煤礦沖擊礦壓機理、監(jiān)測預警及防控技術(shù)研究*

竇林名 周坤友 宋士康 曹安業(yè) 崔 恒 鞏思園 馬小濤

(①中國礦業(yè)大學深部煤炭資源開采教育部重點實驗室， 徐州 221116， 中國) (②中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院， 徐州 221116， 中國) (③陜西正通煤業(yè)有限責任公司， 咸陽 712000， 中國) (④淄博礦業(yè)集團有限責任公司， 淄博 255000， 中國)

0 引 言

由于長期高強度開發(fā)，我國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，更是一種圍巖力學狀態(tài)的改變(謝和平等， 2015a)。圖 1為統(tǒng)計的我國煤炭開采深度與沖擊礦壓礦井數(shù)量的關(guān)系，可知，隨著應力環(huán)境的惡化，深部煤炭開采過程中沖擊礦壓礦井數(shù)量大幅增加(竇林名等， 2001； 謝和平等， 2015a，2015b； 藍航等， 2016； 齊慶新等， 2019)。近年來，深部沖擊災害頻發(fā)，造成嚴重的人員傷亡和經(jīng)濟損失，如2017年11月，遼寧紅陽三礦沖擊地壓事故(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)國家礦山安全監(jiān)察局統(tǒng)計，目前全國13個省(區(qū))正在生產(chǎn)的沖擊地壓礦井共138處(國家礦山安全監(jiān)察局綜合司， 2021)，我國主要產(chǎn)煤基地均有沖擊礦壓災害發(fā)生，深部煤炭開采沖擊形勢愈發(fā)嚴峻。因此，進一步加強深部開采沖擊礦壓機理研究，提出并研發(fā)行之有效的沖擊危險監(jiān)測和防控技術(shù)及裝備已刻不容緩。

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

在沖擊礦壓方面，國內(nèi)外眾多專家學者已做了大量研究。其中：在沖擊機理方面，相關(guān)學者分別提出了具有代表性的經(jīng)典沖擊地壓機理，包括強度理論(Tan，2006)、剛度理論(Cook et al.，1966)、能量理論(鄒德蘊等， 2004)、變形失穩(wěn)理論(章夢濤， 1987)、沖擊傾向理論(竇林名等， 2006)、“三準則”理論(李玉生， 1985)、“三因素”理論(齊慶新， 1997)等。近年來，隨著相關(guān)研究手段及實驗方法的完善，眾多學者相繼提出利用突變理論(張黎明等， 2009)、損傷斷裂力學(李學龍， 2017)、分形理論(賈寶新等， 2015)等方法來解釋相應沖擊機理。另外，相關(guān)學者針對如褶皺區(qū)域(陳國祥等， 2008)、堅硬頂板(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的沖擊地壓發(fā)生機理。

在沖擊礦壓危險早期預測方面，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)、應力集中評價法(蔡武等， 2021)及數(shù)值模擬(郭曉菲等， 2021)等。在沖擊監(jiān)測預警方面，主要方法有鉆屑(Gu et al.，2012)、應力測量(劉金海等， 2014)、微震監(jiān)測(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(賀虎等， 2011)等。在此基礎上，相關(guān)學者也將多種監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合分析，進行沖擊危險多參量監(jiān)測預警。微震監(jiān)測方法作為一種連續(xù)、無損、區(qū)域性監(jiān)測方法得到廣泛應用，在覆巖運動研究、沖擊危險時空預警方面發(fā)揮了重要作用。近年來，相關(guān)學者對微震監(jiān)測數(shù)據(jù)進行深度挖掘，相繼提出了b值、A(b)等沖擊危險監(jiān)測預警指標并建立預警方法(夏永學等， 2010)； 另外，還將層析成像技術(shù)與微震監(jiān)測相結(jié)合研發(fā)了震動波層析成像技術(shù)及裝備(竇林名等， 2014)，利用礦震波形反演采掘區(qū)域波速場和應力場分布特征，實現(xiàn)了沖擊危險空間可視化探測。

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)先開采保護層(國家煤礦安監(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、頂板預裂爆破(薛成春等， 2021)、水壓致裂(高亮等， 2020)等。另外，相關(guān)學者對這些方法卸壓解危效果也給出了相應的理論解釋并進行相關(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)礦井進行了現(xiàn)場應用實踐，在降低沖擊危險、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，沖擊機理以及監(jiān)測預警手段大多考慮單一因素，現(xiàn)場實施的相關(guān)卸壓解危措施的作用機理仍有待解釋。近年來，中國礦業(yè)大學沖擊礦壓研究團隊通過長期理論研究、試驗研究及現(xiàn)場實踐在沖擊礦壓機理、監(jiān)測預警和防治方面取得了長足的進展，攻克了沖擊礦壓防治的多項關(guān)鍵技術(shù)難題，形成了“一個理論、三種原理、八項技術(shù)，一個云平臺”的沖擊礦壓監(jiān)測預警與防治技術(shù)裝備體系，如圖 2所示。

圖 2 沖擊礦壓機理、監(jiān)測預警與防治技術(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26個煤業(yè)集團以及孟加拉國、波蘭、澳大利亞等國家煤礦成功應用，取得了良好的社會經(jīng)濟效益。相關(guān)成果編入了《煤礦安全規(guī)程》、《煤礦防治沖擊地壓細則》等規(guī)程規(guī)范和相關(guān)標準。其中綜合指數(shù)法等沖擊危險性預測評價技術(shù)、電磁輻射等沖擊危險監(jiān)測技術(shù)及定向水力致裂等卸壓解危技術(shù)已在現(xiàn)場得到成熟應用，具體方法在其他文獻中有詳細論述。在此基礎上，本文詳細論述了團隊在沖擊機理、監(jiān)測預警、沖擊危險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。

1 沖擊礦壓機理及類型

1.1 動靜載疊加誘沖機理

根據(jù)長期的理論研究、實驗室試驗、現(xiàn)場試驗，認為沖擊礦壓的發(fā)生必須要滿足強度條件(Tan，2006)、能量條件(鄒德蘊等， 2004)等條件。即當煤巖體所受的應力沒有超過極限強度時，沖擊礦壓就不會發(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)的一種動力現(xiàn)象(李玉生， 1985； 蘇振國， 2015)。其能量機制可用式(1)進行描述：

(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為礦震等外部動載輸入的能量；Ub為沖擊發(fā)生時煤巖體消耗的能量。

煤巖體中儲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)所表述的應力條件：

σs+σd≥σb，min

(4)

式(1)～式(4)表明，采掘工程活動導致采掘空間圍巖應力與能量的重新調(diào)整，當圍巖靜載荷(σs)與外部動載引起的動載荷(σd)疊加超過煤巖沖擊破壞的臨界應力(σb，min)時，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)，動靜載疊加誘沖機理如圖 3所示。

圖 3 動靜載疊加誘沖機理(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

基于動靜載疊加誘沖機理，按照煤巖體發(fā)生沖擊礦壓時的受力特征、動靜載的來源、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力為主+動載擾動，能量釋放主體為煤柱。

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

(3)頂板破斷型：力源是靜載應力+頂板強動載擾動，能量釋放主體為頂板破斷運動。

(4)斷層滑移型：力源是靜載應力+斷層活化強動載擾動，能量釋放主體為活化滑移的斷層。

2 沖擊危險監(jiān)測預警技術(shù)

2.1 沖擊危險“應力-震動-能量”三場耦合監(jiān)測原理

根據(jù)動靜載疊加誘沖理論，沖擊礦壓是煤巖應力場、震動場、能量場共同作用的結(jié)果。沖擊礦壓發(fā)生的前提是煤巖體所受應力超過其極限強度，而當應力小于極限強度時，就不會發(fā)生沖擊礦壓。通過監(jiān)測煤巖體應力場的變化情況，可以達到?jīng)_擊礦壓預警的目的。沖擊礦壓發(fā)生時會有很強的震感，可以通過監(jiān)測這一震動形式，來達到?jīng)_擊礦壓預警的目的。由于沖擊礦壓是巷道或采場圍巖的彈性能的突然釋放導致的，當沖擊礦壓發(fā)生時，部分已破碎煤巖體獲得了較高的動能以較大速度向采掘空間拋出，因此只有當拋出的動能能量大于一定值時，才會發(fā)生沖擊礦壓，通過監(jiān)測這一能量變化，來達到?jīng)_擊礦壓預警的目的(竇林名等， 2017， 2020)。圖 5表示受載煤巖體變形破壞過程中煤巖應力-震動-沖擊變形能參數(shù)響應特征。因此，煤礦生產(chǎn)過程中，需要建立三場多參量綜合監(jiān)測預警技術(shù)體系，如圖 6所示，采取震動波CT反演、微震監(jiān)測及沖擊變形能監(jiān)測等方法對采掘范圍內(nèi)的“應力場-震動場-能量場”三場信息進行精確捕捉，同時分析其沖擊孕育程度、破壞模式及危險等級，做出綜合預警。

圖 5 煤巖受載-失穩(wěn)過程中應力-震動-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“應力-震動-能量”三場耦合監(jiān)測原理Fig. 6 Coupling monitoring mechanism of stress field， seismic field and energy field

2.2 沖擊危險應力場監(jiān)測技術(shù)

試驗表明，受載煤巖體縱波波速隨應力的增加而增加，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)系來表示。

表 1 震動波波速異常與沖擊危險關(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)煤巖體應力越高，震動波傳播速度就越高(鞏思園等， 2012a， 2012b)。工作面采掘過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微震監(jiān)測系統(tǒng)進行確定。若確定震動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)煤巖體中震動波速度場和應力場分布規(guī)律，進而確定高應力區(qū)和潛在沖擊危險區(qū)域。這可為沖擊礦壓災害的精準防治提供可靠依據(jù)。

基于上述研究和認識，團隊提出了沖擊危險震動波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)震動波的速度場V(x，y，z)或慢度場S(x，y，z)=1/V(x，y，z)分布規(guī)律。具體過程如式(6)～式(8)：

圖 8 近遠場沖擊危險震動波CT探測技術(shù)(Cao et al.，2015)Fig. 8 Seismic CT detection for rockburst hazard

圖 9 沖擊危險震動波主被動探測系統(tǒng)Fig. 9 Active and passive CT detection system

(6)

(7)

(8)

式中：Ti為震動波傳播時間；Li為第i條射線傳播路徑；V(x，y，z)為震動波傳播速度；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)震動波波速分布特征，進而確定高應力和潛在沖擊危險區(qū)域。在此基礎上，提出了基于波速異常和波速梯度異常的沖擊危險相關(guān)的判別準則(Cao et al.，2015； 竇林名等， 2017)，如表 1和表2所示，其中：震動波速異常系數(shù)An和波速梯度變化系數(shù)VG計算方法為：

(9)

VG=vp·Grad

(10)

在應力場CT探測技術(shù)的基礎上，為提高沖擊危險反演效率和精度，團隊開發(fā)了沖擊危險震動波主被動探測技術(shù)及裝備，如圖 9所示，采用雙觸發(fā)機制實現(xiàn)了可控震源(爆破或錘擊)和自然震源雙源震動波信號的采集和分析，實現(xiàn)采動應力場和沖擊危險大范圍、高分辨率和高效率監(jiān)測分析(He et al.，2011)。

圖 10 某礦工作面震動波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區(qū)域內(nèi)震動波波速反演結(jié)果，其中為說明反演結(jié)果可靠與否，將上月波速反演結(jié)果與未來一個月發(fā)生的礦震進行對照疊加。可以看出，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)場結(jié)果進一步說明了沖擊危險震動波CT反演結(jié)果的可靠性(Cai et al.，2015b)。

圖 11 礦井微震監(jiān)測系統(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 沖擊危險震動場監(jiān)測技術(shù)

礦井微震監(jiān)測系統(tǒng)布置及某工作面礦震分布如圖 11 所示，利用微震監(jiān)測系統(tǒng)就是記錄礦震波形，通過記錄分析計算礦震發(fā)生的時間、震源的坐標、震動釋放能量等參數(shù)，來確定煤巖體破斷的時間、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，進行沖擊礦壓危險性的監(jiān)測預警(姜福興等， 2006； He et al.，2017)。

2.3.1 礦震活動時序監(jiān)測

工作面覆巖破斷運動以及采場圍巖應力重新調(diào)整導致礦震發(fā)生，通過統(tǒng)計工作面回采速度與礦震活動相關(guān)性并與現(xiàn)場礦壓顯現(xiàn)、沖擊顯現(xiàn)進行對比，可以確定其相關(guān)關(guān)系，為工作面沖擊危險監(jiān)測預警與防治、工作面推進速度優(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)時出現(xiàn)礦震能量的突然升高。應指出的是，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)生前礦震活動特征并不具有普適性，在礦震活動監(jiān)測分析時，應根據(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)驗的基礎上進行時序預警。

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

2.3.2 礦震活動空間監(jiān)測

通過對典型礦震進行平剖面定位及震源機制分析，可確定礦震位置與該區(qū)域巖層分布、地質(zhì)構(gòu)造、斷層等相對位置關(guān)系及礦震類型，為明確礦震及沖擊礦壓災害應力-能量來源、礦震及沖擊機制提供依據(jù)。圖 13為某礦井沖擊顯現(xiàn)時礦震空間位置及震源機制分析，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+頂板破斷強動載。

圖 13 沖擊顯現(xiàn)時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

工作面回采不僅會導致圍巖靜載應力重新分布，還會產(chǎn)生動載影響，礦震及沖擊礦壓是動靜載疊加的結(jié)果，通過統(tǒng)計工作面回采過程中工作面走向及傾向礦震分布，可確定一定時期內(nèi)工作面走向及傾向采動影響范圍，為工作面超前支護、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間后統(tǒng)計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影響，并取礦震頻次和礦震能量兩者中較大值，則此時工作面采動影響范圍為120m，結(jié)果可為工作面超前支護及卸壓范圍的確定提供參考。

2.4 沖擊危險能量場監(jiān)測技術(shù)

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

圖 15 采動條件下煤巖應力-應變本構(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 沖擊變形能時序預警Fig. 16 Temporal monitoring of bursting strain energy

其中BC階段是預警最終破壞最佳時期，該階段震動能量與應力降和應變增量的平方呈正比，即：

(11)

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

(12)

式中： 0≤Wε-temporal≤1，對應4個沖擊危險等級：無沖擊危險0.00～0.25，弱沖擊危險0.25～0.50，中等沖擊危險0.50～0.75和強沖擊危險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)象時對應的初始應變值；ε和Nt為當前值，即受載煤巖體當前對應的應變值和礦震、聲發(fā)射數(shù)量；εl和Nl為臨界值，即受載煤巖破壞沖擊時對應的應變值和礦震、聲發(fā)射數(shù)量；UAE-i為第i個震動事件釋放的能量值。由于應變參量不同于應力參量，它在煤層開采加卸載和動載作用過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Wε-temporal是采用應變參量來描述沖擊危險程度，其中應變由礦震的能量換算得到。因此，稱該指標為沖擊變形能指數(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，對應4個沖擊危險等級：無沖擊危險0.00～0.25，弱沖擊危險0.25～0.50，中等沖擊危險0.50～0.75和強沖擊危險0.75～1.00；S為統(tǒng)計區(qū)域面積或體積；V為統(tǒng)計時間段內(nèi)煤層開采重量或體積，當工作面勻速開采時可用時間天數(shù)代替。

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

圖 17 沖擊變形能空間預警Fig. 17 Spatial monitoring of bursting strain energy

2.5 沖擊礦壓風險智能判識與多參量監(jiān)測預警云平臺

根據(jù)動靜載疊加誘沖機理，沖擊礦壓監(jiān)測預警須從應力場、震動場、能量場三方面同時進行。研發(fā)涵蓋應力場、震動場、能量場的多參量綜合監(jiān)測預警技術(shù)，能夠有效提高沖擊礦壓預警準確性。為此，利用大數(shù)據(jù)和云平臺技術(shù)，開發(fā)了沖擊礦壓風險判識與多參量監(jiān)測預警云平臺(竇林名等， 2020)，如圖 18所示。

圖 18 沖擊礦壓風險智能判識與監(jiān)測預警云平臺入口Fig. 18 Home page of the cloud platform of rockburst intelligent risk assessment and multi-parameter monitoring and early warning

圖 19 監(jiān)測預警云平臺架構(gòu)Fig. 19 Architecture of the cloud platform

沖擊礦壓風險智能判識及多參量監(jiān)測預警云平臺架構(gòu)如圖 19所示。最底層是由微震、應力、地音、鉆屑、卸壓等多種監(jiān)測系統(tǒng)形成的監(jiān)測網(wǎng)絡，該網(wǎng)絡能夠監(jiān)測并采集礦井采掘過程中的震動及應力等信息； 然后平臺對所采集的數(shù)據(jù)進行預處理并將標準化格式數(shù)據(jù)上傳至服務器數(shù)據(jù)庫，將相關(guān)信息和數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理； 工程技術(shù)人員可通過調(diào)取此前上傳的數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，利用前期構(gòu)建的沖擊礦壓風險判識模型及準則，判定工作面危險狀態(tài)，在此基礎上制定相應的防治及管理措施，指導現(xiàn)場卸壓解危工作。

針對不同的監(jiān)測系統(tǒng)和監(jiān)測方式，平臺建立了科學合理的預警指標，包括微震監(jiān)測的時空強預警指標、沖擊變形能指標和震動波CT反演(注重沖擊礦壓模型與沖擊礦壓危險空間、時間趨勢分析)以及應力預警指標、礦壓預警指標等預警指標體系(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”多參量帶權(quán)重時空預警模型(竇林名等， 2017)(圖 21)。

圖 20 沖擊礦壓風險判識和多參量綜合監(jiān)測預警指標體系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)測預警指標體系Fig. 21 Indexes for the monitoring and early warning of different types of rockburst

圖 22 監(jiān)測預警云平臺特點Fig. 22 Features of the cloud platform

云平臺不但具有多參量數(shù)據(jù)采集存儲、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警、沖擊變形能時序預警、震動波CT反演空間預警、防治信息化、多終端訪問、多形式預警等特色功能，以及GIS一張圖管理和監(jiān)防互饋的獨特優(yōu)勢，如圖 22所示，能夠極大滿足煤礦企業(yè)對沖擊礦壓災害監(jiān)測預警和治理的綜合性需求。該云平臺已在古城煤礦等13個煤礦進行了成功應用，現(xiàn)場應用表明該云平臺的綜合預警信息及監(jiān)防信息一張圖功能能夠有效指導現(xiàn)場沖擊危險監(jiān)測預警和防治工作。

3 沖擊礦壓防控原理

3.1 沖擊危險防治原理

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

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

沖擊危險強度弱化減沖原理如圖 23所示，通過在沖擊危險區(qū)域煤巖體中實施相關(guān)卸壓解危措施，破壞該區(qū)域煤巖系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)，釋放積聚的彈性應變能以及由于煤巖破裂產(chǎn)生的礦震能量，促使應力集中區(qū)進一步向深部轉(zhuǎn)移，降低應力和能量集中程度，從而降低沖擊礦壓危險(竇林名等， 2005a，2005b； 陸菜平， 2008)。

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

3.1.2 沖擊危險防治技術(shù)

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

3.2 巷道穩(wěn)定性控制原理

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

在具有沖擊危險的巷道圍巖中實施相關(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，由巷道支護組成的小結(jié)構(gòu)(強結(jié)構(gòu))； 卸壓措施實施后形成的松散破碎的弱結(jié)構(gòu)； 無擾動的原巖結(jié)構(gòu)(強結(jié)構(gòu))。即巷道圍巖由里向外具有強弱強的結(jié)構(gòu)特征，如圖 24所示。

圖 24 巷道圍巖的強弱強結(jié)構(gòu)力學模型(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，巷道圍巖應力再次重新調(diào)整，高集中應力向深部進一步轉(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)部支護小結(jié)構(gòu)處于卸壓區(qū)。另外，當臨近區(qū)域有礦震發(fā)生時，震動波經(jīng)中間弱結(jié)構(gòu)的散射和吸收，進一步衰減，最后傳遞到內(nèi)部支護小強結(jié)構(gòu)上的應力大幅降低(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)

基于巷道圍巖強弱強結(jié)構(gòu)原理，具有沖擊危險的巷道圍巖控制應從中間弱結(jié)構(gòu)和巷道支護強結(jié)構(gòu)兩個方面入手。一方面，通過在巷道圍巖中實施深孔爆破等措施，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，增大震動波傳播過程中的衰減系數(shù)，降低動載對巷道圍巖穩(wěn)定的影響。另一方面，在巷道周圍實施高強度預應力錨桿支護，及時控制圍巖變形，可在錨桿支護系統(tǒng)中設置“讓壓”構(gòu)件，使錨桿支護系統(tǒng)在高支護阻力條件下具有一定的主動讓壓變形功能以降低沖擊動載的影響，提高巷道穩(wěn)定性(高明仕等， 2020)。

4 沖擊礦壓的動靜載監(jiān)測與防治

由動靜疊加誘沖機理可知，沖擊礦壓是動靜載共同作用的結(jié)果，靜載荷是煤巖失穩(wěn)的應力和能量基礎，動載荷主要起誘發(fā)煤巖沖擊破壞的作用。根據(jù)動靜載力源及能量來源， 1.2節(jié)將沖擊礦壓分為4類。因此，沖擊礦壓的監(jiān)測預警和防治也應根據(jù)沖擊礦壓類型從靜載和動載兩個方面同時進行。

對于靜載，主要監(jiān)測對象為采掘區(qū)域圍巖靜載應力場，可采用鉆屑法、應力在線法及震動波CT反演法，其中：前兩者屬于局部監(jiān)測，探測范圍有限。采掘過程中，應根據(jù)采掘進度，定期實施震動波CT探測，明確采掘臨近區(qū)域內(nèi)波速異常范圍，進而確定潛在沖擊危險區(qū)域。對于動載，主要監(jiān)測對象為采掘區(qū)域內(nèi)煤巖體破裂、頂?shù)装鍘r層破斷及斷層活動性等，主要采用微震法監(jiān)測，局部區(qū)域可采用地音和電磁輻射輔助監(jiān)測。采掘過程中，應根據(jù)采掘進度，定期優(yōu)化微震臺網(wǎng)布置方案，使微震臺網(wǎng)對采掘區(qū)域形成包圍狀態(tài)。及時對微震系統(tǒng)采集到的礦震信號進行標定，確定震源三維坐標及能級，分析礦震空間分布特征及時序變化特征及其與現(xiàn)場礦壓顯現(xiàn)的相關(guān)關(guān)系，在礦震活動異常時及時預警。通過對動靜載的監(jiān)測，確定其沖擊礦壓類型(圖 4)，并充分挖掘礦震、應力、礦壓等信息，確定適合該沖擊礦壓類型的監(jiān)測預警指標(圖 21)，基于多參量帶權(quán)重時空預警模型實現(xiàn)對不同類型沖擊礦壓的多參量監(jiān)測預警。

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

5 結(jié) 論

(1)提出了動靜載疊加誘沖機理，即當采掘空間圍巖中的靜載與礦震形成的動載的疊加載荷超過煤巖沖擊臨界載荷時，沖擊礦壓就會發(fā)生，并給出了動靜載疊加誘發(fā)沖擊礦壓的能量和應力條件。

(2)基于動靜載疊加誘沖機理，按照煤巖體發(fā)生沖擊礦壓時的受力特征、動靜載的來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“應力-震動-能量”三場耦合監(jiān)測原理，建立了三場多參量綜合監(jiān)測預警技術(shù)體系及時空預警模型； 開發(fā)了沖擊礦壓風險智能判識與多參量監(jiān)測預警云平臺，實現(xiàn)沖擊危險監(jiān)測數(shù)據(jù)與防治措施信息的融合，提高了監(jiān)測預警效能。

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

(5)沖擊礦壓的監(jiān)測預警和防治應根據(jù)沖擊礦壓類型從靜載和動載兩個方面同時進行。首先確定不同類型沖擊礦壓監(jiān)測預警指標，基于多參量帶權(quán)重時空預警模型實現(xiàn)分類監(jiān)測預警。其次針對不同沖擊礦壓動靜載力源，采取不同措施實現(xiàn)分類防治。