煤礦沖擊地壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

賈紅丹

1 國外沖擊地壓監(jiān)測(cè)發(fā)展?fàn)顩r

煤礦沖擊地壓發(fā)生的原因極其復(fù)雜，影響因素較多，災(zāi)害嚴(yán)重[2]，無疑是一個(gè)困擾絕大多數(shù)國家并且沒有有效的解決辦法的共同問題。1738年，英國首次報(bào)道了沖擊地壓的影響，并且在此后許多國家相繼遭受了沖擊地壓給煤礦產(chǎn)業(yè)及人們帶來的不同程度的危害，全世界包含中國在內(nèi)的30多個(gè)多家的礦區(qū)均發(fā)生過不同程度的沖擊地壓，其中，遭受災(zāi)害的企業(yè)在德國和波蘭發(fā)生的頻率最高，破壞程度最嚴(yán)重。

截止2017年，波蘭沖擊地壓的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要有如下幾種，礦井采用微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，礦監(jiān)控系統(tǒng)的使用原則是[35]，只要能正常工作，就要使用該設(shè)備。地面聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是近年來由EMAG研究中心開發(fā)的一種新的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。它用于監(jiān)測(cè)工作面周圍巖石層的斷裂。目前，該系統(tǒng)正處于試驗(yàn)階段，通過二十五年來不斷的堅(jiān)持研究，最終確定了一系列監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)也模擬起草了多部有關(guān)規(guī)定及防范監(jiān)測(cè)措施，并在大量的實(shí)踐中取得了優(yōu)越的防治效果，從根本上成功的預(yù)防并減少了沖擊地壓給礦產(chǎn)業(yè)帶來的危害。

1951年以來，蘇聯(lián)地質(zhì)力學(xué)和巖體測(cè)量機(jī)構(gòu)與其他礦業(yè)相關(guān)研究單位聯(lián)手解決有沖擊地壓帶來的災(zāi)害問題，通過二十五年來不斷的堅(jiān)持研究，最終確定了一系列監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)也模擬起草了多部有關(guān)規(guī)定及防范監(jiān)測(cè)措施，并在大量的實(shí)踐中取得了優(yōu)越的防治效果，從根本上成功的預(yù)防并減少了沖擊地壓給礦產(chǎn)業(yè)帶來的危害。1955到1977年間危險(xiǎn)礦山的數(shù)量從八增加到36，而年度沖擊的數(shù)量從83下降到7，然后下降到1980以后的5和6倍。在前蘇聯(lián)，巖爆的頻率比煤礦小得多。主要形式是巖石噴射、振動(dòng)和微沖擊。

在德國，煤層頂板的沖擊壓力主要是550m的巖層表面，所以，頂部巖石層將是沖擊地壓受影響最為嚴(yán)重的一部分，德國研制的煤粉鉆屑法等方法具有較高的國際威望。

2 研究目的和意義

隨著我國礦山開采速度的迅速增加，災(zāi)害呈現(xiàn)程度越來越嚴(yán)重、范圍越來越大的趨勢(shì)，近幾年來因巖爆造成的傷亡人數(shù)劇增，有些礦井一次沖擊摧毀巷道長(zhǎng)度達(dá)到500米以上，因此沖擊地壓監(jiān)測(cè)已經(jīng)成為很多煤礦生產(chǎn)安全的最薄弱環(huán)節(jié)，沖擊何時(shí)來、發(fā)生沖突后導(dǎo)致什么后果，是目前礦井面臨的主要問題，促進(jìn)了人們對(duì)沖擊地壓狀態(tài)監(jiān)測(cè)的研究。

在沖擊地壓發(fā)生時(shí)，將破碎煤巖體向采掘空間拋出，造成支架移動(dòng)破壞的同時(shí)還伴隨著周圍巖體的劇烈震動(dòng)，直接威脅著煤礦的生產(chǎn)及施工人員的安全，甚至?xí)鹜咚贡ㄅc火災(zāi)事故，導(dǎo)致生產(chǎn)中斷，毀壞礦井建設(shè)。由于沖擊地壓震源淺，造成震中烈度遠(yuǎn)大于同級(jí)天然地震烈度，嚴(yán)重時(shí)整個(gè)采場(chǎng)被摧毀，造成井毀人亡的悲劇，甚至波及地面，造成地震災(zāi)害，因而沖擊地壓?jiǎn)栴}已引起各國的重視。但是到目前為止，國際上仍不能有效解決控制沖擊地壓災(zāi)害?？梢哉f沖擊地壓已成為世界范圍內(nèi)采礦工程和巖石力學(xué)界迫切需要解決的科學(xué)難題。

3 沖擊地壓簡(jiǎn)介及檢測(cè)方法

3.1 沖擊地壓的簡(jiǎn)介

煤礦沖擊地壓即巖爆的意思，當(dāng)巖石中聚集的高彈性應(yīng)變能大于巖石破壞所損耗的能量時(shí)，破壞了巖體結(jié)構(gòu)的平衡，多余的能量導(dǎo)致巖石爆裂，使巖石碎片從巖體中剝離、崩出[8]。其產(chǎn)生的原因主要有以下幾點(diǎn)：開采深度。在理論界有這樣一個(gè)認(rèn)定標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)采深低于350米時(shí)，發(fā)生沖擊地壓的可能性較小；采深在350～500米時(shí)，可能性逐漸增大；采深超過500米時(shí)，這種增大的幅度和力度空前加大。通過這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)不難發(fā)現(xiàn)，開采深度越大，煤體的應(yīng)力越高，發(fā)生沖擊地壓的概率也會(huì)越大；開采技術(shù)因素。開采技術(shù)對(duì)沖擊地壓的影響主要有兩種表現(xiàn)形式：一是因開采導(dǎo)致煤巖體的應(yīng)力迅速增加，在一定區(qū)域、一定范圍內(nèi)形成高應(yīng)力集中；二是原本具有高應(yīng)力的煤巖層，在采動(dòng)條件作用下，誘發(fā)沖擊地壓[9]。不管是哪種形式，不合理的開采技術(shù)都會(huì)間接地加大沖擊地壓發(fā)生的概率。

影響沖擊地壓發(fā)生的主要地質(zhì)因素為斷層和褶曲等地質(zhì)構(gòu)造。對(duì)于斷層的誘沖機(jī)理，可從兩方面說明：一方面，由于斷層的隔斷作用，開采引起的超前采動(dòng)應(yīng)力不能繼續(xù)向前傳遞，因此當(dāng)開采方向朝向斷層時(shí)，將造成采動(dòng)應(yīng)力在斷層前不斷積聚，由此而引發(fā)沖擊地壓；另一方面，斷層在受到采動(dòng)影響時(shí)可能活化，產(chǎn)生滑動(dòng)，從而形成動(dòng)載誘發(fā)沖擊。褶曲本身是在水平應(yīng)力作用下擠壓而成，因此褶曲區(qū)域具有較高的水平應(yīng)力，在采動(dòng)影響下也容易形成應(yīng)力集中。其他地質(zhì)影響因素還有煤層傾角和煤厚變化等，如新汶華豐煤礦、甘肅華亭煤礦和北京木城澗礦均為大傾角煤層開采，兗州濟(jì)三礦和新汶?yún)f(xié)莊礦都存在煤厚變化條件。除了上述因素，在地震活動(dòng)頻繁區(qū)的煤礦也容易受到地震活動(dòng)的影響而發(fā)生沖擊地壓。

3.2 沖擊地壓的監(jiān)測(cè)方法

3.2.1 鉆屑法檢測(cè)技術(shù)

鉆屑法是通過在煤層中鉆小直徑鉆孔（直徑42mm～50mm），根據(jù)鉆孔在不同深度煤粉量及其變化規(guī)律以及有關(guān)動(dòng)力現(xiàn)象判斷沖擊危險(xiǎn)的一種方法。就是通過測(cè)量鉆孔煤粉量的大小以確定相應(yīng)的煤體應(yīng)力狀態(tài)，當(dāng)向煤體打鉆孔時(shí)，其排粉量由兩部分組成：一是鉆孔過程中與孔徑相同的煤體破碎后形成的煤粉，二是成孔后，煤體中的應(yīng)力使孔徑發(fā)生變化而產(chǎn)生的煤粉。前者僅與孔徑有關(guān)，后者則與圍巖應(yīng)力狀態(tài)及力學(xué)性質(zhì)有關(guān)，這就是鉆屑法的依據(jù)所在。

圖1 鉆孔效應(yīng)示意圖

在煤體中打鉆至一定深度后，鉆孔周圍煤體將逐漸達(dá)到極限應(yīng)力狀態(tài)，如圖1所示。孔壁部分煤體可能突然擠入孔內(nèi)，并伴有不同程度的響聲和微沖擊；打鉆過程中鉆具的推進(jìn)情況也會(huì)發(fā)生變化，或出現(xiàn)卡鉆甚至將鉆卡死，在鉆孔的B段，孔周煤體處于極限應(yīng)力狀態(tài)，打鉆過程中鉆粉量異常增多，鉆屑粒度增大，這就是所謂的鉆孔效應(yīng)[10]。鉆屑監(jiān)測(cè)法操作方便、直接，便于現(xiàn)場(chǎng)施工人員掌握，但工作量大，占用人員多，進(jìn)度慢，生產(chǎn)活動(dòng)影響較大。

3.2.2 電磁輻射技術(shù)

電磁輻射法是一種地球物理法，其發(fā)現(xiàn)和研究首先是由前蘇聯(lián)的科學(xué)家在研究巖石的形變時(shí)發(fā)現(xiàn)的，主要應(yīng)用于橋梁隧道等工程方面，后來經(jīng)過發(fā)展才應(yīng)用于煤礦和其它有電磁輻射現(xiàn)象的地方。

煤、巖等其它一些固體中都含有束縛態(tài)的帶電離子和自由態(tài)的帶電電子，當(dāng)其受到外部應(yīng)力壓迫時(shí)，因受載不均勻，煤體或巖體的各部分發(fā)生不規(guī)則的變形及其破裂，導(dǎo)致固體內(nèi)部電荷發(fā)生遷移，而裂縫的發(fā)展也會(huì)帶動(dòng)帶電粒子的變速運(yùn)動(dòng)，這樣就會(huì)產(chǎn)生電磁輻射的現(xiàn)象[11]。在實(shí)際中發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力越集中，變形破壞過程越強(qiáng)烈，得到的電磁輻射信號(hào)越強(qiáng)，集中量化指標(biāo)體現(xiàn)在電磁輻射強(qiáng)度和脈沖。

3.2.3 微震檢測(cè)技術(shù)

震動(dòng)場(chǎng)監(jiān)測(cè)采用微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)，其基本原理是巖石在應(yīng)力作用下發(fā)生破壞并產(chǎn)生微震和聲波，在采動(dòng)區(qū)頂板或底板內(nèi)布置多組檢波器并實(shí)時(shí)采集微震數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，運(yùn)用震動(dòng)定位原理，可確定破裂發(fā)生的位置，并在三維空間上顯示出來。一般情況下，如果微震事件隨著工作面的推進(jìn)發(fā)生次數(shù)不斷增加、釋放的能量不斷上升，微震事件朝著工作面的方向不斷發(fā)展，這在一定程度上說明煤礦沖擊地壓的發(fā)生前兆[13]。

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（作者單位：黑龍江科技大學(xué)）