重新調(diào)整導(dǎo)致礦震發(fā)生，通過(guò)統(tǒng)計(jì)工作面回采速度與礦震活動(dòng)相關(guān)性并與現(xiàn)場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)、沖擊顯現(xiàn)進(jìn)行對(duì)比，可以確定其相關(guān)關(guān)系，為工作面沖擊危險(xiǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)警與防治、工作面推進(jìn)速度優(yōu)化等提供依據(jù)。

圖12為某礦工作面礦震能量-頻次變化曲線，在沖擊顯現(xiàn)發(fā)生前，工作面礦震頻次逐漸降低、礦震能量逐漸升高，沖擊顯現(xiàn)時(shí)出現(xiàn)礦震能量的突然升高。應(yīng)指出的是，沖擊礦壓發(fā)生影響因素較多，圖 12為具體工程案例，其沖擊發(fā)生前礦震活動(dòng)特征并不具有普適性，在礦震活動(dòng)監(jiān)測(cè)分析時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體工作面采掘條件、地質(zhì)條件等具體分析，在充分分析、積累及總結(jié)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行時(shí)序預(yù)警。

圖 12 某工作面礦震能量-頻次統(tǒng)計(jì)曲線Fig. 12 Microseismic activity curve of a longwall face

2.3.2 礦震活動(dòng)空間監(jiān)測(cè)

通過(guò)對(duì)典型礦震進(jìn)行平剖面定位及震源機(jī)制分析，可確定礦震位置與該區(qū)域巖層分布、地質(zhì)構(gòu)造、斷層等相對(duì)位置關(guān)系及礦震類型，為明確礦震及沖擊礦壓災(zāi)害應(yīng)力-能量來(lái)源、礦震及沖擊機(jī)制提供依據(jù)。圖 13為某礦井沖擊顯現(xiàn)時(shí)礦震空間位置及震源機(jī)制分析，可初步判定該礦震為頂板巖層拉張破裂誘發(fā)，該沖擊力源為煤體高靜載+頂板破斷強(qiáng)動(dòng)載。

圖 13 沖擊顯現(xiàn)時(shí)礦震空間位置及礦震類型分析Fig. 13 Spatial location and source mechanism of a microseismic events

圖 14 工作面采動(dòng)走向影響范圍分析Fig. 14 Mining influence range in the advancing direction

工作面回采不僅會(huì)導(dǎo)致圍巖靜載應(yīng)力重新分布，還會(huì)產(chǎn)生動(dòng)載影響，礦震及沖擊礦壓是動(dòng)靜載疊加的結(jié)果，通過(guò)統(tǒng)計(jì)工作面回采過(guò)程中工作面走向及傾向礦震分布，可確定一定時(shí)期內(nèi)工作面走向及傾向采動(dòng)影響范圍，為工作面超前支護(hù)、采掘布置及卸壓方案優(yōu)化提供參考。

圖14為某工作面回采一段時(shí)間后統(tǒng)計(jì)的工作面走向礦震頻次-能量歸一化分布曲線，以最大值的10%為臨界值判定超前煤巖體是否受采動(dòng)影響，并取礦震頻次和礦震能量?jī)烧咧休^大值，則此時(shí)工作面采動(dòng)影響范圍為120m，結(jié)果可為工作面超前支護(hù)及卸壓范圍的確定提供參考。

2.4 沖擊危險(xiǎn)能量場(chǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)

圖15表示開采擾動(dòng)下煤巖體應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)及其不同階段的聲震演化規(guī)律(竇林名等， 2017)。

圖 15 采動(dòng)條件下煤巖應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu) 及其不同階段的聲震演化規(guī)律(竇林名等， 2017)Fig. 15 Stress and strain of coal-rock and its acoustic and seismic evolution characteristics in different stages

圖 16 沖擊變形能時(shí)序預(yù)警Fig. 16 Temporal monitoring of bursting strain energy

其中BC階段是預(yù)警最終破壞最佳時(shí)期，該階段震動(dòng)能量與應(yīng)力降和應(yīng)變?cè)隽康钠椒匠收龋矗?/p>

(11)

根據(jù)受載煤巖體BC階段的應(yīng)變遞增不變特性，由此可構(gòu)建如下應(yīng)變時(shí)序當(dāng)量指標(biāo)：

(12)

式中： 0≤Wε-temporal≤1，對(duì)應(yīng)4個(gè)沖擊危險(xiǎn)等級(jí)：無(wú)沖擊危險(xiǎn)0.00～0.25，弱沖擊危險(xiǎn)0.25～0.50，中等沖擊危險(xiǎn)0.50～0.75和強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)0.75～1.00；ε0為初始值，即受載煤巖體開始出現(xiàn)礦震、聲發(fā)射微破裂現(xiàn)象時(shí)對(duì)應(yīng)的初始應(yīng)變值；ε和Nt為當(dāng)前值，即受載煤巖體當(dāng)前對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值和礦震、聲發(fā)射數(shù)量；εl和Nl為臨界值，即受載煤巖破壞沖擊時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值和礦震、聲發(fā)射數(shù)量；UAE-i為第i個(gè)震動(dòng)事件釋放的能量值。由于應(yīng)變參量不同于應(yīng)力參量，它在煤層開采加卸載和動(dòng)載作用過(guò)程中始終維持著整體遞增狀態(tài)，因此更適于量化描述煤巖破壞沖擊前的狀態(tài)。由于指標(biāo)Wε-temporal是采用應(yīng)變參量來(lái)描述沖擊危險(xiǎn)程度，其中應(yīng)變由礦震的能量換算得到。因此，稱該指標(biāo)為沖擊變形能指數(shù)(竇林名等， 2017； Cai et al.，2015a， 2019)。

(13)

(14)

β(t)=(Uε-Uε-min)/(Uε-max-Uε-min)

(15)

式中： 0≤Wε-spatial≤1，對(duì)應(yīng)4個(gè)沖擊危險(xiǎn)等級(jí)：無(wú)沖擊危險(xiǎn)0.00～0.25，弱沖擊危險(xiǎn)0.25～0.50，中等沖擊危險(xiǎn)0.50～0.75和強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)0.75～1.00；S為統(tǒng)計(jì)區(qū)域面積或體積；V為統(tǒng)計(jì)時(shí)間段內(nèi)煤層開采重量或體積，當(dāng)工作面勻速開采時(shí)可用時(shí)間天數(shù)代替。

圖16為沖擊變形能時(shí)序預(yù)警曲線圖，圖中9次沖擊事件發(fā)生前， 6次提前顯示出了強(qiáng)危險(xiǎn)預(yù)警等級(jí)，其余3次顯示出了中等危險(xiǎn)預(yù)警等級(jí)。圖 17為沖擊變形能空間預(yù)警云圖，圖中危險(xiǎn)性礦震發(fā)生之前，指標(biāo)值明顯指示出危險(xiǎn)區(qū)，并在該區(qū)域急劇增加并逐漸往外圍擴(kuò)展，直至動(dòng)力事件產(chǎn)生。

圖 17 沖擊變形能空間預(yù)警Fig. 17 Spatial monitoring of bursting strain energy

2.5 沖擊礦壓風(fēng)險(xiǎn)智能判識(shí)與多參量監(jiān)測(cè)預(yù)警云平臺(tái)

根據(jù)動(dòng)靜載疊加誘沖機(jī)理，沖擊礦壓監(jiān)測(cè)預(yù)警須從應(yīng)力場(chǎng)、震動(dòng)場(chǎng)、能量場(chǎng)三方面同時(shí)進(jìn)行。研發(fā)涵蓋應(yīng)力場(chǎng)、震動(dòng)場(chǎng)、能量場(chǎng)的多參量綜合監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)，能夠有效提高沖擊礦壓預(yù)警準(zhǔn)確性。為此，利用大數(shù)據(jù)和云平臺(tái)技術(shù)，開發(fā)了沖擊礦壓風(fēng)險(xiǎn)判識(shí)與多參量監(jiān)測(cè)預(yù)警云平臺(tái)(竇林名等， 2020)，如圖 18所示。

圖 18 沖擊礦壓風(fēng)險(xiǎn)智能判識(shí)與監(jiān)測(cè)預(yù)警云平臺(tái)入口Fig. 18 Home page of the cloud platform of rockburst intelligent risk assessment and multi-parameter monitoring and early warning

圖 19 監(jiān)測(cè)預(yù)警云平臺(tái)架構(gòu)Fig. 19 Architecture of the cloud platform

沖擊礦壓風(fēng)險(xiǎn)智能判識(shí)及多參量監(jiān)測(cè)預(yù)警云平臺(tái)架構(gòu)如圖 19所示。最底層是由微震、應(yīng)力、地音、鉆屑、卸壓等多種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)形成的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)能夠監(jiān)測(cè)并采集礦井采掘過(guò)程中的震動(dòng)及應(yīng)力等信息； 然后平臺(tái)對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理并將標(biāo)準(zhǔn)化格式數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)，將相關(guān)信息和數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理； 工程技術(shù)人員可通過(guò)調(diào)取此前上傳的數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)，利用前期構(gòu)建的沖擊礦壓風(fēng)險(xiǎn)判識(shí)模型及準(zhǔn)則，判定工作面危險(xiǎn)狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上制定相應(yīng)的防治及管理措施，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)卸壓解危工作。

針對(duì)不同的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)方式，平臺(tái)建立了科學(xué)合理的預(yù)警指標(biāo)，包括微震監(jiān)測(cè)的時(shí)空強(qiáng)預(yù)警指標(biāo)、沖擊變形能指標(biāo)和震動(dòng)波CT反演(注重沖擊礦壓模型與沖擊礦壓危險(xiǎn)空間、時(shí)間趨勢(shì)分析)以及應(yīng)力預(yù)警指標(biāo)、礦壓預(yù)警指標(biāo)等預(yù)警指標(biāo)體系(竇林名等， 2015a， 2020)(圖 20)，并構(gòu)建了基于沖擊礦壓類型支持下的“三場(chǎng)”多參量帶權(quán)重時(shí)空預(yù)警模型(竇林名等， 2017)(圖 21)。

圖 20 沖擊礦壓風(fēng)險(xiǎn)判識(shí)和多參量綜合監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)體系Fig. 20 Indexes for rock-burst intelligent risk assessment and multi-parameter monitoring and early warning

圖 21 不同沖擊礦壓類型監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)體系Fig. 21 Indexes for the monitoring and early warning of different types of rockburst

圖 22 監(jiān)測(cè)預(yù)警云平臺(tái)特點(diǎn)Fig. 22 Features of the cloud platform

云平臺(tái)不但具有多參量數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)、GIS圖形展示、多系統(tǒng)綜合展示等常規(guī)功能，更具有多參量綜合預(yù)警、沖擊變形能時(shí)序預(yù)警、震動(dòng)波CT反演空間預(yù)警、防治信息化、多終端訪問(wèn)、多形式預(yù)警等特色功能，以及GIS一張圖管理和監(jiān)防互饋的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，如圖 22所示，能夠極大滿足煤礦企業(yè)對(duì)沖擊礦壓災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警和治理的綜合性需求。該云平臺(tái)已在古城煤礦等13個(gè)煤礦進(jìn)行了成功應(yīng)用，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明該云平臺(tái)的綜合預(yù)警信息及監(jiān)防信息一張圖功能能夠有效指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)沖擊危險(xiǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)警和防治工作。

3 沖擊礦壓防控原理

3.1 沖擊危險(xiǎn)防治原理

3.1.1 沖擊危險(xiǎn)強(qiáng)度弱化減沖原理(竇林名等， 2005a， 2005b； 陸菜平， 2008)

根據(jù)動(dòng)靜載疊加誘沖機(jī)理，沖擊礦壓的防治應(yīng)從靜載和動(dòng)載兩方面入手，對(duì)于靜載，采取降低應(yīng)力集中程度和彈性能量的聚集、促使應(yīng)力高峰向煤體深部轉(zhuǎn)移的技術(shù)； 對(duì)于動(dòng)載，采用破壞煤巖體的結(jié)構(gòu)，減小其運(yùn)動(dòng)程度，主動(dòng)誘發(fā)能量釋放的措施。

沖擊危險(xiǎn)強(qiáng)度弱化減沖原理如圖 23所示，通過(guò)在沖擊危險(xiǎn)區(qū)域煤巖體中實(shí)施相關(guān)卸壓解危措施，破壞該區(qū)域煤巖系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)，釋放積聚的彈性應(yīng)變能以及由于煤巖破裂產(chǎn)生的礦震能量，促使應(yīng)力集中區(qū)進(jìn)一步向深部轉(zhuǎn)移，降低應(yīng)力和能量集中程度，從而降低沖擊礦壓危險(xiǎn)(竇林名等， 2005a，2005b； 陸菜平， 2008)。

圖 23 沖擊危險(xiǎn)強(qiáng)度弱化減沖原理(竇林名等， 2005a，2005b)Fig. 23 Strength weakening theory for rockburst hazard

3.1.2 沖擊危險(xiǎn)防治技術(shù)

基于提出的強(qiáng)度弱化減沖原理，可通過(guò)在采掘工作面煤體中實(shí)施大直徑卸壓鉆孔、煤體爆破、注水軟化、煤層鉆孔高壓射流卸壓等措施，弱化煤體強(qiáng)度和沖擊傾向性，釋放煤體集聚的彈性應(yīng)變能，實(shí)現(xiàn)高應(yīng)力區(qū)向深部轉(zhuǎn)移，降低沖擊危險(xiǎn)性?？赏ㄟ^(guò)在采掘工作面頂板堅(jiān)硬巖層中實(shí)施斷頂爆破、定向水力致裂等措施破壞覆巖完整性和連續(xù)性，弱化其強(qiáng)度，改變其破斷運(yùn)動(dòng)形式，降低因懸頂導(dǎo)致的煤巖體高應(yīng)力集中和能量積聚，降低頂板破斷產(chǎn)生的動(dòng)載強(qiáng)度，降低沖擊危險(xiǎn)性。

3.2 巷道穩(wěn)定性控制原理

3.2.1 巷道圍巖的強(qiáng)弱強(qiáng)結(jié)構(gòu)原理(高明仕等， 2008； 竇林名等， 2018)

在具有沖擊危險(xiǎn)的巷道圍巖中實(shí)施相關(guān)煤巖體破壞措施后，巷道圍巖組成由里到外分別為：最里圈，由巷道支護(hù)組成的小結(jié)構(gòu)(強(qiáng)結(jié)構(gòu))； 卸壓措施實(shí)施后形成的松散破碎的弱結(jié)構(gòu)； 無(wú)擾動(dòng)的原巖結(jié)構(gòu)(強(qiáng)結(jié)構(gòu))。即巷道圍巖由里向外具有強(qiáng)弱強(qiáng)的結(jié)構(gòu)特征，如圖 24所示。

圖 24 巷道圍巖的強(qiáng)弱強(qiáng)結(jié)構(gòu)力學(xué)模型(高明仕等， 2008)Fig. 24 Mechanical model of the strong-soft-strong structure

由于圍巖中間人工弱結(jié)構(gòu)的影響，巷道圍巖應(yīng)力再次重新調(diào)整，高集中應(yīng)力向深部進(jìn)一步轉(zhuǎn)移，支承壓力曲線由圖 24中1曲線、2曲線轉(zhuǎn)移至弱結(jié)構(gòu)外的3曲線、4曲線，使內(nèi)部支護(hù)小結(jié)構(gòu)處于卸壓區(qū)。另外，當(dāng)臨近區(qū)域有礦震發(fā)生時(shí)，震動(dòng)波經(jīng)中間弱結(jié)構(gòu)的散射和吸收，進(jìn)一步衰減，最后傳遞到內(nèi)部支護(hù)小強(qiáng)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力大幅降低(圖 24中STH曲線)，有利于巷道穩(wěn)定。

3.2.2 巷道圍巖控制技術(shù)

基于巷道圍巖強(qiáng)弱強(qiáng)結(jié)構(gòu)原理，具有沖擊危險(xiǎn)的巷道圍巖控制應(yīng)從中間弱結(jié)構(gòu)和巷道支護(hù)強(qiáng)結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面入手。一方面，通過(guò)在巷道圍巖中實(shí)施深孔爆破等措施，人為制造弱結(jié)構(gòu)，破壞煤巖體完整性和連續(xù)性，釋放其積聚的彈性能，增大震動(dòng)波傳播過(guò)程中的衰減系數(shù)，降低動(dòng)載對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定的影響。另一方面，在巷道周圍實(shí)施高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)，及時(shí)控制圍巖變形，可在錨桿支護(hù)系統(tǒng)中設(shè)置“讓壓”構(gòu)件，使錨桿支護(hù)系統(tǒng)在高支護(hù)阻力條件下具有一定的主動(dòng)讓壓變形功能以降低沖擊動(dòng)載的影響，提高巷道穩(wěn)定性(高明仕等， 2020)。

4 沖擊礦壓的動(dòng)靜載監(jiān)測(cè)與防治

由動(dòng)靜疊加誘沖機(jī)理可知，沖擊礦壓是動(dòng)靜載共同作用的結(jié)果，靜載荷是煤巖失穩(wěn)的應(yīng)力和能量基礎(chǔ)，動(dòng)載荷主要起誘發(fā)煤巖沖擊破壞的作用。根據(jù)動(dòng)靜載力源及能量來(lái)源， 1.2節(jié)將沖擊礦壓分為4類。因此，沖擊礦壓的監(jiān)測(cè)預(yù)警和防治也應(yīng)根據(jù)沖擊礦壓類型從靜載和動(dòng)載兩個(gè)方面同時(shí)進(jìn)行。

對(duì)于靜載，主要監(jiān)測(cè)對(duì)象為采掘區(qū)域圍巖靜載應(yīng)力場(chǎng)，可采用鉆屑法、應(yīng)力在線法及震動(dòng)波CT反演法，其中：前兩者屬于局部監(jiān)測(cè)，探測(cè)范圍有限。采掘過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)采掘進(jìn)度，定期實(shí)施震動(dòng)波CT探測(cè)，明確采掘臨近區(qū)域內(nèi)波速異常范圍，進(jìn)而確定潛在沖擊危險(xiǎn)區(qū)域。對(duì)于動(dòng)載，主要監(jiān)測(cè)對(duì)象為采掘區(qū)域內(nèi)煤巖體破裂、頂?shù)装鍘r層破斷及斷層活動(dòng)性等，主要采用微震法監(jiān)測(cè)，局部區(qū)域可采用地音和電磁輻射輔助監(jiān)測(cè)。采掘過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)采掘進(jìn)度，定期優(yōu)化微震臺(tái)網(wǎng)布置方案，使微震臺(tái)網(wǎng)對(duì)采掘區(qū)域形成包圍狀態(tài)。及時(shí)對(duì)微震系統(tǒng)采集到的礦震信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定，確定震源三維坐標(biāo)及能級(jí)，分析礦震空間分布特征及時(shí)序變化特征及其與現(xiàn)場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)的相關(guān)關(guān)系，在礦震活動(dòng)異常時(shí)及時(shí)預(yù)警。通過(guò)對(duì)動(dòng)靜載的監(jiān)測(cè)，確定其沖擊礦壓類型(圖 4)，并充分挖掘礦震、應(yīng)力、礦壓等信息，確定適合該沖擊礦壓類型的監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)(圖 21)，基于多參量帶權(quán)重時(shí)空預(yù)警模型實(shí)現(xiàn)對(duì)不同類型沖擊礦壓的多參量監(jiān)測(cè)預(yù)警。

由于沖擊動(dòng)靜載力源的差異，在明確沖擊礦壓類型及其監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，應(yīng)對(duì)沖擊礦壓進(jìn)行分類防治。對(duì)于煤柱型沖擊礦壓，力源以靜載垂直高應(yīng)力為主，動(dòng)載擾動(dòng)為輔，主要破壞形式為煤柱的壓縮破壞及底板的瞬間鼓起，可通過(guò)優(yōu)化煤柱尺寸(區(qū)段煤柱宜采用小煤柱或無(wú)煤柱)、煤柱內(nèi)實(shí)施大直徑卸壓鉆孔、煤體爆破等進(jìn)行卸壓解危。對(duì)于褶曲型沖擊礦壓，力源以靜載構(gòu)造水平高應(yīng)力為主，動(dòng)載擾動(dòng)為輔，主要破壞形式為底板的瞬間鼓起及幫部破壞，可通過(guò)在底板及底角實(shí)施大直徑鉆孔及爆破等進(jìn)行卸壓并切斷底板與周邊的應(yīng)力傳遞路徑，同時(shí)，巷道應(yīng)盡量減少甚至不留底煤。對(duì)于頂板型沖擊礦壓，力源以煤巖體靜載應(yīng)力和頂板破斷誘發(fā)的強(qiáng)動(dòng)載，主要破壞形式為煤巖體強(qiáng)烈震動(dòng)、底板瞬間鼓起、巷幫破壞及錨網(wǎng)索斷裂等，可通過(guò)對(duì)工作面覆巖厚硬頂板實(shí)施預(yù)裂爆破，破壞其完整性，降低破斷誘發(fā)的動(dòng)載強(qiáng)度來(lái)防治。對(duì)于斷層型沖擊礦壓，力源為煤巖體高靜載應(yīng)力和斷層活動(dòng)誘發(fā)的強(qiáng)動(dòng)載，主要破壞形式為斷層附近煤巖體強(qiáng)烈震動(dòng)、底板瞬間鼓起、巷幫破壞及錨網(wǎng)索斷裂等，可采前對(duì)臨近斷層巷道幫部及底板實(shí)施大直徑鉆孔、煤體爆破等降低靜載應(yīng)力集中程度，同時(shí)對(duì)斷層進(jìn)行爆破處理，提前誘發(fā)斷層活動(dòng)釋放能量。

5 結(jié) 論

(1)提出了動(dòng)靜載疊加誘沖機(jī)理，即當(dāng)采掘空間圍巖中的靜載與礦震形成的動(dòng)載的疊加載荷超過(guò)煤巖沖擊臨界載荷時(shí)，沖擊礦壓就會(huì)發(fā)生，并給出了動(dòng)靜載疊加誘發(fā)沖擊礦壓的能量和應(yīng)力條件。

(2)基于動(dòng)靜載疊加誘沖機(jī)理，按照煤巖體發(fā)生沖擊礦壓時(shí)的受力特征、動(dòng)靜載的來(lái)源與能量釋放的主體，將沖擊礦壓分為煤柱壓縮型、褶曲構(gòu)造型、頂板破斷型、斷層滑移型4類。

(3)提出了沖擊危險(xiǎn)“應(yīng)力-震動(dòng)-能量”三場(chǎng)耦合監(jiān)測(cè)原理，建立了三場(chǎng)多參量綜合監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)體系及時(shí)空預(yù)警模型； 開發(fā)了沖擊礦壓風(fēng)險(xiǎn)智能判識(shí)與多參量監(jiān)測(cè)預(yù)警云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)沖擊危險(xiǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與防治措施信息的融合，提高了監(jiān)測(cè)預(yù)警效能。

(4)提出了沖擊危險(xiǎn)強(qiáng)度弱化減沖原理和巷道圍巖強(qiáng)弱強(qiáng)結(jié)構(gòu)原理，即通過(guò)實(shí)施大直徑鉆孔、煤體爆破等，破壞煤巖體強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)，人為制造弱結(jié)構(gòu)，降低應(yīng)力集中，釋放彈性能，同時(shí)增大震動(dòng)波衰減系數(shù)，降低動(dòng)載影響，從而降低沖擊礦壓危險(xiǎn)。

(5)沖擊礦壓的監(jiān)測(cè)預(yù)警和防治應(yīng)根據(jù)沖擊礦壓類型從靜載和動(dòng)載兩個(gè)方面同時(shí)進(jìn)行。首先確定不同類型沖擊礦壓監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)，基于多參量帶權(quán)重時(shí)空預(yù)警模型實(shí)現(xiàn)分類監(jiān)測(cè)預(yù)警。其次針對(duì)不同沖擊礦壓動(dòng)靜載力源，采取不同措施實(shí)現(xiàn)分類防治。