基于沖擊啟動過程的近場圍巖沖擊危險性電磁波CT評估方法

劉少虹，潘俊鋒，王洪濤，唐忠義，夏永學，曹延福，張晨陽

(1.煤炭科學研究總院 開采研究分院，北京 100013; 2.天地科技股份有限公司 開采設計事業部，北京 100013; 3.陜西長武亭南煤業有限責任公司，陜西 咸陽 713600)

近年來，隨著開采深度和強度的逐漸增大，沖擊地壓災害發生頻率逐年升高，嚴重威脅礦井的安全生產。沖擊危險性評價的傳統方法包括綜合指數法、沖擊地壓可能性指數診斷法、動態權重法等[1-4];近年來，發展出基于實時監測數據的沖擊危險性評估方法[5-9]，對沖擊地壓防治做出了較多貢獻，但由于煤巖地質條件的多變性、復雜性，以及設備精度和評價模型的局限，不能反映近場圍巖全部沖擊危險情況。

地下電磁波法(CT)借鑒工業CT和醫學CT[10-11]，依據電磁波在地下有耗介質中傳播規律及一定的物理和數學關系反演透視剖面上的構造、裂隙帶、煤厚變化以及陷落柱等[12-15]分布，最終以圖像形式呈現。電磁波CT探測操作方便，僅需打2個鉆孔;探測頻率最高可達32 MHz，能夠實現巷道近場圍巖的精確探測[16]。

筆者考慮了沖擊啟動過程經歷的“能量釋放→能量傳遞→沖擊顯現”3個階段，分析了基于沖擊啟動過程的沖擊危險性評估的理論基礎，構建了包括能量集中指數、屈服接近指數、能量傳遞衰減指數和支護損傷指數等4個指標的沖擊危險性評估體系;由此，以電磁波CT探測為平臺，建立了能夠劃分近場圍巖沖擊危險區域及危險等級的評估方法。并將其應用于現場實踐，實踐表明該方法應用效果良好。

1 電磁波CT探測與沖擊危險性的關系

電磁波CT法是利用無線電波在2個鉆孔中分別發射和接收，根據不同位置上接收的場強大小，來確定地下介質特性的一種地球物理勘查方法，它的工作頻率最高可達32 MHz。電磁波CT法中的場強觀測值公式[15-16]為

(1)

(2)

當電磁波在地下同一性質的介質中傳播時，破裂帶和結構面的存在會減弱電磁波，煤體破壞程度越高對電磁波的吸收系數越高，從而電磁波的衰減程度越大，利用這一差異反映圍巖破裂區的分布情況及發育程度。

由式(2)可知，對煤層進行電磁波CT探測，煤的電磁波吸收系數主要隨介電常數和電阻率的變化而變化。由實驗室實驗結果[17]，煤的介電常數和電阻率與煤體承受應力相關，而煤體承受應力又與沖擊危險性密切相關，因此可以說煤層中電磁波CT探測與沖擊危險性是相關的，以下具體說明。

通過實驗發現[17]，煤的電阻率ρ與其承受應力σ間呈線性關系，如式(3)所示:

ρ=aσ+b

(3)

式中，a，b為常數，由實驗結果，a的區間為(-5.1×10-3,5.7×10-2)，b的區間為(3.7,13.5)。

(4)

式中，c，d為常數，由實驗結果,c的區間為(3.0×10-4,1.2×10-2)，d的區間為(1.6,2.7)。

綜上，將式(3)和(4)代入式(2)中，可得電磁波吸收系數與應力近似呈線性關系，即與沖擊危險性呈線性關系，如圖1所示。

圖1 電磁波吸收系數與應力的關系曲線Fig.1 Relationship between the absorption coefficient of electromagnetic wave and the stress

根據已有研究成果[18]，由煤巖變形破壞過程應力-應變曲線，建立的煤巖體沖擊危險性判別準則如下:

式中，Wε(t)煤巖體沖擊危險性指數;t為時間，s;ε(t)為煤巖體當前時刻的應變值;ε0為煤巖體出現微破裂時的初始應變值;ε1為煤巖體完全破壞時的最終應變值。

綜上分析，電磁波吸收系數與沖擊危險性呈線性關系，可參照式(5)進行歸一化處理，且需要根據參量的物理意義簡單調整，具體過程詳見3.2節。

2 基于沖擊啟動過程的沖擊危險性評估原理

2.1 基于沖擊啟動過程的沖擊危險性評估理論基礎

由沖擊地壓啟動理論[1]，沖擊地壓發生經歷3個階段，依次為沖擊能量釋放階段(沖擊啟動)、沖擊能量傳遞階段和沖擊地壓顯現階段。通過將沖擊發生過程進行細化，能夠更好的確定沖擊地壓發生過程，提高沖擊危險性的各個因素。

沖擊地壓啟動的能量條件為極限平衡區集聚的彈性應變能加上頂板斷裂傳遞來的動載荷能量大于該區煤巖破壞所需要的最小能量，如式(6)所示:

EΩ 0-Ec>0

(6)

其中，EΩ 0為極限平衡區集聚的彈性應變能，J;Ec為煤巖破壞所需要的最小能量，J。巷道近場圍巖內的支承壓力區，蘊藏較多彈性能，是主要的沖擊地壓啟動區域，該區域越完整的圍巖，蘊藏越多的彈性能。

由強度理論[2]，當煤巖體內的應力值超過其強度極限時，才有可能破壞失穩，繼而發生沖擊地壓，如式(7)所示:

σ-σc≥0

(7)

式中,σ為煤巖體內的應力值，MPa;σc為煤巖體的強度，MPa。

現有研究成果表明，巷道圍巖存在分區破裂現象。其中，破裂區承載能力較低，應力會向破裂區四周的完整區轉移。應力值越大，煤層破壞程度越高，應力轉移量越大，完整區應力越集中，沖擊危險性就越高。而這種現象在裂隙發育程度變化梯度越劇烈的區域，表現的越明顯。

由卸壓支護耦合思想，巷道近場圍巖支護區內和支護區外雖然對于沖擊地壓防治的作用不同，卻構成了一個有機整體。圍巖支護區可以抵抗沖擊或減弱沖擊顯現程度，其完整性越好巷道抗沖擊能力越強，沖擊危險性越低。而在支護區外，采取松散煤體的方式，降低煤體的強度和沖擊傾向性，使得應力高峰向煤體深部轉移，并降低應力集中程度，釋放煤體蘊藏的彈性能，從而降低圍巖的沖擊危險性[19]。最終，形成近場圍巖“外弱內強”的卸壓支護耦合結構，有效降低了沖擊危險性。

由屈服接近度的思想，來定量化描述完整區接近屈服破壞的程度[20];對于巷道非均質的近場圍巖來說，完整區的破壞失穩向外釋放能量是導致沖擊地壓發生的必要條件，也就是說完整區的屈服接近程度是影響沖擊地壓發生的重要因素，在進行危險性評價的時候需要對該因素進行考慮。

綜上所述，巷道近場圍巖是沖擊地壓啟動的主要區域，依據沖擊啟動過程經歷的“能量釋放(沖擊啟動)→能量傳遞→沖擊顯現”3個階段，近場圍巖內能量聚集程度和屈服接近程度、能量在傳遞過程中的衰減程度以及支護區的損傷程度對于沖擊地壓的發生均具有較大影響;在對近場圍巖沖擊危險性的評價中，需要對這些因素進行綜合考慮。

2.2 基于沖擊啟動過程的沖擊危險性評估原理

巷道開挖后，支承壓力區內裂隙區分布不均將導致支承壓力分布發生變化(圖2)，破裂區壓力有所降低(圖2中Pd)，與其相鄰的完整區壓力則會增高(圖2中Pu1和Pu2)，完整區沖擊危險性隨之增大。同時，隨著裂隙發育程度的升高，完整區與裂隙區之間的壓力變化梯度(約為(Pd+Pu1)/dg和(Pd+Pu2)/dg)將隨之增大，dg為過渡區寬度。相比于均勻受力的煤體，壓力變化梯度較大的煤體更容易發生失穩[6]，具有更高的沖擊危險。這里將完整區和裂隙變化梯度較大的區域統稱為能量聚集區。

圖2 近場圍巖沖擊啟動過程示意Fig.2 A schematic diagram of rock burst start-up process

能量聚集區域的屈服接近程度是能量釋放難易程度的體現，與其沖擊危險性密切相關。此外，釋放的能量將以震動波形式在近場圍巖內傳播，傳播過程伴隨著衰減，從而近場圍巖內能量釋放區至支護體的距離L是影響沖擊危險性的另一因素，如圖2所示。最后，能量傳遞到支護區，支護區的損傷程度就成為抵抗沖擊能量能力的體現，也就是影響沖擊危險性的因素之一。

綜上分析，建立近場圍巖沖擊地壓啟動的判別條件，如式(8)所示:

Es{Pu>Pc}L-η>Ec

(8)

式中，Es為完整區屈服卸載向外釋放的能量，J;Ec為支護體破壞所消耗的能量，J;Pu為完整區受到的壓力，N;Pc為完整區的屈服極限，N;L為完整區至支護區的距離，m;η為能量在傳播過程中的衰減系數。

通過式(8)可以說明4個影響因素與近場圍巖沖擊危險性之間的定量化關系。同時，式(8)中完整區屈服卸載向外釋放的能量不易直接測得，但其通常與完整區蘊藏的能量成正比，這里將通常完整區蘊藏能量作為沖擊危險的主要影響因素。

3 基于沖擊啟動過程的沖擊危險性電磁波CT評估方法

3.1 基于沖擊啟動過程的沖擊危險性評估體系

3.1.1 評估體系的建立

基于沖擊啟動過程的沖擊危險性評估體系包括4個影響因素，即近場圍巖蘊藏的能量、屈服接近度、能量傳遞衰減指數、支護區損傷程度，屬于多因素綜合評價。

首先，設定能量集中指數為ue、圍巖屈服接近指數為uy、能量傳遞衰減指數為uL、支護區損傷指數為uc等。影響因素的集合為

u=(ue,uy,uL,uc)

在實際探測中，整個探測區域有m個網格節點，那么對于單一影響因素ui在探測區域會有1組集合：

ui=(ui1,ui2,…,uim)

4個影響因素在整個探測區域的集合就構成影響因素矩陣U，即

在諸影響因素(ue,uy,uL,uc)之間，對于總評價結果的影響程度各不相同，影響程度的大小與整個探測區域的探測結果以及各指標的危險程度有關，這個影響程度即為權重，本節第2部分將詳細說明。評價的權重可以看成影響因素論域上的子集，每個網格節點的權重記作:

Ai=(aie,aiy,aiL,aic)

整個探測區域上m個網格節點的權重矩陣為

將A和U中序號相同的行列相乘，得到多因素綜合評判結果:

(9)

矩陣B中的主對角線元素bii(i=1,2,3,…,m)即為每個網格節點的最終評估結果，如下式所示：

bii=aieuie+aicuic+aiyuiy+aiLuiL

(i=1,2,…,m)

(10)

根據統計及模糊數學、實驗室試驗和現場實測等結果，定量化地將沖擊危險分為4個等級，分別為無、弱、中等和強沖擊危險，方法中B值對應的沖擊危險等級標準見表1[9,21-22]。

表1圍巖沖擊危險等級劃分
Table1Classificationofdangergradeofrockburst

圍巖指標沖擊危險等級B值①無B<0.25②弱0.25≤B<0.50③中0.50≤B<0.75④強0.75≤B

3.1.2 評估權重的確定

權重的確定是多因素綜合評估的關鍵。這里需要確定的權重包括根據各指標量值差異程度設定的屬性權重，以及根據各指標危險等級設定的等級權重。

(1)評價指標屬性權重的確定，熵可以度量已知數據含有的有效信息量，而熵權法是以實測數據為基準計算各個評估指標的屬性權重，從而有效避免了主觀判斷的影響[23]。具體步驟如下[24]:

① 原始數據歸一化。為了方便計算，將4個評估指標n個評估對象的原始數據矩陣U=(uij)4×n，對其歸一化處理后得到R=(rij)4×n。

(11)

② 熵值計算。在有n個評估對象，每個對象有4個指標的問題中，第i個指標的熵值為

(12)

③ 熵權計算。在計算得到第i個指標的熵值之后，那么該指標的熵權由下式計算:

(13)

(2)評價指標等級權重的確定[7]，等級權重是由指標量值的安全等級而設定的權重。在多因素綜合評價中，1～2個危險等級較高指標，易被其它危險等級低的指標中和，導致評價的最終危險等級被降低，失去客觀公正性。為此，根據指標危險等級的高低設定權重，當某項指標危險等級較高，其權重便相應增大，從而避免被其它指標中和，4個危險等級分別設定等級權重。

首先，根據分級情況計算評價指標的隸屬度，這里采用正態隸屬函數進行計算，即

(14)

(3)評價指標綜合權重的確定

指標的綜合權重W可由下式求得，即

其中，

(15)

3.2 基于沖擊啟動過程的沖擊危險性電磁波CT評估指標

通常，上述評價體系中的4個影響因素具有不同的計量單位，需要分別將其與電磁波探測建立聯系，基于電磁波探測結果將其分別進行表達，具體如下:

(1)近場圍巖的能量集中指數

根據評估的理論基礎，近場圍巖的能量集中指數是由電磁波吸收系數異常指數和吸收梯度指數構成。

① 吸收系數異常指數

考慮電磁波吸收系數對圍巖沖擊危險性的影響，構建吸收系數異常指數為

(16)

式中，β為吸收系數的實測值，dB/m;βmax為測區內圍巖對電磁波吸收系數的最大值，dB/m;β0為測區內圍巖對電磁波吸收系數的平均值，dB/m;α為動壓特征參數，根據以往實測案例及實驗結果，α在無動壓顯現區域取1.2，強動壓顯現區域取1.0，弱動壓顯現區域取1.1[11]。

吸收系數異常變化與煤巖體裂隙發育程度之間的關系為:正吸收系數異常指數(BI≥0)表征電磁波衰減異常與圍巖破壞程度的關系，數值越大說明破壞程度越高，此時對于支護圍巖該值越大則支護質量越差，而對于支護外圍巖則是應力釋放越充分;負吸收系數異常指數(BI<0)表征電磁波衰減異常與圍巖完整程度的關系，數值越小說明完整性越好;此時對于支護圍巖該值越小則支護質量越好，而對于支護外圍巖則是應力越集中。

② 吸收系數梯度指數

考慮電磁波吸收系數變化梯度與沖擊危險性的關系，構建吸收系數梯度指數為

(17)

式中，Gβ為測區內圍巖某節點電磁波吸收系數的梯度，dB/m2;Gβmax為現場條件下測區內電磁波吸收系數梯度的最大值，dB/m2;α為動壓特征參數，取值同前。

吸收系數梯度Gβ取測區內某一節點相鄰四周電磁波吸收系數變化率的最大值。在離散數據中，一般先對周圍8個節點求取一階方向導數，最后取其最大值，如圖3所示，中心網格(m，n)的吸收系數梯度可表示為

(18)

式中，dβ為網格邊長;x，y分別為周圍每一個網格的縱、橫向編號。

圖3 離散數據梯度計算示意Fig.3 Sketch of gradient calculation using discrete data

③ 近場圍巖的能量集中指數

基于上述分析，近場圍巖的能量集中指數記作:

(19)

式中，ue為近場圍巖的能量集中指數;本模型中ge，se均取0.5[9,16]。

(2)近場圍巖的屈服接近指數

表現屈服接近的完整區應力和屈服極限難以直接獲得，這里通過圍巖松動圈及其它區域的電磁波衰減系數的差異對其進行定量化體現。通常認為近場圍巖0～2 m范圍屬于松動圈范圍，該范圍內煤體處于塑性狀態，以該范圍圍巖的電磁波吸收系數的平均值作為屈服點，以此為標準建立近場圍巖的破壞接近度指數，用來反映近場圍巖接近屈服的程度，該指數重點評價的是近場圍巖的完整區，這些區域通常也是彈性能聚集的區域。

(20)

式中，β為實測的電磁波吸收系數,dB/m;βy為屈服點的電磁波吸收系數,dB/m。

(3)近場圍巖內能量傳遞衰減指數

在完整區屈服破壞釋放的能量需要在近場圍巖內傳遞，而在傳遞過程中能量會出現衰減，這里用近場圍巖內能量衰減指數進行表示。它與距離支護區的距離以及傳遞路徑上圍巖的破壞程度相關。能量的釋放是向四面八方的，這里的傳遞路徑重點指的是與支護區之間的傳遞路徑，這個傳遞路徑與沖擊地壓的發生關系較為密切，如圖4所示。

圖4 近場圍巖探測區域沖擊能量傳遞路徑示意Fig.4 Schematic diagram of rock burst energy transfer path in near-field surrounding rock exploration area

能量傳遞衰減指數uL與電磁波吸收系數之間的關系，可以記作:

(21)

(22)

(4)近場圍巖的支護損傷指數

支護區抵抗沖擊地壓的最后一道屏障，它反映了近場圍巖抵抗沖擊的能力，這里用支護損傷指數進行表示。支護區內網格點的支護損傷指數就是其自身的破壞程度，而支護區外網格點的支護損傷指數是與其鄰近的支護區的破壞程度，這些支護區域時能量釋放時直接受到沖擊的區域，如圖5所示。近場圍巖的支護損傷指數的計算公式如式(23)所示。實際計算時，臨近支護區的破壞指數的平均值。

(23)

式中，gc，sc均取0.5[9,16]。

圖5 近場圍巖探測區域臨近的支護區示意Fig.5 Schematic diagram of adjacent support area for near-field surrounding rock exploration area

3.3 評估方法的編程實現流程

基于沖擊啟動過程的沖擊危險性電磁波CT評估方法的編程實現流程如圖6所示。

圖6 沖擊危險性評估方法編程實現流程Fig.6 Flow chart of programming of rock burst evaluation method

圖7 207工作面采掘工程平面Fig.7 Map of mine working of 207 working face

4 工程實踐

4.1 工作面概況及探測方案

試驗地點為陜西長武亭南煤礦207工作面回風巷，探測區域埋深529 m，主采4號煤層平均厚度17.3 m，傾角7°，具有強沖擊傾向，煤層頂板為抗壓強度28.7 MPa的細粒砂巖，具有強沖擊傾向，底板為砂質泥巖，具有弱沖擊傾向;207工作面長度200 m，207回風巷為鄰空巷道，巷寬為5.2 m，其一側區段煤柱寬度30 m，采掘平面如圖7所示。207回風巷掘出后在區段煤柱內布置巷道的區域，出現了動力顯現，威脅了礦井的安全生產，防沖形勢較為嚴峻。

孔間電磁波CT探測技術在實際操作中，分別在探測區域兩側鉆取激發孔和接收孔，將激發設備和接收設備安裝至孔中，激發點發射高頻電磁波，位于另一側的接收點進行接收。激發步距L設定為0.5或1 m，采用完備測量，即激發孔和接收孔中從孔口開始向里間隔1 m設定觀測點，所有觀測點均有組合，如圖8所示。

電磁波CT探測包括兩類區域:① 區段煤柱內多巷道布置區域;② 區段煤柱內未布置巷道區域。具體的探測參數如圖9和表2所示。

圖8 完備測量下孔間電磁波覆蓋區域示意Fig.8 Schematic diagram of electromagnetic wave coverage between two holes under complete measurement

4.2 探測結果及沖擊危險性評估

以207回風巷30 m煤柱幫(2號區域)為例，能量集中指數ue、屈服接近指數uy、能量傳遞衰減指數uL和支護損傷指數uc的計算結果如圖10所示。

由前文介紹的熵權法計算207工作面4個評價指標的屬性權重為[0.02，0.36，0.05，0.57];并計算探測區域內每個節點的等級權重，由于篇幅有限僅列出前100個節點的等級權重，見表3，根據前文各指標的危險性越高，其等級權重越大。由圖10中的計算結果中可以得出2號探測區域沖擊危險性評估結果。

圖9 煤柱區孔間電磁波CT探測區域及測區布置Fig.9 Electromagnetic wave CT detection area and layout in coal pillar area

測區編號激發孔深度/m接收孔深度/m孔間距/m探測面積/m2激發次數電磁波頻率/MHz11313151809002～3221010123001 6002～3231313153001 6002～32477121809002～32

圖10 基于沖擊啟動過程的近場圍巖沖擊危險性評價指標計算結果Fig.10 Calculation results of evaluation index of risk assessment of rock burst base on rock burst start-up process in near field surrounding rock

節點序號ueucuyuL節點序號ueucuyuL10.1200.4960.0890.295510.1030.4890.0890.31820.1540.4120.1010.333520.0880.4600.0810.37130.1840.3110.1170.388530.0710.4420.0770.40940.1530.4180.1000.330540.0680.4480.0730.41150.1140.5000.0890.296550.0590.3400.1710.43060.0860.4560.0800.378560.0770.3380.1460.43970.0740.4460.0800.400570.0780.3410.1400.44280.0780.4460.0780.398580.0860.3810.1300.40390.1120.5040.0890.295590.0910.3900.1150.405100.1020.4140.2130.271600.1040.4160.0920.388110.1120.4150.2010.272610.1300.4400.1000.330120.1060.4300.1830.281620.1380.4230.1020.338130.1180.4260.1760.279630.1430.4320.0990.327140.1060.4400.1540.300640.1190.4980.0890.294150.1190.4480.1400.293650.1130.4930.0910.302160.1230.4980.0880.291660.0960.4760.0880.339170.1540.4120.1010.333670.0760.4490.0800.395180.1830.3160.1160.385680.0930.4640.0820.361190.1530.4180.1000.330690.0720.4440.0770.407200.1140.5000.0890.296700.0840.3740.1860.356210.0920.4540.0790.374710.0800.3600.1550.404220.0750.4480.0790.398720.1260.4290.1740.271230.0740.4570.0740.395730.0870.3940.1350.383240.0770.4470.0770.399740.0960.3990.1160.389250.0790.3550.1830.384750.0640.3670.0700.498260.0810.3690.1730.377760.1250.4490.0990.328270.0820.3630.1540.402770.1230.4590.0970.321280.0940.3870.1520.367780.1190.4720.0950.314290.0990.4110.1330.357790.1120.5030.0890.295300.1280.4460.1340.292800.1020.4880.0910.320310.1250.4910.0890.295810.0880.4590.0880.364320.1600.4100.1000.330820.0760.4470.0800.396330.1730.3870.1020.338830.0740.4450.0800.402340.1530.4180.1000.330840.0720.4440.0780.407350.1200.4730.0940.312850.0650.3750.1840.375360.0970.4750.0840.343860.0800.3640.1620.394370.0750.4480.0790.397870.0830.3800.1540.383380.0690.4430.0750.413880.0830.3770.1380.402390.0760.4470.0770.401890.0640.3760.1110.449400.0590.3520.1760.414900.0620.3700.0730.494410.0630.3700.1580.408910.1110.4730.0960.320420.0620.3490.1400.450920.1130.4970.0900.300430.0850.3960.1300.389930.0960.4730.0840.347440.0950.4000.1160.390940.0880.4570.0800.375450.1320.4630.1090.296950.0860.4570.0860.371460.1230.4980.0880.291960.0910.4630.0900.355470.1540.4130.1000.333970.0780.4440.0830.395480.1540.4130.1000.333980.0740.4470.0790.400490.1350.4780.0900.297990.0870.4610.0830.369500.1150.4940.0900.3001000.0730.3870.1850.355

圖11為207回風巷探測區域的沖擊危險性指數分布云圖，探測區域內D最大值為0.55，最小值為0。總體來看，測區內絕大部分區域沖擊危險性指數小于0.5。

圖11 基于沖擊啟動過程的近場圍巖沖擊危險性評估結果Fig.11 Calculation results of risk assessment of rock burst base on rock burst start-up process

根據沖擊危險探測云圖對各個探測區域的沖擊危險性進行具體分析:

(1)由圖11(a)可知，30 m煤柱區回采幫在支護區外，探測區域中部支護區邊緣由于完整性較高且距離支護區較近，具有較高的沖擊危險。探測區域兩側由于正對的支護區破壞程度較高，抵抗沖擊能力比較弱，因此具有較高的沖擊危險性。在支護區內，主要是探測區域兩側，由于破壞程度較高具有較高的沖擊危險性。

(2)由圖11(b)可知，30 m煤柱區煤柱幫在支護區外，探測區域的中部和邊緣位置，均具有較高的沖擊危險性。在探測區域的兩側，由于能量集中程度相比差異不大，但由于一側對應的支護區破壞程度較高，從而具有較高的沖擊危險性。

(3)由圖11(c)可知，18 m煤柱區回采幫在探測區域的中部由于距支護區較近，并且蘊藏較多彈性能，具有較高的沖擊危險。而探測區域兩側沖擊危險性較低。

(4)由圖11(d)可知，18 m煤柱區煤柱幫由于應力集中程度較高探測孔易塌孔，探測深度僅為7 m。由探測結果可知，支護區外沖擊危險性較高的區域與支護區內沖擊危險性較高的區域的位置大致相同，表明局部支護強度較低是支護區外沖擊危險性升高的原因之一。

(5)將圖10中4個區域的探測結果橫向對比發現，30 m煤柱區的煤柱幫相比于回采幫，其沖擊危險區域的面積要更大，表明煤柱幫應力集中程度相對較高。而從危險指數的數值分析，18 m煤柱區煤柱幫的沖擊危險性要大于其它探測區域。并且發現，18 m煤柱區支護外的沖擊危險區域距離煤壁僅為6 m，說明18 m煤柱區由于應力集中程度較高塑性區范圍有所增大，支護損傷程度較高。

總之，通過沖擊危險指數云圖可知，受更多因素影響的區域其沖擊危險性有了升高，并且僅受單一因素影響的區域的沖擊危險性也不會被其它因素中和。

4.3 與以往沖擊危險性評估結果的對比與驗證

圖12為采用以往沖擊危險性電磁波CT評估方法[16]，僅考慮能量集中程度的危險性評價結果。對比圖12和圖11(b)可知，探測區域中部在以往危險性評價時無沖擊危險，但在基于沖擊啟動過程的危險性評估時出現了沖擊危險，這是由于其距離支護區較近，且相鄰支護區域損傷程度較高，其實際的沖擊危險性相比于僅考慮能量聚集時的更高。

圖12 2號區域(30 m煤柱區煤柱幫)以往沖擊地壓危險評價結果Fig.12 No.2 area (coal pillar of 30 m coal pillar area) past rock burst risk index detection results

采用鉆屑法對評估結果進行驗證。鉆屑法是通過在煤層中鉆進直徑為42～50 mm的鉆孔，根據排出的煤粉量及其變化規律和動力現象，判別沖擊危險性的方法。這里采用鉆屑法對30 m煤柱區煤柱幫沖擊危險性進行檢測，如圖13所示。

圖13 30 m煤柱區煤柱幫鉆屑量曲線Fig.13 Drilling amount curve in coal pillar wall of 30 m coal pillar area

由圖13可知，距煤壁5～11 m煤粉量較大，具有較高的沖擊危險性。以往的危險性評估方法僅識別了深度為8.5～10 m的危險區域，而基于沖擊啟動過程的沖擊危險性評估方法將5～10 m的危險區域全部識別，從而驗證了該方法的優勢及有效性;進而說明了相比于以往的沖擊危險性電磁波CT評價方法，綜合考慮更多影響因素提升了沖擊危險區域及危險等級的辨識度，更為明確的反映了沖擊地壓發生的危險程度。

5 討 論

(1)與沖擊地壓預測研究的關系。

不同于以往的沖擊危險性評價中僅考慮能量的聚集程度和變化梯度，這里引入了屈服接近度的概念，考慮了能量釋放的難易程度，使得評價結果中蘊含了沖擊地壓未來發生的可能性，與沖擊地壓預測研究聯系更為緊密。在以后研究中，還需注意高沖擊危險性區域之間的相互影響及聯動機制的分析，以此對沖擊地壓發生強度及演化過程進行預判。

(2)與煤柱區沖擊危險性評價的關系。

基于沖擊啟動過程的近場圍巖沖擊危險性評價方法兼顧了能量聚集程度和屈服接近程度、能量在傳遞中的衰減程度以及支護區損傷程度等4個方面。對于煤柱區，由于應力集中程度較高，相比于普通巷道近場圍巖能量聚集的程度更高、屈服接近的程度更大以及支護體破壞程度更大，即煤柱區的沖擊危險性更需要對能量聚集、屈服接近和支護損傷的同時考慮，而這是以往沖擊地壓危險性評價方法所無法實現的;相對而言，基于沖擊啟動過程的近場圍巖沖擊危險性評價方法，由于綜合考慮了上述多因素的影響，能夠更為準確的劃分煤柱區沖擊危險區域及危險等級，對于煤柱區沖擊地壓防治具有較好的應用價值。

6 結 論

(1)考慮了沖擊啟動過程經歷的“能量釋放→能量傳遞→沖擊顯現”3個階段，分析了基于沖擊啟動過程的沖擊危險性評估的理論基礎，從而構建了包括能量集中指數、屈服接近指數、能量傳遞衰減指數和支護損傷指數等4個指標的沖擊危險性評估體系。由此，以電磁波CT探測為平臺，建立了近場圍巖沖擊危險性的評估方法。

(2)相比于以往巷道近場圍巖的沖擊危險性評估方法，本方法依據沖擊啟動過程將評估體系細化，提升了對沖擊危險區域的辨識度，為巷道沖擊地壓治理提供了更為準確的依據，尤其是對于煤柱區沖擊地壓防治具有較好的應用價值。

(3)該評估方法在亭南礦207回風巷應用發現，區段煤柱內布置巷道大幅升高了鄰空巷道圍巖的應力集中程度及支護損傷程度，進而具有更高的沖擊危險性。通過鉆屑法驗證了基于沖擊啟動過程的沖擊危險性評估方法的有效性。

本文提出的沖擊危險性評估方法在陜西亭南煤礦207工作面得到成功應用，該方法還需要通過在更多礦井的應用中不斷完善，對評估方法的適用性和實用性做進一步研究。